Metalljoner, till exempel järn, är helt nödvändiga för många biologiska funktioner i celler. Nu har forskare vid Chalmers utvecklat en matematisk modell för att se hur metaller påverkar ämnesomsättningen i bagerijäst. Modellen kan användas för att förbättra industriella jäststammar som används för att producera olika bioprodukter − eller för att designa kosttillskott.
Bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, används som modellorganism för att studera till exempel metabolism, ämnesomsättning, i mänskliga celler. Men mikroorganismerna kan också fungera som så kallade cellfabriker. Då används de industriellt för hållbar industriell produktion där förnybara råvaror omvandlas till bioprodukter, till exempel bioetanol, läkemedel och kemikalier. Med ökad kunskap om metabolismen i jäst kommer också möjligheterna att öka produktionshastighet och livskraft hos cellfabrikerna − genom genetisk modifikation och optimerade tillväxtförhållanden.
Modellen förutsäger cellens svar på minskad järntillgång
Metalljoner spelar en viktig roll för metabolismen eftersom de fungerar som kofaktorer, en slags hjälpmolekyler, till ett stort antal enzymer som till exempel ingår i cellsystem för cellandning eller avgiftning. Även om forskningen visar att många enzymer samspelar med metalljoner har det hittills saknats ett samband mellan tillgång av metalljoner och metabolism.
− Vi skapade en modell baserad på bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae. Modellen visade goda resultat när det gällde att förutsäga intracellulär tillgång på metalljoner och hur metabolismen svarade på minskad tillgång av dem, säger Yu Chen, postdok på avdelningen för systembiologi, förstaförfattare till den vetenskapliga artikeln som nyligen publicerades i PNAS.
Järnbrist leder till resursfördelning i cellen
Forskargruppen undersökte också järns roll i metabolismen och de upptäckte att modellen fångade upp omfördelning av resurser vid järnbrist. Detta kan betyda att jästcellerna optimerar fördelningen av järn för cellens behov. Det innebär att jäst ser till att järnet fördelas till de enzymer som behövs för biosyntes av aminosyror, de proteinbyggstenar som krävs för celltillväxt.
Forskarna bekräftade också modellens resultat experimentellt genom genetisk modifiering av jäst avsedd för produktion av biomolekyler. Dessa försök visade att otillräcklig tillgång på järn kan begränsa biosyntes av p-coumarinsyra, en kemikalie av stort kommersiellt intresse som används för produktion av färger och polymerer som används i många material. Jästcellermas produktion av p-coumarinsyra styrs av ett enzym som innehåller järn.
"Förbättra cellfabriker och kost"
− Vi tror att vår modell kan användas för att förbättra jästcellfabriker och optimera deras tillväxtförhållanden. Men ännu viktigare är att modellen skulle kunna användas för att studera hur metalljoner påverkar den mänskliga metabolismen. Modellen skulle till exempel kunna användas för att förklara varför mineralbrist uppstår och hur man ska lägga upp kost och kosttillskott för att undvika detta, säger Yu Chen.
Läs den vetenskapliga studien i PNAS: Yeast optimizes metal utilization based on metabolic network and enzyme kinetics
Kontakt
- Professor, Systembiologi, Life Sciences