Laboratoř biologie kvasinkových kolonií

Z historických důvodů stále bývá zvykem rozdělovat organismy na jednobuněčné a mnohobuněčné. Během posledních let se však ukazuje, že pomyslné hranice rozdělující tyto dvě skupiny nejsou tak striktní, jak by se mohlo zdát. Ukazuje se, že většina jednobuněčných organismů je schopna za určitých podmínek tvořit organisované mnohobuněčné struktury - povlaky, biofilmy a kolonie. V přírodních podmínkách takové struktury představují převládající formu výskytu mikroorganismů a umožňují jim lépe přežívat nepříznivé vlivy. Řada procesů, které nemají význam pro jednotlivé buňky (např. diferenciace), a které byly proto dříve přisuzované pouze "pravým" mnohobuněčným organismům (metazoím), začíná být objevována i u mnohobuněčných mikrobiálních struktur. Znalosti molekulárních a buněčných mechanismů uplatňujících se při tvorbě a vývoji populací mikroorganismů mohou pomoci například v boji proti mikrobiálním biofilmům, které jsou závažným problémem v medicíně. Mohou ale také přispět k poznání některých zákonitostí, důležitých pro tvorbu a vývoj tkání vyšších živočichů včetně člověka, podobně jako kvasinkový model pomohl pochopit buněčný cyklus, jeden ze základních buněčných procesů eukaryotické buňky (Nobelova cena 2001).

Laboratoř biologie kvasinkových kolonií (www.natur.cuni.cz/~zdenap) se pod vedením prof. Zdeny Palkové dlouhodobě zabývá projektem „Mnohobuněčné kvasinkové populace - signalizace, diferenciace a dlouhodobé přežívání“, který je podporován řadou českých (GAČR, Centra základního výzkumu) a zahraničních grantů (EMBO-YIP, HHMI). Projekt je řešen v těsné spolupráci s Laboratoří buněčné biologie Dr. Libuše Váchové (MBÚ, AVČR) a je členěn do 3 základních směrů:

1.  Výzkum molekulárních mechanismů uplatňujících se při dlouhodobém vývoji, adaptaci a přežívání populace kolonie

Jednou z charakteristických vlastností mnohobuněčných organismů je schopnost vysílat a přijímat signály na velké vzdálenosti. Kvasinkové kolonie využívají pro komunikaci jednoduchou plynnou látku, amoniak, který kolonie produkují v pulsech. Díky amoniaku mohou sousední kolonie vnímat svoji přítomnost a synchronizovat svůj vývoj. Vývoj kolonií kvasinky Candida mogii, je navíc provázen výraznými změnami morfologie jednotlivých buněk i vlastních kolonií (Obr.1). Amoniakový signál indukuje výrazné změny metabolismu buněk kolonií; buňky zapínají adaptační metabolismus a snižují hladinu stresu. Plynný amoniak tak funguje jako jakýsi "alarm" signál, který indukuje změny důležité pro dlouhodobé přežití kvasinkové populace.

2. Diferenciace populace buněk kolonie Saccharomyces cerevisiae

Další vlastností mnohobuněčných organismů je diferenciace a specializace buněk jejich tkání. Nedávné výzkumy stál více ukazují, že totéž (i když v primitivnější formě) platí i pro organisované mnohobuněčné mikrobiální populace. Buňky kvasinkových kolonií mají odlišný metabolismus a odlišné funkce v závislosti na umístění v kolonii. Tato diversifikace je horizontální i vertikální, takže buňky kolonie v průběhu vývoje vybudují její specifickou trojrozměrnou architekturu (Obr.2). Některé parametry této diferenciace souvisejí s přežíváním respektive s programovanou buněčnou smrtí buněk ve specifických oblastech.

3. Kolonie laboratorních a přírodních kmenů kvasinek se liší

Narozdíl od hladkých kolonií tvořených laboratorními kmeny kvasinky S. cerevisiae, kmeny téhož druhu izolované z přírody vytvářejí kolonie s výrazně strukturovanou morfologií, ve kterých jsou buňky propojeny extracelulární matrix vytvářející kanálky a prostory pro tok živin a odpadních látek. Tyto kolonie stavbou blízce připomínají přírodní biofilmy. V laboratorních podmínkách divoké kvasinky rychle mění životní styl a začnou tvořit hladké kolonie nerozeznatelné od kolonií běžných laboratorních kmenů. Tato "domestikace" je provázena změnami v expresi genů vedoucími ke změně metabolismu a zastavení produkce extracelulární hmoty. Pro tvorbu strukturovaných kolonií je nezbytná přítomnost povrchového adhezinu proteinu Flo11p (Obr.3).

.

Obr.1:

(A) Amoniak indukuje kolonii C.mogii, která je v acidické vývojové fázi (žlutá barva pH indikátoru v agaru), do fáze její vlastní produkce amoniaku (fialové zbarvení pH indikátoru), (B) Indukce je provázena změnami morfologie kolonie C.mogii.

.

Obr.2:

Lokalizace proteinu Ato1p-GFP v trojrozměrné struktuře kolonie zjištěná dvojfotonovým konfokálním mikroskopem. (A) Pohled na kolonii z boku. (B) Pohled na kolonii zespodu.

.

Obr.3:

Strukturovaná kolonie divokého kmene S. cerevisiae produkující povrchový adhesin Flo11p značený GFP. (A) Celá kolonie, pohled fluorescenčním makroskopem. (B) Detail buněk tvořících radiální shluky.