生物研究中的釀酒酵母及其應(yīng)用
酵母是一種單細(xì)胞真核真菌，目前有 1500 種酵母。白色念珠菌等一些物種是機(jī)會(huì)性病原體，可能導(dǎo)致人類感染，而一些物種，如釀酒酵母，對(duì)人類有用。
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什么是釀酒酵母？
S. cerevisiae，俗稱面包酵母或啤酒酵母，是一種酵母，被認(rèn)為最初是從葡萄皮中分離出來的。它是研究最多的單細(xì)胞真核生物之一。釀酒酵母細(xì)胞呈卵圓形，直徑約5-10um。它可以通過有性和無性方式繁殖（萌芽）。這種酵母喜歡以葡萄糖、麥芽糖和海藻糖等糖類為食。它們可以通過有氧呼吸產(chǎn)生能量（ATP），并且可以在沒有氧氣的情況下轉(zhuǎn)換為無氧呼吸。在無氧呼吸中，它通過以蔗糖和海藻糖等糖類為食進(jìn)行發(fā)酵并產(chǎn)生酒精和二氧化碳。釀酒酵母的這種發(fā)酵糖的特性使其成為烘焙和釀酒行業(yè)的關(guān)鍵成分。
什么是酒精發(fā)酵？
酒精發(fā)酵（乙醇發(fā)酵）由釀酒酵母和一些魚類（金魚和鯉魚）進(jìn)行。在厭氧條件下，釀酒酵母消耗葡萄糖、果糖和蔗糖等糖類來產(chǎn)生能量，乙醇和二氧化碳作為副產(chǎn)品在該過程中釋放。
釀酒酵母在生物學(xué)研究中的作用
就像大腸桿菌一樣，釀酒酵母（面包酵母或釀造酵母）已被用作生物學(xué)研究的流行模型。它被認(rèn)為是第一個(gè)在 1996 年由 Goffeau 等人對(duì)其全基因組進(jìn)行測(cè)序的單細(xì)胞真核生物。
釀酒酵母的特點(diǎn)使其成為研究中的流行模型
與任何其他真核生物一樣，它是一種簡(jiǎn)單的單細(xì)胞酵母菌，具有膜結(jié)合的細(xì)胞器。它的基因組大小約為 12 Mbp。像人類一樣，它的遺傳物質(zhì) (DNA) 被包裝在染色體中。
它可以承受廣泛的環(huán)境條件。
像真核生物一樣，它具有膜結(jié)合的細(xì)胞器，如線粒體、高爾基體、細(xì)胞核等。因此，它可以成為研究某些線粒體相關(guān)疾病的一個(gè)很好的模型，也有助于了解人類的生物通路。
科學(xué)家們?cè)谘芯拷湍负蟛虐l(fā)現(xiàn)，基因被翻譯成蛋白質(zhì)，每種蛋白質(zhì)在體內(nèi)都有特定的功能。
與小鼠和斑馬魚等其他復(fù)雜的模型生物相比，這種單細(xì)胞真核生物可以很容易地進(jìn)行遺傳操作。
大約 23% 涉及人類疾病的基因是酵母基因組的直系同源物。突變這些基因可以很容易地幫助研究人員找出這些基因在人類中的功能。
以釀酒酵母為模型發(fā)現(xiàn)了許多新藥。
它們的細(xì)胞分裂過程與人類相似，這使它們成為癌癥研究的完美模型。
S. cerevisiae 可以很容易地在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，因?yàn)樗哂泻?jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)需求。它可以在含有葡萄糖或右旋糖作為碳源和一些鹽作為氮源的液體或瓊脂培養(yǎng)基中生長(zhǎng)。
酵母中的細(xì)胞分裂幾乎與人類相似。負(fù)責(zé)人類細(xì)胞分裂的基因在酵母基因組中具有直系同源物。
它可以作為一種強(qiáng)大的工具，更好地了解人類疾病。
在 Saccharomyces Genome Deletion Project 中，大約 6000 個(gè) S. cerevisiae 基因發(fā)生突變，以找出與特定基因相關(guān)的精確功能。
釀酒酵母作為研究模型
釀酒酵母是最常用的單細(xì)胞真核模型生物之一。它已被用于許多研究，如細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、基因調(diào)控、基因表達(dá)調(diào)控和神經(jīng)退行性疾病。它被美國(guó)科學(xué)家 Leland H. Hartwell 用作模式生物，他與 Paul Nurse 和 Tim Huntin 分享了 2001 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，以發(fā)現(xiàn)控制細(xì)胞分裂（復(fù)制）的蛋白質(zhì)分子，研究鏈接在參與細(xì)胞分裂和癌癥的基因之間。他選擇了釀酒酵母，因?yàn)樗?jiǎn)單、單細(xì)胞且易于操作。他發(fā)現(xiàn)人類也發(fā)現(xiàn)了參與酵母細(xì)胞分裂的基因。通過他的研究，他證明了這些細(xì)胞分裂周期控制基因的突變會(huì)導(dǎo)致人類癌癥。
釀酒酵母作為研究模型的例子
在神經(jīng)退行性研究中
帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥和亨廷頓氏癥等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生主要是由于蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊，最終導(dǎo)致這些有毒蛋白質(zhì)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中聚集。使用釀酒酵母作為研究模型，發(fā)現(xiàn)在帕金森氏癥中，α-突觸核蛋白發(fā)生突變，導(dǎo)致這些蛋白質(zhì)分子錯(cuò)誤折疊。錯(cuò)誤折疊的 α-突觸核蛋白分子在神經(jīng)元中聚集為“路易體”，并對(duì)神經(jīng)元造成損害。這一發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家探索釀酒酵母作為發(fā)現(xiàn)可以逆轉(zhuǎn) α-突觸核蛋白毒性作用的藥物的工具。
在癌癥研究中
在釀酒酵母和人類中都發(fā)現(xiàn)了 MSH 2 (MutS 同源物 2) 和 MLH 1 (MutL 同源物 1) 等基因。酵母中這些基因的突變顯示了這些基因在結(jié)腸癌中的作用。MSH 2 是一種腫瘤抑制基因，而 MLH1 基因有助于 DNA 修復(fù)。這兩個(gè)基因的突變可導(dǎo)致人類遺傳性非息肉病性結(jié)直腸癌。
在老化研究
已經(jīng)對(duì)釀酒酵母進(jìn)行了許多研究，以了解涉及衰老的基因和途徑。在酵母中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種測(cè)量衰老的方法：RLS（復(fù)制壽命）和 CLS（時(shí)間壽命）。可以看出，通過減少培養(yǎng)基中葡萄糖和氨基酸的量，我們可以增加酵母中的 RLS 和 CLS。結(jié)果表明，過表達(dá) SIR2 和 FOB1 基因會(huì)增加酵母中的 RLS。創(chuàng)建了兩個(gè)酵母突變體，其中 sch9 和 ras2 基因通過基因工程被敲除。這兩個(gè)基因的突變表明酵母的實(shí)際壽命增加了十倍。
在 DNA 修復(fù)研究中
釀酒酵母也被用于 DNA 修復(fù)機(jī)制的研究。研究表明，負(fù)責(zé) DNA 雙鏈斷裂修復(fù)和同源重組的 rad52 基因的突變會(huì)使酵母更容易因 X 射線和其他化學(xué)試劑而死亡。這表明有絲分裂和減數(shù)分裂過程中的重組對(duì)于修復(fù)受損的 DNA 非常關(guān)鍵。
在病毒學(xué)中
我們都知道病毒是對(duì)人類、植物和動(dòng)物的主要威脅這一事實(shí)。許多研究人員正在努力尋找治療艾滋病毒、丙肝病毒等致命病毒的方法。作為真核生物，釀酒酵母已被證明是病毒研究中卓有成效的模型。病毒學(xué)家正在利用釀酒酵母作為模型來了解病毒的發(fā)病機(jī)制。艾滋病毒仍然是對(duì)人類生命的主要威脅。基于酵母的研究表明，3 種 HIV 蛋白：Vpr（病毒蛋白 R）、PR（蛋白酶）、Rev（病毒蛋白表達(dá)調(diào)節(jié)劑）在其發(fā)病機(jī)制中起重要作用。據(jù)觀察，病毒蛋白 Vpr 通過殺死 CD4+ T 細(xì)胞來抑制免疫系統(tǒng)。對(duì)釀酒酵母的研究表明，PR 參與細(xì)胞生長(zhǎng)停滯并導(dǎo)致膜完整性喪失，從而導(dǎo)致細(xì)胞裂解。
在研究細(xì)胞凋亡
釀酒酵母已被用作研究基因調(diào)控和細(xì)胞凋亡的流行模型。酵母和人類共享負(fù)責(zé)細(xì)胞死亡的共同機(jī)制和調(diào)節(jié)劑這一事實(shí)為探索酵母作為研究細(xì)胞凋亡途徑的工具開辟了新的可能性。細(xì)胞凋亡是一種程序性細(xì)胞死亡，作為細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育的正常部分發(fā)生。
釀酒酵母的商業(yè)應(yīng)用
在食品行業(yè)
S. cerevisiae（啤酒酵母）發(fā)酵糖并將其轉(zhuǎn)化為酒精（乙醇）和二氧化碳的能力使其成為烘焙和釀酒行業(yè)的關(guān)鍵成分。發(fā)酵最早是由路易斯巴斯德發(fā)現(xiàn)的。作為發(fā)酵中的副產(chǎn)品生產(chǎn)的乙醇已在商業(yè)上用于酒精形成和制造生物燃料。由于發(fā)酵而釋放的二氧化碳起到發(fā)酵劑的作用。膨松劑可以是任何有助于面團(tuán)或面糊膨脹的物質(zhì)。
在面包店
釀酒酵母（面包酵母）是制作面包和其他烘焙產(chǎn)品（如蛋糕、餅干、松餅等）的關(guān)鍵成分。面包是通過將可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)化為酒精和二氧化碳 (CO2) 形成的。制作面包的面團(tuán)由面粉、水、酵母和鹽組成。面粉中的淀粉酶分解淀粉（淀粉酶或支鏈淀粉）并釋放麥芽糖和蔗糖。面團(tuán)中的貝克酵母含有麥芽糖酶，可將麥芽糖分解成葡萄糖，葡萄糖經(jīng)過有氧呼吸產(chǎn)生兩個(gè)丙酮酸分子。很快，酵母就會(huì)耗盡氧氣并轉(zhuǎn)而進(jìn)行無氧呼吸以獲取能量。在無氧呼吸中，它將丙酮酸分解為二氧化碳和乙醇。這些二氧化碳分子被困在面粉的面筋分子中，導(dǎo)致面團(tuán)蓬松。
在酒精飲料中
我們都知道，如今酒精已成為人類文明的一部分。你知道酒精是一種酵母產(chǎn)品嗎？釀酒酵母可以通過酒精發(fā)酵將水果和谷物中的糖（葡萄糖、果糖和蔗糖）轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。酒精發(fā)酵是一種生物技術(shù)過程，可以通過某些細(xì)菌和酵母來實(shí)現(xiàn)。大麥、小麥、大米、甘蔗或玉米等淀粉類作物可以作為生產(chǎn)酒精的原料。在厭氧條件下，丙酮酸首先轉(zhuǎn)化為乙醛，然后再轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。一些細(xì)菌物種如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌也可以進(jìn)行酒精發(fā)酵。
在葡萄酒行業(yè)
葡萄酒是通過葡萄（Vitis vinifera）發(fā)酵形成的。釀酒涉及兩個(gè)主要的生物技術(shù)過程。第一個(gè)是酒精發(fā)酵，另一個(gè)是蘋果酸乳酸發(fā)酵。在酒精發(fā)酵中，葡萄等水果中的糖分轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。酒精發(fā)酵后，大多數(shù)紅葡萄酒會(huì)通過乳酸菌 Oenococcus oeni 進(jìn)行蘋果酸乳酸發(fā)酵。這個(gè)過程將味道刺鼻的蘋果酸轉(zhuǎn)化為乳脂狀的乳酸，同時(shí)也提高了 pH 值。這對(duì)于葡萄酒的脫酸和風(fēng)味修飾是必要的。
在啤酒廠
S. cerevisiae（啤酒酵母）最常用于啤酒廠。它也是鉻的豐富來源。啤酒被認(rèn)為是最常飲用的酒精飲料之一。它是通過發(fā)酵大麥、小麥、玉米等麥芽谷物制成的。啤酒酵母根據(jù)其在發(fā)酵罐中的位置可分為麥酒酵母和較大的酵母兩大類。存在于發(fā)酵罐頂部的艾爾酵母需要大約 60 到 72 華氏度的溫度，隨著溫度的升高，艾爾酵母的酯產(chǎn)量會(huì)突然激增，從而導(dǎo)致啤酒中的果味濃郁。較大的酵母在較冷的溫度（42 至 52 F）中茁壯成長(zhǎng)；因此，它們存在于發(fā)酵罐的底部。在低溫下，較大的酵母會(huì)代謝啤酒中的酯，從而使啤酒變得不那么果味，更細(xì)膩。啤酒是由麥芽汁和啤酒酵母混合而成的。麥芽汁是通過將大麥、小麥和玉米等麥芽谷物浸泡在水中制成的。在氧氣存在的情況下，酵母在消耗糖分后，開始通過無性繁殖（出芽）進(jìn)行分裂。氧氣耗盡后，它切換到無氧呼吸并開始發(fā)酵糖以產(chǎn)生能量。
在巧克力生產(chǎn)中
巧克力是所有年齡組消費(fèi)的最受歡迎的食品之一。它還用于制作蛋糕、面包店和布丁。巧克力是一種植物產(chǎn)品，由可可樹的種子制成?？煽煞N子的味道實(shí)際上非?？?，只有在發(fā)酵后才會(huì)產(chǎn)生味道。在可可發(fā)酵過程中，可可種子與果肉完好無損地保存數(shù)天。酵母（S. cerevisiae）開始發(fā)酵果肉中的糖分，使巧克力具有令人驚嘆的風(fēng)味和香氣?？煽砂l(fā)酵不僅改善了巧克力的風(fēng)味，而且還去除了種子中的單寧，這是造成可可種子苦味的原因。
在咖啡生產(chǎn)中
如果您是咖啡愛好者，那么您應(yīng)該感謝釀酒酵母賦予咖啡特有的香氣和風(fēng)味。這種酵母已被用作咖啡豆干發(fā)酵的發(fā)酵劑。釀酒酵母產(chǎn)生一種稱為果膠甲酯酶的酶，該酶具有果膠分解活性。這種酶的果膠分解活性有助于去除咖啡豆中的粘液。用于咖啡豆干發(fā)酵的釀酒酵母菌株對(duì)咖啡的感官特性有特殊影響。
在生物燃料（生物乙醇）生產(chǎn)中
由釀酒酵母發(fā)酵糖產(chǎn)生的乙醇可用作燃料。1826 年，一位名叫塞繆爾·莫雷 (Samuel Morey) 的美國(guó)發(fā)明家在船上使用乙醇和松節(jié)油作為生物燃料。乙醇是一種無色酒精，由生物質(zhì)原料發(fā)酵而成。在美國(guó)，甘蔗、大麥、高粱等含糖量高的糧食被用作制造乙醇的原料，該國(guó)將乙醇作為生物燃料，將 10% 的乙醇與汽油混合形成“汽油醇”。
使用生物燃料優(yōu)于石油的好處
乙醇與汽油的辛烷值比石油高得多。辛烷值是燃料耐受壓縮和抵抗發(fā)動(dòng)機(jī)爆震能力的量度。
它具有更高的火焰速度和更高的汽化熱。
它的毒性低于石油。
生物燃料是可生物降解的，因此它們?cè)斐傻目諝馕廴据^少。
它們比石油和柴油便宜得多。
基于用于發(fā)酵的底物的生物燃料類別
第一代生物燃料
甘蔗、玉米、水稻和小麥等農(nóng)作物可作為釀酒酵母發(fā)酵乙醇的底物。
第二代生物燃料
第二代生物燃料中用于發(fā)酵的底物包括木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，如木材、稻草、農(nóng)作物或食物垃圾等。
第三代生物燃料
第三代生物燃料的基質(zhì)包括藻類生物質(zhì)。
在醫(yī)藥行業(yè)
作為單細(xì)胞真核生物，它具有細(xì)菌和人類的特性。像細(xì)菌一樣，它可以快速?gòu)?fù)制，并且像任何其他真核生物一樣，它可以以適當(dāng)折疊的形式產(chǎn)生蛋白質(zhì)。由釀酒酵母形成的蛋白質(zhì)經(jīng)歷了糖基化、二硫鍵形成和酰化的過程。所有這些特性使其成為制藥行業(yè)為人類生產(chǎn)蛋白質(zhì)的關(guān)鍵成分。S. cerevisiae 中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分泌到外部，可以很容易地純化。S. cerevisiae 現(xiàn)在已成為價(jià)值百萬美元的生物制藥行業(yè)的一部分；1987 年釀酒酵母生產(chǎn)胰島素就是生物制藥產(chǎn)品的一個(gè)例子。由釀酒酵母生產(chǎn)的生物制藥的更多例子是胰島素、人血清白蛋白、肝炎疫苗等。
什么是生物制藥？
生物藥物是由活細(xì)胞或微生物等生物來源生產(chǎn)或提取的藥物或任何其他醫(yī)療產(chǎn)品。
在生物制藥生產(chǎn)中使用釀酒酵母的優(yōu)勢(shì)
作為真核生物，它確保人類蛋白質(zhì)的正確折疊。
蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)排泄，這降低了下游純化的成本。
釀酒酵母的營(yíng)養(yǎng)用途
釀酒酵母是許多營(yíng)養(yǎng)素的重要來源，如鉻、鉀、鋅、維生素 B1（硫胺素）、維生素 B6（吡哆醇）和維生素 B2（核黃素）。它含有我們身體所需的所有九種必需氨基酸。營(yíng)養(yǎng)酵母有奶酪和堅(jiān)果的味道。它在素食主義者或?qū)Υ蠖购望熧|(zhì)過敏的人中廣受歡迎。營(yíng)養(yǎng)酵母含有鉻，有助于降低糖尿病患者的血糖水平。它還含有一種稱為β-葡聚糖的纖維，有助于降低膽固醇，因此對(duì)心臟病患者有益。
在水族館
它已在水族箱中用于向水生植物提供二氧化碳（二氧化碳）。為了降低二氧化碳鋼瓶的成本，許多水產(chǎn)養(yǎng)殖者現(xiàn)在正在使用二氧化碳注入。這些注射劑含有酵母、糖和水的混合物。存在于注射液中的酵母以糖為食，并釋放二氧化碳作為副產(chǎn)品。
在益生菌飲料中
S. boulardii 是釀酒酵母菌株之一，已在商業(yè)上用作益生菌。它用于預(yù)防腹瀉和炎癥性腸病。
