שמרים

תא השמר

השמרים מכילים בתוכם אברוני תא המאפיינים תאים אאוקריוטיים, ודופן תא. גודלו ונפחו של תא שמר גדל במהלך חייו ושונה בין סוג שמר אחד לאחר, כאשר אורך תא שמר הוא בתחום של 4.5–21 מיקרומטר ורוחבו בין 2.5–10 מיקרומטר.

מעטפת התא

המעטפת החיצונית של תא השמר מהווה חלק גדול מנפח התא (בשמר האפייה מעטפת התא מהווה כ-15% מנפח התא) כאשר קרום התא הוא בעובי של 7 ננומטר ודופן התא הוא בעובי של 300-200 ננומטר. מעטפת זאת היא 15% עד 25% ממסת תא יבש. המעטפת מגנה על התא מפני פגיעות חיצוניות, מונעת בריחת מים ומונעת חדירת עודף מים וחומרים לא רצויים.

גרעין התא

גרעין התא מכיל את החומר התורשתי של התא. קוטרו כ-1.5 מיקרומטר והוא מבודד משאר התא בקרום שעוביו 50 עד 100 ננומטר. לעומת תאים אאוקריוטים אחרים, קרום גרעין התא לא מתפרק בזמן מיטוזה.

ציטופלזמה

הציטופלזמה של תא השמר היא המרחב שעטוף בקרום התא ומכילה בתוכה את אברוני התא,
אנזימים, חומרים יוניים, ותרכובות אורגניות. הציטופלזמה של תאי השמר היא חומצית (בסביבות pH 5.25).

הפקת אנרגיה

השמרים מפיקים את האנרגיה מסוכר המצוי בסביבתם על ידי פירוקו במספר שלבים.
השמרים יכולים לפרק את הסוכר בשתי דרכים שונות - תסיסה כוהלית ונשימה אווירנית. הנשימה האווירנית יעילה בהרבה מהתסיסה הכוהלית בהפקת אנרגיה ממולקולת הגלוקוז אך זקוקה לחמצן.
התסיסה הכוהלית היא תהליך פירוק של מולקולות גלוקוז בלא נוכחות חמצן על ידי שמרי יין.
בתהליך זה מולקולת הגלוקוז מפורקת לשתי מולקולות פירובט (גליקוליזה), שמפורקות לאחר מכן למולקולות אתנול. בסך הכול נוצרות בתהליך מכל מולקולת גלוקוז שתי מולקולות אתנול, שתי מולקולות ATP (שהיא ניצולת מועטה של אנרגיה לעומת 36 מולקולות ATP בתהליך הנשימה האווירנית) ובנוסף נפלטות גם שתי מולקולות פחמן דו-חמצני. ככל שכמות שמרי היין גדלה כך קצב פליטת הפחמן הדו-חמצני גדל.
תהליך הנשימה האווירנית הוא תהליך אחר, הדורש נוכחות חמצן, ובו תא השמר יכול לפרק מולקולות גלוקוז. בתהליך זה נוצרות 36 מולקולות ATP, נפלטים מים ופחמן דו-חמצני, והחמצן אובד.
בחלקו הראשון של התהליך (הגליקוליזה) נוצרות שתי מולקולות פירובט. מולקולות הפירובט עוברות תהליכי מעגל קרבס וזרחון חמצוני ונותנות את האנרגיה הדרושה ליצירת 36 מולקולות ה-ATP שהתא צריך.

רבייה

השמרים מתרבים על ידי הנצה, פליגה או רבייה מינית. כיוון שתהליכי הרבייה דורשים אנרגיה רבה, קצב הגידול של תאי שמרים בנוכחות חמצן גדול בהרבה מתאי שמרים שלא בסביבת חמצן.

פליגה

הפליגה היא תהליך רבייה אל-מיני. הפליגה מתחילה בשכפול DNA - שבו השמר מכפיל את החומר התורשתי שלו. בשלב שלאחר מכן, כל שני כרומוזומים דומים מופרדים לשני קצות התא, ובשלב האחרון נוצר קרום תא בתוך התא ושני חצאי התא מופרדים לשני תאים שונים.

הנצה

הנצה הוא תהליך רבייה אל-מיני שבסופו נוצר תא זהה לתא האם. תהליך ההנצה מתחיל בשכפול DNA וביצירת בליטה על דופן תא האם. בהמשך התהליך, ה"בליטה" מתמלאת בציטופלזמה ובחומר תורשתי מתא האם. בסוף התהליך נוצר דופן תא לתא החדש, ושני התאים מופרדים. בעקבות תהליך זה נשארת צלקת (הנקראת צלקת הנצה) על תא האם, באתר ההפרדה.
תא שמר בודד יכול להנץ כ-30-10 פעמים במהלך חייו, תלוי בסוג השמר ובתנאי הסביבה. זמן התהליך הוא מ-90 דקות (תאים צעירים) ומתארך ככל שתא השמר מבוגר יותר - עד למספר שעות.

רבייה מינית

תא השמר עובר תהליך מיוזה שבו התא מתחלק לארבעה נבגים (הנקראים "אקספורות") ולקרום התא עצמו. מארבע האקספורות נוצרים ארבעה תאים הפלואידים היכולים להנץ. בהמשך התהליך האקספורות עוברות התלכדות והופכות לתאים דיפלואידיים, וכך נוצרים שני תאים בעלי גנים שונים מתא האם.
השמרים מכילים בתוכם אברוני תא המאפיינים תאים אאוקריוטיים, ודופן תא. גודלו ונפחו של תא שמר גדל במהלך חייו ושונה בין סוג שמר אחד לאחר. אורכו של תא שמר הוא בתחום של 4.5–21 מיקרומטר ורוחבו בין 2.5–10 מיקרומטר.

היסטוריה של השימוש בשמרים ומחקרם

אף על פי שהשמרים נצפו לראשונה בשנת 1680, נעשה בהם שימוש נרחב זמן רב קודם לכן.
השמרים נראו לראשונה במיקרוסקופ בידי אנטוני ואן לוונהוק בשנת 1680, אך מחקר החל רק במאה ה-19, כאשר מדען בשם מילר גילה (1837) כי המיקרואורגניזמים הנפוצים בבירה הם יצורים חיים המתרבים על ידי הנצה. מחקר מעמיק יותר נעשה בשנת 1857 על ידי לואי פסטר, בעקבותיו זוהו השמרים כמיקרואורגניזמים האחראים לתסיסה שהופכת את הסוכר לאתנול.
בשנת 1990 החל פרויקט משותף של מספר אוניברסיטאות שמטרתו היה למפות את הגנום של שמרי האפייה. הפרויקט הסתיים ב-1996 לאחר שהגנום של שמר האפייה הכולל 6,294 גנים מופה לחלוטין. פרויקט זה היה הישג חשוב לגנטיקה, כיוון שזו הייתה הפעם הראשונה שמופה גנום של תא אאוקריוטי.

שימושים

זנים מסוימים של שמרים משמשים את האדם כיצרנים בתהליכים ביוטכנולוגיים. השמרים מהווים חלק עיקרי בתהליכי תסיסה, בהם ייצור של משקאות חריפים, אפייה, תעשיית תוספי המזון וכדומה. לשמרים יש חשיבות רבה בתחום המחקר, וחלקם מהווים אורגניזמי מודל נחקרים מאוד בביולוגיה, ותורמים רבות לתחום הגנטיקה.

הפקת אנרגיה

ניתן להשתמש בתהליך ההזנה של השמרים כדי לייצר אנרגיה. למרות היעילות של שיטה זו היא יקרה מאוד ועוד לא נמצא בהישג טכנולוגיית האדם אפשרות לעשות זאת ללא עלויות אשר לא מצדיקות את היעילות. לכן ייצור אנרגיה על ידי שמרים עוד לא נכנס לשיטות ייצור האנרגיה המקובלות כיום.

משקאות אלכוהוליים

השימוש בשמרים להכנת משקאות אלכוהוליים החל לפני אלפי שנים, ונמשך עד היום.

יין

לשמרים יש חלק חשוב בהכנת היין, שכן הם מתסיסים את הסוכר הנמצא במיץ הענבים והופכים אותו לאתנול. ברוב המקרים ישנה נוכחות שמרים טבעית על הענבים, וניתן לראותם בתור שכבה אבקתית דקה על הקליפה. החשיבות של שמרים אלו הייתה גדולה מאוד בתקופות העתיקות, משום שהאנשים נאלצו להסתמך על נוכחות השמרים בענבים כדי שייווצר יין, אולם כיום אין צורך להסתמך על שמרים אלו, משום שניתן להוסיף שמרים בצורה מלאכותית. כיום נהוג להוסיף זנים מסוימים ליין על מנת לתת לו את התכונות הטובות ביותר. שמר האפייה הוא הזן הנפוץ ביותר בייצור יין.

בירה

השמרים מוספים לבירה לצורך הפיכת הסוכר שבשעורה לאתנול. יצרני בירה מחלקים את השמרים לשני סוגים: מתסיסים עליונים ומתסיסים תחתונים. המתסיסים העליונים קיבלו את שמם משום שהם יוצרים קצף בחלקה העליון של הבירה בזמן התסיסה. שני הסוגים נבדלים בתכונות מסוימות, בפרט בכך שהמתסיסים העליונים מייצרים יותר אתנול ומעדיפים טמפרטורה גבוהה יותר מאשר המתסיסים התחתונים, ומייצרים בירה מתוקה יותר. במתסיסים התחתונים משתמשים לייצר בירה מסוג לאגר, בעוד שהמתסיסים העליונים משתמשים לייצור בירה מסוג אייל.
על מנת לאשר את ה"טוהר" של זן השמרים שרוצים להשתמש בהם, לוקחים דגימת שמרים "נקייה" ומחזיקים אותה בתנאי מעבדה בתוך מקרר, למספר תסיסות. השמרים שנוצרו נלקחים מהדגימה, וכך בוודאות זן השמרים "טהור" מזנים אחרים.

משקאות אלכוהוליים אחרים

בנוסף לבירה ויין, משתמשים בשמרים לייצור משקאות אלכוהוליים ממגוון פירות וחומרים שונים כגון: סאקה העשוי מאורז, וודקה העשויה מתפוחי אדמה, וליקרים העשויים לרוב מפירות.

אפייה

זני שמרים מסוימים, ובפרט שמרי האפייה נמצאים בשימוש באפייה כמתפיחי בצק. שמרים חיים משווקים בשתי צורות: לחים (כמו מחמצת) - אותם יש לשמור בקרור, ויבשים - שעברו תהליך ייבוש איטי (על ידי דה הידרטציה), ואותם יש לעורר, לרוב, לפני השימוש בעזרת מים פושרים.
השמרים גורמים לבצק לתפוח בכך שבמהלך תהליכי ייצור האנרגיה שלהם מהסוכר הם פולטים פחמן דו-חמצני. הגז מנסה להיפלט לאוויר ויוצר כך מעין בועות בבצק - וכך גורם לבצק לתפוח. הוספת ביצים, תפוחי אדמה או סוכר לבצק גורמת להאצת גדילת השמרים, בעוד הוספת מלח או שומנים כגון חמאה מאטים את גדילתם.
לא ידוע בוודאות מתי החלו לאפות בצק, אך התיעוד הראשון לאפייה היה במצרים העתיקה, שם היה הלחם דומה לפיתה או ללאפה.

מחקר

כאורגניזם, השמר מהווה מודל טוב למטרות מחקר עקב היותו תא אאוקריוטי, ובכך דומה לאדם, ומצד שני - השמר הוא יצור חד תאי, כך שהוא מתרבה במהירות, וניתן לבצע בו מחקר יעיל וזול יחסית. כמה מפרסי נובל הקשורים בתפקודים תאיים ניתנו לאנשים שחקרו שמרים. 
הגנום השמרי נחשב קומפקטי יחסית, מאחר שרובו מקודד לגנים, וללא הרבה "DNA זבל", ולכן נוח לעבודה מולקולרית.
בשמרים מסוימים (למשל P.pastoris) ישנו גם מנגנון טרנספורמציה ייחודי, בו קטע DNA זר המכיל מקטעים הומולוגיים (זהים) למקטעים שמריים, יכול להשתלב בגנום השמרי, תוך כדי שהוא מחליף את הקטע שבין המקטעים ההומולוגיים. מנגנון זה מקל על הנדסה גנטית של שמרים, ומאפשר לייצר בעזרתם חומרים רקומביננטיים.
היותו של השמר יצור אאוקריוטי מהווה יתרון על פני חיידקים (שהם פרוקריוטים) בייצור חלבונים למטרות רפואיות, מכיוון שמנגנוני השמר דומים יותר למנגנונים האנושיים, בעיקר בתחום הגליקוזילציה.