Pagaripärm

Pagaripärm ehk leiva-pärmkottseen ("Saccharomyces cerevisiae") on kottseente hulka kuuluv tuntuim pärmseeneliik, mida kasutatakse kääritamisel, küpsetamisel ja veinitööstuses. Pagaripärmi rakud on ümmargused, diameetriga 5–10 mikromeetrit. Paljunemise viisiks on pungumine.
Neid kasutatakse ka eukarüootide mudelorganismina molekulaar- ja rakubioloogias. Paljud inimese bioloogias olulised valgud (nt rakutsükli valgud, signaalvalgud ja ensüümid) avastati nende pärmides asuvate homoloogide uurimisel.
Nimetus.
"Saccharomyces" tähendab kreeka keeles suhkruseeni ("saccharo" 'suhkur' ja "myces" 'seen'). "Cerevisiae" tähendab ladina keeles 'õllest tulenev'.
Fülogenees.
"S. cerevisiae" lahknes "Candida albicans"'ist 140–841 miljonit aastat tagasi.
Bioloogia.
Elutsükkel.
Pagaripärmid saavad elada ja kasvada, olles kahes vormis: haploidne ja diploidne. Haploidsed rakud teevad läbi lihtsama elutsükli, mis koosneb mitoosist ja kasvamisest. Stressi tingimustes nad tavaliselt surevad. Diploidsed rakud (pärmseente eelisvorm) teevad läbi ka lihtsama elutsükli, kuid stressi tingimustes võivad moodustada spoore, läbides meioosi ja moodustades neli haploidset spoori. Kasvades täisväärtuslikus söötmes, kahekordistub pagaripärmi kultuur 100 minuti jooksul. Keskmine eluiga on umbes 26 jagunemist.
Kasvutingimused. Metabolism.
Kõik pagaripärmi tüved võivad kasvada aeroobselt, kasutades glükoosi, maltoosi ja trehhaloosi. Ei kasva laktoosi ja tsellobioosi juuresolekul. Parimad käärimise süsivesikud on galaktoos ja fruktoos. Erinevate suhkrute kasutamise võimalused sõltuvad sellest, kas tüvi kasvab aeroobsetes või anaeroobsetes tingimustes. Mõned tüved ei kasva anaeroobselt sahharoosi ja trehhaloosi olemasolul.
Kõik pagaripärmi tüved kasutavad ammoniaaki ja uureat ainsate lämmastiku allikatena, kuna neil puudub võimalus redutseerida nitraati ammooniumiioonideks. Lisaks on pagaripärmid võimelised kasutama aminohappeid, väikesi peptiide ja lämmastikaluseid. Pagaripärmi tüvedel puudub võimalus metaboliseerida ekstratsellulaarseid proteiine, kuna nad ei erita proteaase.
Heaks kasvuks vajavad pagaripärmid veel fosforit, mida nad omastavad bivesinikfosfaatioonina, ja väävlit, mida nad saavad aminohapetest, näiteksmetioniinist ja tsüsteiinist, või omastavad sulfaatioonidena. Ka mõned metallid, näiteks magneesium (Mg), raud (Fe), kaltsium (Ca) ja tsink (Zn), on vajalikud paremaks kasvuks.
Rakutsükkel.
Pagaripärmide kasvamine toimub punga kasvamisega sünkroonselt. Pung saavutab täiskasvanud raku suuruse alles peremeesrakust eraldumise ajal. Kiiresti kasvavas rakukultuuris on näha, et kõikidel rakkudel on pung olemas. Tavaliselt koosneb pagaripärmi rakutsükkel järgmistest faasidest: G1, S, G2 ja M, mis on ka tavalise rakutsükli faasid.
Pagaripärm bioloogilistes uuringutes.
Tänapäeval on hästi uuritud pärmiliigid "S. pombe" ja "S. cerevisiae". Need lahknesid umbes 600–300 miljonit aastat tagasi ja praegu on olulised vahendid DNA kahjustuste ja reparatsioonimehhanismide uurimises. DNA transformatsiooni arengu tõttu on pagaripärm eriti vajalik geenide kloonimiseks ja geenitehnoloogias.
Pagaripärmist on arenenud hea mudelorganism, sest sellel on järgmised omadused:
Pagaripärmi teaduslik mudel.
"S. cerevisiae" teaduslikult uuritud ning kaardistatud mudel leiab rakendust nii mükoloogias, kliinilises meditsiinis (kliinilises mükoloogias), laborimeditsiinis, bioloogias, onkoloogias, radioloogias ja histoloogias kui ka alkoholi- ja pagaritööstustes, ravimitööstuses jm.
Paljudel inimeste haigustega seotud geenidel on pärmides ortoloogid ning metaboolsete ja regulatoorsete mehhanismide jäävus võimaldab laialt kasutada pagaripärme eukarüootse organismi mudelina mitmesugustes bioloogilistes uuringutes.
Genoomi sekveneerimine.
Pagaripärm on esimene eukarüoot, kelle genoom on täielikult sekveneeritud. Genoomi järjestus avaldati 24. aprillil 1996. Sealtpeale avaldatakse kõik uuendused veebisaidil Saccharomyces Genome Database. Seda andmebaasi kasutavad tihti pagaripärmi uurijad ning sinna on võimalik ka märkmeid lisada. Teine oluline pagaripärmi andmebaas on tehtud MIPS-is (Munich Information Center for Protein Sequences).
Pagaripärmi genoom sisaldab umbes 12 miljonit aluspaari ja kodeerib 6275 geeni, mis on omakorda pakitud 16 kromosoomiks. Tõelisi funktsionaalseid geene on ainult 5800.
Astrobioloogia.
Pagaripärmi rakuproov oli mikroorganismide hulgas, mida kavatseti kasutada kolm aastat kestvas planeetidevahelises eksperimendis Living Interplanetary Flight. Eesmärgiks oli aru saada, kas uuritud tüvi saab süvakosmoses ellu jääda. Selleks kasutati Venemaal konstrueeritud Fobos-Grunti kosmoselaeva. Missioon algas 8. novembril 2011, kuid 15. jaanuaril 2012 kukkus Fobos-Grunt Vaiksesse ookeani.
Pagaripärm ärirakenduses.
Õllepruulimine.
Pagaripärmi kasutatakse õlletegemisel ja seetõttu nimetatakse seda mõnikord pinnakäärituspärmiks. Selline nimetus tuleneb sellest, et käärimisprotsessi jooksul moodustuvad pärmi hüdrofoobse kihi peal pärmirakkude kogumikud, mis CO2 kinni peavad ja tõusevad anuma ülaossa. Pinnakäärituspärme kasutatakse õllepruulimiseks kõrgematel temperatuuridel, näiteks 21 °C juures. Teist tüüpi pärmid – Lager-pärmid – on kasutusel siis, kui käärimine toimub madalatel temperatuuridel umbes 5 °C juures, sest madalatel temperatuuridel on pagaripärm ’uinunud’. Lager-pärmid on vajalikud heleda õlle tegemiseks.
Etanooli tootmine.
Pärmi võimet panna süsivesikud käärima kasutatakse biotehnoloogias etanoolikütuse tootmiseks. Protsess algab suhkruroo või söödateraviljade jahvatamisest. Siis lisatakse lahjendatud väävelhape või seente alfaamülaasi ensüümid. Nad on vajalikud selleks, et tärklis laguneks oligosahhariidideks. Siis lisatakse glükoamülaasi, et oligosahhariididest saada monosahhariide. Viimastena lisatakse pärme, et monosahhariididest saada etanooli, mis destilleeritakse. Saagina saadakse tavaliselt 96% etanool.
Mõningaid pagaripärmi tüvesid on geneetiliselt muudetud selleks, et nad saaksid ka ksüloosi kääritada. Ksüloos on üks peamistest käärimisvõimelistest suhkrutest, mis sisaldub tselluloosibiomassis, näiteks põllumajanduse jääkides, vanapaberis ja laastudes. Selline saavutus tähendab seda, et etanooli on võimalik saada ka paljudest odavatest toorainetest. Lisaks sellele võib tselluloosist saadav etanoolkütus olla alternatiiviks diisli- ja bensiinkütusele.
Pagaripärmi mudel kliinilises meditsiinis ja selle olulisus.
"S. cerevisiae" teaduslikku mudelit kasutatakse paljude imetajate haiguslike seisundite diagnoosimisel, avastamisel, ravimisel ja uurimisel. Nii näiteks kulub USA-s "Candida albicans"'i perekonna seeninfektsioonide raviks, sealhulgas haiglaraviks, igal aastal miljard USA dollarit.
"S. cerevisiae" ja inimeste immuunsüsteem.
"S. cerevisiae" "surrogaadi" mudeli abil teostanud uuringud võimaldavad välja töötada uusi seeninfektsiooniravimeid, aga ka uurida nendega seotud ohtusid ning metabolismi ja surma: nii saame lugeda, et "Candida albicans" pakub tööd inimorganismis suuresti neutrofiilidele, makrofaagidele ja muudele vererakkudele.
"S. cerevisiae" biomasse on leitud nõrgenenud immuunsüsteemiga inimestel (esmase immuunpuudulikkusega seotud haiguslike seisundite, HIV ja AIDS-i korral) viiruse seentevastast ravimikomplekti saajate organismis, vastsündinutel, transplantatsioonide järgselt, avatud operatsioonide ning seente vereringlusse sattumise järgselt jne – nii südames, neerudes, ajus kui ka mujal.
"S. cerevisiae" ja vähkkasvajate ravi ja vaktsiin.
"S. cerevisiae" rakud leiavad laialdast implementatsiooni mikrobioloogiaga lähedalt seotud teadusharudes ka hea- ja pahaloomuliste kasvajate ravis ning vaktsiinide väljatöötamisel.
Seeninfektsioonide laboratoorne analüüs.
Seeninfektsioonide kahtluse korral (meil vähetuntud, mujal maailmas teatakse ka "Candida albicans"i pandeemia) võetakse tänapäeval mitmesuguseid proove: nahatestid, vereproovid, koetükid jne. Proove analüüsitakse mitmesuguste automaatanalüüsidega, alustuseks vast täisvereanalüüs: erütrotsüütide, neutrofiilide, abistajarakkude e CD4-rakkude, tsütotoksiline T-rakkude ehk CD8+ T-rakkude ja muude rakkude loend.
Seeninfektsioonid ja nende ravi.
Seeninfektsioonide ravi ei ole täiesti ohutu ega rahakotisõbralik ka Eestis: nii näiteks on Eesti Haigekassa tervishoiuteenuste loetelus toodud invasiivse seeninfektsiooni ravi või eeldatava invasiivse seeninfektsiooni empiiriline ravi (kaspofungiini, liposomaalse amfoteritsiini või vorikonasooliga jms ravimid, koodiga 338R) ühe päeva ravimite maksumuse 647,51 eurot. Seega enne pikaajalise ravi alustamist soovitatakse meditsiiniringkondades kooskõlastada ravi patsiendiga ning teha mitmesugused immuunsusuuringud, sealhulgas tuntuima – CEIA- ("Candisphere enzyme Immuno Assay Test") meetodiga.
Geneetiline nomenklatuur (ARG2 näitel).
Tüved.
Allolevaid pagaripärmi tüvesid kasutatakse paljudes uurimisprojektides, näiteks pärmi bihübriidi saamiseks. Paljud pagaripärmi tüved eksisteerivad haploidide paaridena a ja alfa (näidatud kui MATa või MATα). Tüvede kirjeldamisel lähtutakse tavaliselt nende geneetilistest erinevustest võrreldes standardse tüvega S288C.
AH109
Genotüüp: MATa, "trp1-901", "leu2-3",112,"ura3-52","his3-200","∆gal4","∆gal80","LYS2";"GAL1UAS-GAL1TATA-HIS3", "GAL2UAS-GAL2TATA-ADE2", "URA3: MEL1UAS-MEL1TATA-lacZ"
PJ69-4alpha
Genotüüp: MATα, "trp1-901","leu2-3","112","ura3-52","his3-200","gal4" (deleteeritud),"gal80" (deleteeritud) "LYS2::GAL1-HIS3" "GAL2-ADE2 met2::GAL7-lacZ"
PJ69-4a
Genotüüp: MATa,"trp1-901","leu2-3","112","ura3-52","his3-200", "gal4" (deleteeritud), "gal80" (deleteeritud) "LYS2::GAL1-HIS3" "GAL2-ADE2 met2::GAL7-lacZ"
Y187
Genotüüp: MATα, "ura3-52", "his3-200", "ade2-101", "trp1-901", "leu2-3", "gal4∆", "met-", "gal80∆", "URA3::GAL1" "UAS-GAL1TATA-lacZ"