Autor: Izabela Podgórska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, kierunek: biotechnologia
Toksyny killerowe to białka lub glikoproteiny wiążące struktury polisacharydowe ścian komórkowych. Są one wrażliwe na proteazy, labilne termicznie oraz działają w pH kwaśnym [1]. Wytwarzają je m.in. drożdże S. cerevisiae oraz inne z rodzajów Candida, Kluyveromyces, Pichia, Hansenula, Kloeckera, Zygosaccharomyces, Cryptococcus, a także pewne gatunki grzybów np.. Hanseniaspora uvarum, Ustilago maydis [2].
W większości prac opisujących te toksyny dotyczy drożdży i zakłada, że wykazują one działanie w stosunku do drożdży blisko spokrewnionych z jej producentem. Wielu autorów jednak opisuje także aktywność killerową drożdży wobec przedstawicieli innych gatunków i rodzajów, a nawet w stosunku do bakterii czy grzybów strzępkowych [4].
Zdolność do wydzielania białek killerowych, które działają zabójczo na wrażliwe szczepy drożdży, jest znana już od początku lat 60-tych. W odniesieniu do tej cechy wyróżnia się 3 fenotypy: killerowy (K), wrażliwy (S) oraz neutralny (N) [3]. Działalność tych toksyn jest łatwo wykrywalna tylko wtedy, gdy testowany jest odpowiedni wrażliwy szczep. Jej wpływ zależy zarówno od jej własnej siły, ale też od podatności traktowanych nią komórek [1].
Aktywność killerowa jest rozpowszechniona zarówno wśród drożdży przechowywanych w kolekcjach czystych kultur, ale i wśród szczepów izolowanych z różnych środowisk naturalnych/fermentacyjnych. Uważa się, że odgrywa ona istotną rolę w ekologii drożdży, stanowiąc mechanizm współzawodnictwa umożliwiający killerowym drożdżom eliminację wrażliwych konkurentów i opanowanie danej niszy ekologicznej [4].
Dotychczas zidentyfikowano przynajmniej 11 czynników killerowych (K1-K11) u drożdży. Typy K1, K2, K3 specyficzne są dla S. cerevisiae, natomiast typy K4-K11 znajdowane są u innych rodzajów drożdży. Szczepy neutralne nie zabijają komórek wrażliwych i są odporne na czynnik killerowy [3]. Wielu badaczy zajmujących się zjawiskiem killerowym u drożdży dowodzi, że aktywność bójcza tych mikroorganizmów przejawia się przede wszystkim w temperaturze 20–26°C, np. drożdże Williopsis saturnus var. Mrakii produkują toksyny killerowe w 26°C , natomiast S. cerevisiae i Candida tropicalis, produkują je w 22°C [4].
System killerowy u wielu gatunków drożdży (m.in. Saccharomyces cerevisiae) determinowany jest i kontrolowany obecnością w cytoplazmie cząstek VLP (Virus Like Particles), określanych często jako cząstki wirusopodobne. Utraciły one jednak zdolność pozakomórkowego rozprzestrzeniania się. Do transmisji tych wirusów dochodzi tylko na skutek wegetatywnych podziałów komórkowych lub płciowego rozmnażania się drożdży. Cząstki VLP stanowi podwójnie skręcony łańcuch kwasu rybonukleinowego (dsRNA) zamknięty w oktaedrycznym kapsydzie białkowym. Wewnątrz kapsydu znajdują się różne typy dsRNA, spośród których najistotniejszą rolę pełnią M-dsRNA (1,6-1,8 kbp) i L-dsRNA (4,6 kbp). Produkcja toksyny killerowej i odporność na nią kodowane są przez M-dsRNA.
Cząstki VLP nie są jednak wyłącznym wyznacznikiem charakteru killerowego. U niektórych drożdży informacja genetyczna niezbędna do ujawnienia fenotypu killerowego zapisana jest w genomie jądrowym (Williopsis mrakii, Pichia farinosa) lub przenoszona przez liniowy plazmidowy dsDNA (Kluyveromyces lactis, Pichia acaciae, Pichia inositovora, Wingea robertsiae).
Większość toksyn kodowanych przez pozachromosomalny materiał genetyczny (dsRNA, liniowe plazmidy DNA) ma budowę podjednostkową i masę cząsteczkową powyżej 18 kDa, natomiast te, które kodowane są przez jądrowy DNA, są z reguły małymi (1–23 kDa), monomerycznymi białkami zdolnymi do integracji z błoną cytoplazmatyczną drożdży wrażliwych.
Niezależnie od genetycznych uwarunkowań białek killerowych wykazują one szereg cech wspólnych, zarówno pod względem budowy, jak i procesu ich syntezy.
Działanie toksyn killerowych przebiega w dwóch etapach:
– W pierwszym następuje wiązanie toksyny do receptorów znajdujących się w ścianach komórek wrażliwych. Dla wielu poznanych dotąd toksyn, w tym toksyn K1 i K2 S. cerevisiae, receptorem tym jest β-1,6-D-glukan, jednak funkcję tę mogą pełnić także inne składniki, np. α-1,3-mannan czy chityna wiążąca toksynę drożdży K. lactis i P. acaciae. Etap ten jest zależny od pH środowiska, przebiega bez dostarczenia energii, a w obecności jonów wapnia jest procesem odwracalnym.
– Drugi etap, nieodwracalny i wymagający nakładu energii, przebiega różnie, w zależności od rodzaju toksyny [4].
Przykłady zastosowania toksyn killerowych są różne, m.in.:
– wykorzystanie w medycynie, gdzie w postaci swoistych paneli służą do szybkiej identyfikacji patogennych dla człowieka szczepów z gatunku Candida albicans oraz Nocardia asteroides;
– leczenie grzybic ludzkich- białka killerowe jako bardziej selektywne czynniki grzybobójcze;
– biologiczna ochrona płodów rolnych, głównie owoców i warzyw, przed zepsuciami powodowanymi przez grzyby strzępkowe podczas magazynowania;
– wiązanie się z glukanami ściany komórkowej drożdży i hamowanie ich syntezy (są one porównywane do antybiotyków powstrzymujących syntezę ścian komórkowych bakterii);
– rozważana jest także możliwość wykorzystania drożdży killerowych i/lub ich toksyn w przemyśle spożywczym, przede wszystkim fermentacyjnym, głównie w browarnictwie czy winiarstwie, w celu ochrony procesów fermentacyjnych przed drożdżami dzikimi [4].
W ostatnich latach obserwuje się wyraźny wzrost zainteresowania drożdżami killerowymi oraz produkowanymi przez nie toksynami. Licznie badania owocują coraz większą znajomością zjawiska killerowego, co skutkuje sukcesywnymi zwiększającymi się możliwościami jego wykorzystania.
Bibliografia:
1. Parveen M. R., Begum A. J.: Production and effect of killer toxin by Saccharomyces cerevisiae on sensitive yeast and fungal pathogens, International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research, 3, 1, 026, 127-129, 2010.
2. Schmitt M. J., Breinig F.: Yeast viral killer toxins: lethality and self-protection, Microbiology 4, 212-221, 2006
3. Wojtatowicz M., Żarowska B., Kieżel X., Chrzanowska J.: Aktywność killerowa izolatów drożdży z serów pleśniowych. Acta Scientarum Polonorum, Biotechnologia 1 (1-2), 89-98, 2002.
4. Żarowska B.: Biosynteza i charakterystyka toksyn killerowych drożdży Debaryomyces hansenii. UWP, Wrocław 2012.
