Wzrost Saccharomyces cerevisiae posłużył jako cenne narzędzie do identyfikacji dziesiątek fizjologicznych i molekularnych mechanizmów. Wzrost mierzy się przede wszystkim trzema metodami: seryjnymi rozcieńczeniami do testów punktowych, liczeniem jednostek tworzących kolonie i krzywymi wzrostu. Techniki te mogą być stosowane samodzielnie lub w połączeniu z różnymi substratami, warunkami środowiskowymi, mutantami i chemikaliami w celu zbadania określonych reakcji lub fenotypów.
Oddychanie mitochondrialne jest procesem biologicznym, w którym kinetyka wzrostu została z powodzeniem zastosowana do odkrywania nieznanych mechanizmów. W tym przypadku suplementacja pożywek wzrostowych niefermentującymi źródłami węgla, takimi jak glicerol, mleczan lub etanol (które są metabolizowane wyłącznie przez oddychanie mitochondrialne), jako jedyne źródło węgla i energii, pozwala na ocenę wzrostu układu oddechowego, co jest ważne dla wykrycia zaburzeń aktywności fosforylacji oksydacyjnej1. Z drugiej strony, skomplikowane jest wykorzystanie modeli kinetycznych wzrostu jako metody rozszyfrowywania mechanizmów stojących za fermentacją.
Badanie fermentacji i oddychania mitochondrialnego jest niezbędne do wyjaśnienia mechanizmów molekularnych stojących za niektórymi fenotypami, takimi jak efekty Crabtree i Warburga2,3. Efekt Crabtree charakteryzuje się wzrostem strumienia glikolitycznego, zahamowaniem oddychania mitochondrialnego i ustanowieniem fermentacji jako głównej ścieżki wytwarzania ATP w obecności wysokich stężeń węglowodanów fermentujących (>0,8 mM)4,5. Efekt Warburga jest metabolicznie analogiczny do efektu Crabtree, z tą różnicą, że w komórkach ssaków głównym produktem fermentacji jest mleczan6. Rzeczywiście, efekt Warburga jest wykazywany przez różne komórki rakowe, wyzwalając wychwyt i konsumpcję glukozy nawet w obecności tlenu7. W związku z tym badanie molekularnych podstaw przejścia od oddychania do fermentacji w efekcie Crabtree ma zarówno reperkusje biotechnologiczne (dla produkcji etanolu), jak i potencjalne skutki dla badań nad rakiem.
Wzrost S. cerevisiae może być odpowiednim narzędziem do badania efektów Crabtree i Warburga. Pomysł ten opiera się na fakcie, że w fazie wykładniczej drożdży centralnymi szlakami wykorzystywanymi do produkcji ATP są oddychanie mitochondrialne i fermentacja, które są niezbędne do utrzymania wzrostu. Na przykład wzrost S. cerevisiae jest ściśle związany z funkcją szlaków generujących ATP. U S. cerevisiae oddychanie mitochondrialne wytwarza około 18 cząsteczek ATP na cząsteczkę glukozy, podczas gdy fermentacja generuje tylko 2 cząsteczki ATP, stąd oczekuje się, że tempo wzrostu ma ścisłe powiązania ze szlakami metabolicznymi wytwarzającymi ATP8. W związku z tym, gdy fermentacja jest główną drogą do wytwarzania ATP, drożdże kompensują niską produkcję ATP poprzez zwiększenie szybkości wychwytu glukozy. Wręcz przeciwnie, zużycie glukozy przez komórki drożdży, które wykorzystują oddychanie mitochondrialne jako główne źródło ATP, jest niskie. Oznacza to, że ważne jest, aby drożdże wyczuły dostępność węglowodanów przed określeniem, w jaki sposób ATP zostanie wygenerowane. Dlatego dostępność glukozy odgrywa ważną rolę w przełączaniu między fermentacją a oddychaniem mitochondrialnym u S. cerevisiae. W obecności dużych ilości glukozy drożdże preferują fermentację jako centralną drogę do wytwarzania ATP. Co ciekawe, gdy drożdże fermentują, właściwe tempo wzrostu utrzymuje się na maksimum. Z drugiej strony, przy niskim poziomie glukozy, S. cerevisiae wytwarza ATP za pomocą oddychania mitochondrialnego, utrzymując niższe tempo wzrostu. W związku z tym zmiany w stężeniu glukozy i wykorzystanie innych źródeł węgla wywołują zmiany w preferencjach drożdży między wzrostem fermentacyjnym a oddechowym. Biorąc pod uwagę ten fakt za pomocą równania wzrostu wykładniczego, można uzyskać biologiczne znaczenie parametrów kinetycznych, takich jak czas podwojenia (Dt) i właściwa szybkość wzrostu (μ). Na przykład niższe wartości μ stwierdzono, gdy drożdże wykorzystują oddychanie mitochondrialne jako główny szlak. Wręcz przeciwnie, w warunkach sprzyjających fermentacji stwierdzono wyższe wartości μ. Metodologia ta może być stosowana do pomiaru prawdopodobnych mechanizmów działania wszelkich substancji chemicznych wpływających na fermentację i oddychanie mitochondrialne u S. cerevisiae.
Celem tego artykułu jest zaproponowanie metody opartej na kinetyce wzrostu do badania wpływu danej substancji/związku na oddychanie lub fermentację mitochondriów.