ژنتیک مخمر: زمینه
مخمر نانوایی و چرخه زندگی آن
کلا مخمرها چه هستند؟
مخمرها قارچ های ساده اند. اصطلاح مخمر بیشتر از طبقه بندی فیلوژنتیک به استیل زندگی ارجاع داده می شود. مخمرها به فاز تک سلولی چرخه های زندگی گروه مختلفی از قارچ ها ارجاع داده می شوند، اما عموما بصورت یک اصطلاح ژنریکی برای قارچ هایی که فقط فاز تک سلولی دارند مورد استفاده قرار می گیرند. ارگانیزم هایی که اغلب تحت عنوان مخمر نامیده می شوند، همانند مخمرهای معمولی مایع تخمیر شونده یا نان و شیرینی، نژادی از گونه ساکارومایسس سرویسه هستند. همانند قارچ ها، آن ها بصورت آسکومایسس طبقه بندی می شوند؛ گروهی که شامل تعدادی از ارگانیزم های ژنتیک عمومی دیگر از قبیل نئوروسپورا و سورداریا هم هستند. به استثنای مواقعی که ما به گونه های دیگر مخمر با نام اشاره می کنیم، ما از اصطلاح مخمر برای ارجاع به ساکارومایسس سرویسه استفاده می کنیم.

مخمرها نیازهای غذایی ساده ای دارند. چون نمی توانند فتوسنتز انجام دهند نیاز به منبع کربن احیا شده ای دارند که بتواند به سادگی ترکیبی همانند استات باشد. به علاوه، آن ها همچنین نیاز به منبع نیتروژن همانند سولفات آمونیم دارند. مخمرها می توانند واریته ای از ترکیبات نیتروژن آلی از قبیل اوره و آمینواسیدهای مختلف را مورد استفاده قرار دهند. تنها ترکیب پیچیده دیگری که آن ها نیاز دارند ویتامین و بیوتین است. البته، آن ها نیاز به واریته ای از نمک ها و عناصر نادر هم دارند.
مشخصه دیگر اغلب مخمرها، از جمله ساکارومایسس سرویسه، این است که آن ها به جای تقسیم دو تایی با جوانه زدن تکثیر می شوند. یک جوانه کوچک از سطح سلول والد بیرون زده و تقریبا تا زمانی که هم اندازه والد شود بزرگ می گردد.

تصویر 1- مرفولوژی نوع سلول مخمر
در حالی که این اتفاق می افتد، کروموزوم های والد مضاعف می شوند. در میتوز، وقتی که هسته تقسیم می شود، یک هسته به جوانه منتقل می شود و آن گاه دو سلول جدا می گردند.
شیزوساکارومایسس پمبه، یک مخمر عمومی دیگر، بطور قابل ملاحظه ای شبیه ساکارومایسس سرویسه است. استثنا این است که اولی بصورت سلول های استوانه ای رشد می کند و بزرگ می شود و با تقسیم دو تایی دو نیم می گردد؛ تقریبا شبیه باکتری ها. تقسیم سلولی آن به قدری راحت مشاهده می شود که این مخمر را دارای قابلیت استفاده در آموزش بیولوژی شناخته اند.
چرخه زندگی مخمر، همانند تمام ارگانیزم های بالاتر، شامل گامی است که میوز نامیده می شود؛ در این جا جفت کروموزوم ها جدا می شوند تا ترکیب جدیدی از مشخصه های ژنتیکی را ایجاد کنند.
آسکومایست ها، همانند مخمر نان و شیرینی، برای پژوهش های ژنتیکی عمومیت دارند، زیرا آسکوسپورهایی که آن ها در هر آسکوس تولید می کنند محصولات میوز هستند. وقتی مخمرها از لحاظ غذایی و تغذیه ای تحت فشار قرار می گیرند، برای مثال در حالتی که منبع کربن یا نیتروژن را از دست می دهند، مخمر دیپلوئید هاگ آوری خواهد نمود. هسته دوگانه وارد میوز می شود، 4 هسته هاپلوئید تولید می کند که در آسکوسپورهای مقاوم در برابر فشار تجمع کرده و در آسکوس دارای کپسول می شوند( تصویر شماره 1 را ببینید)
این بسته بندی محصولات میوتیک 4 تایی آنالیز ژنتیکی که بطور ویژه ای ساده است را ایجاد می کند.
سادگی نگهداری مخمر نان و شیرینی در سلول های هاپلوئید یا دیپلوئید مشخصه دیگری است که آن ها را برای متخصصین ژنتیک جذاب می سازد.
مخمر برای چه چیزی خوب است؟
مردم از مخمر، که بدون شک یکی از رام شده ترین ارگانیزم ها است، برای کنترل غذا و نوشیدنی و به عنوان خمیر مایه نان و شیرینی در طول تاریخ ثبت شده استفاده کرده اند. امروزه آن ها به عنوان واریته ای از فرایندهای تبدیل بیومس و تخمیر تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. فایده آن ها در توانایی آن ها در تبدیل قند و دیگر منابع کربنی به اتانل در فقدان هوا و به دی اکسید کربن و آب در حضور هوا است؛ دو فرایندی که به ترتیب بی هوازی و هوازی نامیده می شوند. اتانل آلترناتیو ارزشمند نفت خام است و به عنوان ماده خام در تولید خیلی از مواد شیمیایی مهم مورد استفاده قرار می گیرد.
مخمر غذای خوبی است. آن مملو از پروتئین است و منبع خوب اختصاصی ویتامین های گروه ب می باشد. این ماده منبع ارزشمندی از مواد مغذی را فراهم می کند که در رژیم های غذایی کم گوشت و گیاهخواری مورد استفاده دارند. جالب این است که در حالی که آشپزخانه های زیادی نیستند که وسوسه شوند عطر خوش مخمر در حال پخت نان و شیرینی را استشمام کنند، مردم زیادی هستند که مزه مخمر خالص فوق العاده بد است.
دیگر انواع مخمر استفاده های ویژه ای دارند. بعضی ها می توانند از هیدروکربن هایی همانند نفت خام به عنوان منبع انرژی استفاده کنند. آن ها می توانند واقعا نفت را به پروتئین تبدیل کنند. آن ها به عنوان مبدل نفت آلاینده محیط زیست مورد استفاده قرار می گیرند و هیدروکربن های درجه پایین را به پروتئین مصرفی حیوانات تبدیل می کنند.
آیا چیز بدی هم در مورد مخمرها هست؟
مخمرها واقعا می توانند میکروب باشند. در واقع، یک مخمر فوق العاده بیماریزای عمومی، کاندیدا آلبیکنس، به وسیله اغلب مردمی که عوامل بیماریزایی را نشان نمی دهند منتقل می گردد. در حالی که در مردم معمولا سالم بی ضرر است، در افراد دارای پاسخ ایمنی ضعیف می تواند عفونی بوده و به پاتوژن جدی تبدیل گردد. این عفونت ها، به ویژه، در انسان به سختی کنترل می شوند، زیرا متابولیسم مخمر شبیه ما است. داروهایی که برای مخمرها سمی هستند، ممکن است برای انسان هم سمی باشند. دیگر مخمر بیماریزای به ویژه آزارنده کریپتوکوکوس نئوفورمنس است که مننژیت تهدید کننده سلامتی ایجاد می کند. این مخمرها به عنوان پاتوژن های فرصت طلب شناخته شده اند، زیرا فقط برای افرادی با پاسخ های ایمنی معیوب همانند دارندگان ایدز تهدیدی جدی محسوب می شوند.
چطور مخمر رشد می کند؟
سلول های مخمری هاپلوئید و دیپلوئید با جوانه زدن تکثیر می شوند( تصویر 2 را ببینید) چرخه تقسیم سلولی با یک سلول واحد جوانه نزده آغاز می شود. این سلول جوانه می زند، جوانه رشد می کند تا تقریبا هم اندازه سلول والد شود، هسته تقسیم می شود، دو سلول به صورت دو سلول بی جوانه جدا می شوند. چرخه سپس برای هر دو سلول تکرار می شود. نتیجه، افزایش تصاعدی تعداد سلول ها در زمان مضاعف معادل با متوسط زمان چرخه تقسیم سلولی است. این امر بر مبنای نژاد، بستر رشد و درجه حرارت فرق می کند، اما می تواند به کوتاهی یکساعت باشد. در این نرخ، یک سلول می تواند در یک روز تبدیل به کلنی به طور وضوح قابل رویت گردد.
رفتارهای رشدی کلنی های مخمرها شبیه باکتری ها است. وقتی که یک بستر رشد تلقیح می شود، سلول ها نیاز پیدا می کنند که قبل از تقسیم شدن یک دوره آماده سازی را از سر بگذرانند. متعاقب این فاز تاخیری که ممکن است چند ساعت به طول انجامد، آن ها به سرعت وارد فاز تصاعدی شده و تعداد و جرمشان در زمان های معادل حد واسط ها مضاعف می شود. بعد از یک دوره رشد با نرخ نسبتا ثابت تصاعدی، بعضی از شرایط زیست محیطی باعث محدودیت رشد می شود، نرخ افزایش کاهش می یابد و رشد در نهایت متوقف می گردد. جمعیت و جرم ثابت می شود. کلنی ثابت می ماند و سلول ها برای چند ساعت زنده می مانند. اگر محیط سرد شود، سول ها حیات خود را برای ماه ها حفظ می کنند. در نهایت، سلول ها می میرند و در درجه حرارت اتاق یا بیشتر شروع به خودخوری می کنند. آنزیم های هاضمه آن ها فعال می شود و واقعا خودشان را هضم می کنند. پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک آن ها کاهش یافته و تبدیل به ترکیبات ساده تری می گردد. آن ها در طی فرآیند تولید بوی گند ویژه نامطبوعی می کنند.
مخمرهای معمولی می توانند بطور هوازی و در حضور اکسیژن یا بطور بی هوازی و در غیاب اکسیژن رشد نمایند. تحت شرایط رشدی هوازی، آن ها می توانند با اکسید کردن منابع کربنی ساده از قبیل اتانل، استات یا گلیسرول به رشد خود ادامه دهند. اگر آن ها اکسیژن کافی داشته باشند، کاملا منابع کربنی را اکسید می کنند. این منابع کربنی معمولا قند هستند که در نهایت به آب و دی اکسید کربن تبدیل می شود. هر چند، تحت شرایط بی هوازی، بدون اکسیژن، مخمرها مواد قندی را فقط به اتانل و دی اکسید کربن تبدیل می کنند و انرژی کمتری بازیافت می کنند. در برخی موارد، رشد، با محدودیت های ایجاد شده توسط مواد مغذی ضروری یا تجمع سم، محدود می گردد.
مخمرها در بستر مایع و سطح مغذی همانند بشقاب شکر یا سطح مجاور شده با انواعی از غذاها هم رشد خوبی دارند. اگر که آن ها باید هوازی بمانند، باید مایع منبع تغذیه شان هم زده شود یا تکان داده گردد. در غیر اینصورت، آن ها در کف ظرف ته نشین می شوند، اکسیژن محلول را مصرف می کنند و بطریقه بی هوازی به زندگی ادامه می دهند. در یک سطح مغذی از ظرف دارای تهویه، آن ها بطور هوازی رشد کرده و از هر سلول یک کلنی قابل رویت دارای تا 100 میلیون سلول در 2 تا 3 روز تشکیل می گردد.

تصویر 2- چرخه تقسیم سلولی ساکارومایسس سرویسه
چرخه زندگی مخمر؛ یک چرخه کاملا جنسی
در ارگانیزم های جنسی، چرخه زندگی( تصویر 3 را ببینید) یک سری جریاناتی را در بر می گیرد که به تناوب در بین فازهای دیپلوئید و هاپلوئید به وقوع می پیوندند. انتقال از فاز دیپلوئید به فاز هاپلوئید در نتیجه تقسیم سلولی ویژه ای به نام میوز شکل می گیرد. در این تقسیم، متعاقب نسخه برداری منفرد از کروموزوم، هسته به دو تا تقسیم می شود. میوز 4 هسته هاپلوئید ایجاد می کند. در طی میوز، کروموزوم های همتای مزدوج در هسته دیپلوئید، قسمت هایی را مبادله کرده و با توزیع به داخل هسته هاپلوئید، ترکیبات جدید از ویژگی های ژنتیکی ایجاد می کنند. در ارگانیزم های بالاتر، سلول زایشی از سلول های تنی جدا می شود. سلول زایشی تولید سلول های تناسلی را می کند که گامت ها را بوجود می آورند. گامت ها سلول هایی هستند که ویژگی ژنتیکی را به تشکیلات جدید منتقل می کنند، در حالی که سلول های تنی باقیمانده ارگانیزم را تشکیل می دهند و نقش مستقیم در وراثت ندارند.

تصویر 3- چرخه زندگی مخمر
انتقال از فاز هاپلوئید به فاز دیپلوئید منتج از جفت گیری( ارتباط جنسی) گامت ها است. این امر منجر به تشکیل زیگوتی می شود که دو هسته هاپلوئید والد به هم جوش می خورند تا تشکیل هسته دیپلوئید را بدهند. در ارگانیزم های بالاتر، گامت ها از سلول زایشی مجزا شده اند. در حیوانات بالاتر، گامت های مختلف توسط افرادی از جنس مخالف تولید می شوند. هر چند، در گیاهان بالاتر، آن ها توسط ساختارهای مختلفی تولید می شوند؛ در یک گیاه یا گیاهان مختلف.
در مخمر، همانند دیگر ارگانیزم های جنسی، چرخه جنسی کامل وجود دارد، ولی خیلی ساده تر از گیاهان بالاتر و حیوانات است. تفکیک پایدار بین سلول زایشی و سلول های تنی اتفاق نمی افتد. در عوض، تحت شرایط مناسب، تفکیک انتقالی اتفاق می افتد تا جریانات ضروری را تسهیل نماید. سادگی چرخه جنسی در مخمر و راحتی اداره و مدیریت و مشاهده جریان ها می تواند فرصتی منحصر به فرد فراهم آورد تا آموزش این فرآیند مبهم و ناشناخته از طریق مشاهدات ساده، مستقیم و ملموس صورت پذیرد.
رابطه جنسی
جفتگیری مخمر که تحت تاثیر ملکول های قابل پخش، فرمون ها، انجام می گیرد می تواند براحتی تشریح شود. وقتی سلول های جفتگیری کننده مخالف در سطح بستر رشد آگار یک ظرف کشت میکروبی میکس می شوند، تغییرات در 2 تا 3 ساعت واضح می شوند. به مجرد اینکه هر سلول فرمونش را داخل بستر ترشح می کند، از سوی نوع مخالف پاسخی بصورت ترشح فرمون دریافت می دارد. هر کدام از آن ها بصورت متمایز شدن به یک شکل ویژه دارای عملکرد، گامت، پاسخ می دهند. سلول ها تقسیم را متوقف کرده و شکلشان را تغییر می دهند( تصویر 1 را ببینید) آن ها کشیده شده و شکل گلابی پیدا می کنند. این سلول های افتراقی به خاطر شباهتشان به افسانه ها و حیوانات دوست داشتنی کمیک استریپ "Li'l Abner"، تحت اصطلاح "shmoos" نامیده می شوند. انواع سلول های مخالف جفتگیری کننده که در تماس یا خیلی نزدیک هم هستند، در سطح اتصال پیدا می کنند و به یکدیگر جوش می خورند تا تشکیل یک شکل ویژه "بادام زمینی" با تنگی مرکزی را بدهند؛ دو shmoos در انتهاهای کوچکشان جوش می خورند. دو هسته هاپلوئید با هر زوج اتصال یافته داخل یک هسته دیپلوئید جوش می خورند و تشکیل یک زیگوت حقیقی را می دهند. دیپلوئید به سرعت در قسمت تنگ جوانه می زند، تشکیل یک شکل مشخص برگ شبدر را می دهد. یک نفر می تواند تمام این مراحل را براحتی زیر میکروسکپ مشاهده نماید.
فرمون های جفتگیری که توسط سلول های هاپلوئید ترشح می شوند ملکول های پپتیدی کوچکی هستند که در آگار پراکنده می شوند. در نتیجه، حضور آن ها و تاثیرات آن ها روی سلول های انواع مخالف جفتگیری کننده براحتی مدلل می گردد. اگر سلول های نوع جفتگیری کننده آلفا در بستر آگار در طول شب رشد کنند، غلظت بالایی از فرمون آلفا در آگار اطراف رشد تجمع می یابد. پس، اگر سلول های نوع جفتگیری کننده الف(a) در این آگار قرار گیرند، در دو ساعت به تبدیل “shmoo” تن می دهند. اثر کاملا جالب است. یک نفر می تواند همین تاثیر را در یک بستر مایع که سلول های نوع جفتگیری کننده آلفا رشد کرده اند، تشریح نماید. در واقع، وقتی مخمرها برای اولین بار مطالعه شدند، بیولوژیست های مخمر از این روش های ساده برای ایزوله کردن و تعیین مشخصات فرمون ها استفاده کردند.
میوز
پس، shmoos ها گامت های مخمر هستند. آن ها فقط وقتی از سلول های هاپلوئید رستنی معمولی جدا می شوند که یک سلول نوع جفتگیری کننده مخالف وجود داشته باشد. به طریقه مشابه، هر سلول دیپلوئیدی می تواند از طریق میوز تشکیل هاپلوئیدی را بدهد که پتانسیل گامت شدن را دارد. میوز بخشی از فرآیند هاگ آوری است که هنگامی که سلول های دیپلوئیدی به بستر نامتعادل تغذیه ای انتقال می یابند، آغاز می شود. با این حال، تغییرات فقط بعد از 3 تا 5 روز و هنگامی که آسکی کاملا مشخص می شود، زیر میکروسکپ واضح می گردند. از لحاظ تئوریکی، تمام آسکی ها باید شامل چهار اسپور باشند، اما در عمل، خیلی ها شامل 2 یا 3 هستند. آسکوس شکل قلمبه دارد، خیلی همانند وسایل داخل یک کیسه لباس. با ترکیب عمل هاگ آوری و فراهم آوردن آنزیم های هضم حاصل از حلزون های باغ می توانیم دیواره آسکوس ها را شکافته و اسپورها را رها نماییم. وقتی که اسپورها، در آسکوس یا بعد از آزاد شدن، به محیط مناسب تغذیه ای بازگشت داده شوند، آن ها جوانه زده و وارد رشد رویشی در فاز هاپلوئید پایدار می شوند. انواع هاپلوئید در دو نوع جفتگیری قرار می گیرند که الفa)) و آلفا نامیده می شوند. در هر آسکوس، دو اسپور معمولا نوع جفتگیری a هستند و دو تای دیگر آلفا می باشند. وقتی یک سلول از یک نوع جفتگیری با یکی از نوع جفتگیری دیگر مواجه می شود، آن ها شروع به یک سری از جریانات می کنند که منجر به ارتباط می گردد. نتیجه، یک سلول دیپلوئیدی است که توسط تقسیم سلولی میتوتیک در فاز دیپلوئیدی پایدار رشد می کند. اگر فقط یکی به محیط کشت سلولی هاگ دار شده منتقل شود، نتیجه جمعیت مرکبی از انواع هاپلوئید و انواع جدید دیپلوئید هستند که با اعقاب حاصل از پیوند بین ارگانیزم های دیپلوئید بالاتر قابل مقایسه هستند.
معمولا، برای جلوگیری از اینکه انواع هاپلوئید جفتگیری کرده و تشکیل تولیدات جدید را بدهند، متخصصین ژنتیک مخمر اسپورها را بصورت رندم یا دستکاری کوچک ایزوله می کنند. این درجه از کنترل و توانایی برای مشاهده ویژگی های ژنتیک در فاز هاپلوئید آنالیزهای ژنتیک را قوی و کارآمد می سازد. آنالیز جمعیت های رندم اسپورها، در حالی که مصرف کننده زمان است، به اندازه کافی برای بچه های دبیرستانی ساده است و ، به ویژه، برای پروژه های شخصی دانشجویان مناسب می باشد.
نکته : در صورت تمایل به اخذ مشاوره تلفنی از قوانین مشاوره کسب اطلاع نمایید.