Saccharomyces Cerevisiae

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Saccharomyces cerevisiae

Alicia Gonzalez y Lourdes Valenzuela

Departamento De Genetica Molecular, Instituto De Fisiologia Celular. Universidad Nacional Autonoma De Mexico. Apartado Postal 70-242. Mexico D.F. C.P. 04510

La levadura Saccharomyces cerevisiae: un modelo de estudio desde hace más de cien años

Levadura es un nombre genérico que agrupa a una variedad de hongos, incluyendo tanto especies patógenas para plantas y animales, como especies no solamente inocuas sino de gran utilidad. De hecho, las levaduras constituyen el grupo de microorganismos mas íntimamente asociado al progreso y bienestar de la humanidad. Algunas especies de levaduras del género Saccharomyces son capaces de llevar a cabo el proceso de fermentación, propiedad que se ha explotado desde hace muchos años en la producción de pan y de bebidas alcohólicas, y que a su vez ha inspirado un sinnúmero de obras de arte que ensalzan al Dios del vino y a aquellos que disfrutan su consumo (Fig. 1). Desde el punto de vista científico, el estudio de las levaduras como modelo biológico ha contribuido de manera muy importante a elucidar los procesos básicos de la fisiología celular.

Dentro del género Saccharomyces, la especie cerevisiae constituye la levadura y el microorganismo eucariote más estudiado (Fig. 2). Este organismo se conoce también como la levadura de panadería, ya que es necesario agregarla a la masa que se utiliza para preparar el pan para que este esponje o levante; de hecho el término levadura proviene del latín levare, que significa levantar.

En 1897, los hermanos Hans y Edward Buchner obtuvieron extractos libres de células moliendo levadura para pan con granos de arena, a los cuales adicionaron grandes cantidades de azúcar de caña para evitar su posible contaminación. Para su sorpresa, encontraron que el azúcar se fermentaba rápidamente: por primera vez se había descubierto un modelo para el estudio de la fermentación alcohólica en un sistema carente de células. Este descubrimiento atrajo la atención de los bioquímicos, que decidieron analizar cada uno de los pasos que conducían a la producción de etanol y bióxido de carbono a partir de la glucosa. Este trabajo implicó el esfuerzo de muchos científicos y dió como resultado el descubrimiento y descripción del metabolismo del carbono; algunas de las vías metabólicas que conocemos actualmente, llevan los nombres de los científicos que participaron en este trabajo, como Embden y Meyerhof. La vía metabólica que permite la utilización de glucosa fue la primera ruta metabólica descrita, y la metodología empleada para lograrlo se utilizó para el estudio posterior de otras vías que constituyen el metabolismo celular.

Así, desde fines del siglo XIX se reconocieron algunas de las ventajas que ofrece el uso de la levadura de pan, Saccharomyces cerevisiae, como modelo biológico en la investigación: por un lado, la facilidad con la que se obtienen grandes cantidades de este microorganismo; y por otro, el hecho de que S. cerevisiae posee un ciclo de vida que al incluir una fase sexual (Fig. 3), permite abordar estudios con las herramientas que provee la genética formal.

Otra característica de esta levadura es el tamaño de su genoma, que por ser pequeño facilitó su secuenciación; y muchas otras virtudes que se han ido haciendo evidentes conforme se han desarrollado nuevos enfoques y métodos de estudio.

El genoma de S. cerevisiae: una aventura fascinante

El genoma nuclear

La levadura S. cerevisiae posee un genoma pequeño, solamente una cuantas veces mayor que el de Escherichia. coli y 200 veces menor que el de células de mamífero (Fig. 4), esto simplifica de manera importante el análisis genético y molecular del mismo. Por ejemplo, una biblioteca genómica de levadura completa puede quedar contenida en unos cuantos miles de plásmidos o fagos, en tanto que para contener una biblioteca completa de células de mamífero se requerirían cerca de un millón de partículas. Este hecho propició que se llevara a cabo una de las aventuras más emocionantes de nuestro tiempo, y el proyecto de mayor magnitud de la biología molecular moderna: la secuenciación completa de un genoma eucariote. La secuencia completa de este genoma se dio a conocer el 24 de abril de 1996 y constituyó el resultado de un enorme esfuerzo en el que participaron más de 600 científicos de 96 laboratorios, en un programa mundial encabezado por André Goffeau. Doce millones de bases fueron secuenciadas en un verdadero esfuerzo internacional, que involucró laboratorios europeos, americanos, canadienses y japoneses. Aún cuando la secuencia completa del genoma de la levadura representa solamente una fracción pequeña de la información que se encuentra actualmente en las bases de datos, ha constituido un recurso de gran valor para el análisis de la función y arquitectura genómica. Así mismo, esta experiencia facilitó y propició el desarrollo de proyectos involucrados en la secuenciación de genomas de una variedad de organismos eucariotes, incluyendo el proyecto del genoma humano (6).

Una levadura haploide contiene 16 cromosomas variando en tamaño de 200 a 2200 Kb, en los cuales como resultado del análisis de la secuencia del genoma, se localizaron un total de 6183 marcos de lectura abiertos (ORF, open reading frame) y se predijo que de éstos, 5800 correspondían a genes que codificaban para proteínas (Fig. 5) (6). A diferencia de los genomas de organismos multicelulares, el genoma de la levadura es muy compacto, dado que el 72% de la secuencia corresponde a secuencias codificantes. El tamaño promedio de los genes de levadura es de 1.45 kb, o 483 codones, y solamente el 3.8% de los ORFs contienen intrones. Aproximadamente el 30% de los genes se han caracterizado experimentalmente; y del 70% restante, cuya función no se conoce, aproximadamente la mitad contiene al menos un motivo de algún tipo de proteínas ya caracterizadas, o corresponden a genes que codifican para proteínas estructuralmente relacionadas con productos génicos ya caracterizados en levadura o en otros organismos (Fig. 6) (20). El ARN ribosomal se encuentra codificado por 120 copias repetidas y arregladas en tandem en el cromosoma, en tanto que existen 262 genes que codifican para ARNs de transferencia, 80 de los cuales poseen intrones. Los cromosomas contienen elementos movibles, retrotransposones, que varían en número y posición en las diferentes cepas de S. cerevisiae, aún cuando la mayoría de las cepas de laboratorio poseen aproximadamente 30 elementos (6).

El genoma no-nuclear

El ADN mitocondrial también puede considerarse parte del genoma de la levadura. Este ADN codifica para los componentes de la

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