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BeerSci: Was Biers Schlüsselzutat über unser eigenes Genom verrät

2021

Der beste Freund des Brauers

Hochdruckgefrorenes, gefriergefertigtes Rasterelektronenmikroskop von Saccharomyces cerevisiae.

Lernen Sie Saccharomyces cerevisiae kennen, die Hefe des bescheidenen Brauers und Mitbegründer der Brauerei von BeerSci.

Der Mensch nutzt seit Tausenden von Jahren die Fähigkeit von S. cerevisiae zur Fermentation. Ohne das hätten wir kein Bier, Brot oder Wein. Neben seiner Verwendung in der Lebensmittelproduktion ist S. cerevisiae auch ein hervorragendes Werkzeug für die Molekular- und Zellbiologie, das Wissenschaftlern hilft, die Regeln für die Funktionsweise unserer Zellen zu klären und Hinweise darauf zu erhalten, was auf molekularer Ebene geschieht, wenn etwas passiert falsch.

Vieles, was wir über eukaryotische Zellprozesse und eukaryotische Genexpression verstehen, haben wir durch das Studium von S. cerevisiae gelernt.

Das liegt daran, dass S. cerevisiae eine der einfachsten eurkaryotischen Zellen ist - Zellen wie die, aus denen Ihr Hund, Ihre Zimmerpflanzen oder Ihr örtlicher Barkeeper besteht. Tatsächlich war S. cerevisiae 1996 der erste Eukaryont, dessen Genom sequenziert wurde. Laut der Saccharomyces-Genomdatenbank hat das Genom von S. cerevisiae ungefähr 12.100.000 Basenpaare und ungefähr 6.600 offene Leserahmen (dh Stellen im Genom, die möglicherweise ein Gen enthalten könnten).

Ich bin sicher, die meisten von Ihnen erinnern sich daran, dass es zwei allgemeine Arten von Zellen gibt: prokaryotische und eukaryotische. Das ist kein Kern "und" hat einen Kern ". Das ist alles wahr, aber die Unterschiede zwischen den beiden Arten von Zellen sind viel tiefer als das. Bakterien - Prokaryoten - organisieren ihr genetisches Material in einer völlig anderen (und viel einfacheren) Weise Prokaryoten haben normalerweise nur einen Teil der DNA für ein Genom - normalerweise kreisförmig - und ein paar zusätzliche Stücke, die als Plasmide bezeichnet werden und im Zytosol herumlaufen. Diese Plasmide sind wirklich nützlich, um Dinge wie das Teilen von Genen zwischen zu tun Bakterien, und wie ein antibiotikaresistenter Bakterienstamm Antibiotikaresistenzen an eine Reihe nahezu nicht verwandter Bakterienstämme in Ihrem Darm weitergeben kann. Die Gene in Bakterien werden im Allgemeinen genau so gelesen, wie sie in der DNA gefunden werden. Ein bisschen wie beim Lesen dieses Satzes. Keine dazwischenliegenden Buchstabenklumpen, die die Dinge durcheinander bringen.

Auf der anderen Seite bündeln Eukaryoten all diese DNA (und sie haben viel davon) in einem Protein-DNA-Komplex namens Chromatin und wickeln dieses Chromatin dann in einzelne Chromosomen. Ferner sind die Gene so konstruiert, dass sie stark verarbeitet werden müssen, bevor sie jemals für ein funktionelles Protein "codieren" können. Vieles, was wir über eukaryotische zelluläre Prozesse und die eukaryotische Genexpression verstehen, haben wir durch das Studium der molekularen Mechanik von S. cerevisiae gelernt.

Warum mache ich das alles? / Weil ich bei der Erforschung des S. cerevisiae- Genoms herausgefunden habe, welche Genloci oder andere Faktoren beispielsweise für die esterproduzierenden Eigenschaften der britischen Bierhefe oder die Hitzeverträglichkeits- und Abschwächungsprofile von Saisonhefen verantwortlich sind fand etwas so cool, dass ich darüber schreiben wollte. Ich fand einen Artikel aus der Nature- Ausgabe vom 20. Mai 2010, in dem beschrieben wurde, wie Biologen und Informatiker an der University of Washington herausgefunden haben, wie Chromosomen in einer normalen Hefezelle angeordnet sind und wie diese Organisation die Genexpression beeinflussen könnte. Letztendlich könnte dies Auswirkungen darauf haben, wie wir die menschliche Genexpression verstehen.

Ein bisschen Hintergrund: Eine der überraschendsten Erkenntnisse des letzten Jahrzehnts ist, dass es nicht nur auf die Gene ankommt, die das physikalische und chemische Make-up eines Organismus beeinflussen, sondern auch darauf, wie diese Gene in Chromatin verpackt sind. Für ein Gebiet, das seit über einem Jahrhundert davon ausgeht, dass Gene König sind, ist das ein verrücktes Ergebnis und einer meiner Favoriten in jüngster Zeit.

Es zeigt sich aber auch, dass nicht nur die Genverpackung eine Rolle spielt, sondern auch die Platzierung der Chromosomen im Zellkern. Stellen Sie sich das so vor: Wenn Sie über einen Xerox-Computer verfügen und über eine gewisse Zeit verfügen, könnten Sie Dokumente, die Ihnen am nächsten liegen, mit Xerox löschen, anstatt diesen Computer über das Büro zu ziehen, um etwas zu kopieren, das sich in weiter Ferne befindet. Das ist es, was die Organisation der Chromosomen tut - es spielt keine Rolle, ob zwei Gene auf einem linearen Strang des "Genoms" etwas nahe beieinander liegen, wenn sie sich auf halbem Weg über den Kern befinden. Stattdessen ist es auch wichtig, dass Bereiche auf zwei völlig unterschiedlichen Chromosomen nebeneinander kuschelig werden - Sie erhalten viele Kopien des Genprodukts aus Chromosomenregionen, die nebeneinander liegen. In der vorliegenden Arbeit wurde detailliert beschrieben, wie die Forscher alle räumlich benachbarten Chromosomenorte mithilfe einer relativ neuen Methode untersuchen konnten, um DNA-Bibliotheken dieser Wechselwirkungen zu erstellen. Anschließend wurde die Wechselwirkung der 16 Chromosomen im S. cerevisiae- Kern kartiert und modelliert gegenseitig.

Ich sprach mit einem der Autoren des Papiers, William Noble, über die Methode und die Ergebnisse. Eines der überraschenderen (und anfangs besorgniserregenderen) Ergebnisse der Arbeit war, wie sich Chromosom XII von den anderen Chromosomen unterscheidet. Die Daten zeigten, dass XII im Gegensatz zu den anderen einen riesigen Schwad hatte, der mit kaum etwas anderem interagierte. Noble sagte, dass er und sein Kollege, der die Analyse durchgeführt hatte, besorgt waren, dass die Daten ein Artefakt enthielten, das Chromosom XII anders aussehen ließ, wenn es nicht so war. Weitere Untersuchungen ergaben jedoch die Antwort: Im Gegensatz zu allen anderen Chromosomen befindet sich XII teilweise in einer großen Struktur namens Nucleolus, in der ribosomale RNA hergestellt wird. Der Nucleolus wirkt wie eine Barriere, so dass die Arme des Chromosoms sich nicht annähern können - ähnlich wie es schwierig ist, einen Sumoringer ohne ausziehbare Arme des Inspector Gadget zu umarmen.

Die Forscher entdeckten auch, dass die meisten Wechselwirkungen zwischen Chromosomen an Stellen neben den Zentromeren auftraten. Und, vielleicht nicht überraschend, neigten die Stellen, von denen bekannt ist, dass sie für tRNA codieren, unabhängig davon, wo sie auf einem Chromosom gefunden wurden, dazu, sich zu Clustern zu verbinden, und dieser eine solche Cluster befand sich im Nucleolus. Es ist sinnvoll, dass sich tRNA-Gene in einem Bereich ansammeln, in dem aktive Translation und Proteinsynthese stattfinden.

Nachdem wir uns über die Ergebnisse der Veröffentlichung unterhalten hatten, sprachen Noble und ich über die möglichen Auswirkungen. Andere Studien haben darauf hingewiesen (und dies bestätigt sie), dass die nukleare Ordnung - wie sich Chromosomen im Kern organisieren - tatsächlich einen Einfluss darauf hat, wie Gene im Alltag eines Organismus exprimiert werden. Die Geschichte hinter "Bist du ein Produkt deiner Gene?" Wird von Monat zu Monat düsterer. Ähnliche Studien wurden für andere Genome, einschließlich des Menschen, durchgeführt, aber da diese Genome groß und komplex sind, ist es nicht möglich, die gleiche Auflösung zu erhalten, die die Gruppe der Universität von Washington mit angehender Hefe erhalten hat.

halbe Vorlage

Nukleare Verpackung

Zwei Ansichten der räumlichen Organisation der Chromosomen in S. cerevisiae. Beachten Sie, wie dieser grüne Fleck zu einer Seite herausragt. Das ist der Teil von Chromosom XII im Nucleolus. Die beiden davon abstehenden Arme sind die Bereiche mit geringer Wechselwirkung, die im Circos-Diagramm dargestellt sind.

Nichts davon hat etwas mit Brauen zu tun, ich weiß. Aber genau wie das Herunterfallen des Wiki-Lochs manchmal zu interessanten Entdeckungen führt, führt das Durchstöbern von Dutzenden von wissenschaftlichen Artikeln über das Hefegenom zu einigen anderen interessanten Entdeckungen.

Um dies wieder zum Brauen zu bringen, hier ein Rezept, das einem Bier ähnelt, das ungefähr zur gleichen Zeit gebraut wurde, als europäische Wissenschaftler Gregor Mendels Arbeit über "diskrete Erbeinheiten" wiederentdeckten. Wir haben es nach dem Vorbild des Pretty Things Ale-Projekts vom 15. November 1901 entworfen, das auf einem Rezept für ein Bier basiert, das an seinem Namenstag in London gebraut wurde. Es ist ein Teilmischrezept, da Team BeerSci nicht über die Ausrüstung verfügt, um eine Zielschwerkraft von 1, 079 in einer 5-Gallonen-Vollkorncharge zu erreichen.

ZUTATEN
4 Pfund Maris Otter
1 Pfund braunes Malz
10 oz Kristall 120
6 oz Kristall 80
1 Unze Schokoladenmalz
4 Pfund extra leichtes DME
2 Pfund invertieren keine. 3

Fügen Sie 2, 5 Pfund DME bei Flameout hinzu, um die Schwerkraft gering zu halten und die Hopfenauslastung zu erhöhen.
1, 5 Unzen East Kent Golding und 0, 15 Unzen Centennial - 90 Minuten
1, 5 Unzen East Kent Golding und 0, 5 Unzen Bramling Cross - 60 Minuten
1, 5 Unzen East Kent Golding und 1, 5 Unzen Bramling Cross - 30 Minuten
Wyeast London III

ANLEITUNG
Rack nach 2 Wochen und im Sekundär mit 1 Unze trocken hüpfen. von EKG und Bramling Cross pro Stück.

Das Bier war leichter als das Bier vom 15. November 1901, das als Inspiration für dieses Bier diente (eher schokoladenbraun als dunkelbraun), aber es war immer noch ein schönes Winterbier mit 8, 1% ABV.

Nächste Woche: Gerstengenom entschlüsselt!
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