Un microorganismo estrella: Saccharomyces cerevisiae

De las aplicaciones industriales alimenticias a la investigación científica

Autora: Carolina Cárdenas Figueroa (anacarfi7593@gmail.com)

Editores: Washington Romero, Felipe Peralta y David Cuaspud.

Existen microorganismos que revolucionan la vida de los humanos, tanto por su utilidad en la vida cotidiana como en los laboratorios de investigación científica. Saccharomyces cerevisiae es una levadura que ha sido esencial para la historia de la humanidad al participar en la fermentación de muchas bebidas y alimentos para su posterior consumo y comercialización (Parapouli et al., 2020) . No es coincidencia que su nombre denote lo antes mencionado puesto que Saccharomyces significa hongo del azúcar y cerevisiae viene de las palabras “kerevigia” (en gaélico) y “cervoise” (en francés) que significan cerveza (Mortimer, 2000). Sin embargo, su aporte no solo se reduce a la producción de cerveza, como ahora describiremos, sino que está presente en la elaboración de varios alimentos y bebidas. Su rol protagónico no termina en ese campo, puesto que, debido a la facilidad de manipulación que ha tenido por parte de los seres humanos, los científicos no tardaron en interesarse en ella. Es así que S. Cerevisiae se estableció como uno de los modelos de estudio más importantes en laboratorio. A continuación, describimos los escenarios en los que ha participado esta estrella de la fermentación.

Usos industriales de S. Cerevisiae

Una vez que los humanos nos dimos cuenta de sus propiedades en la industria alimenticia no hemos parado de aprovecharla y poco a poco fuimos descubriendo su participación dentro de la producción de una gran gama de alimentos y bebidas.

¿Qué la hace tan atractiva en la industria? Esto se resume a que posee algunas características que le concedieron el lugar de preferencia en este campo, entre ellas están: su método descrito como: “hacer, acumular y consumir”. Esto consiste en que S. cerevisiae utiliza los recursos del medio para producir alcohol etílico, el cual resulta tóxico para la mayoría de los microorganismos que pudiesen representar competencia en el uso de los nutrientes. Una vez eliminado el nicho ecológico competidor, comienza a consumir el alcohol antes producido, promoviendo así su propio crecimiento. Las otras dos características que la posicionan como una estrella dentro de la industria son: su capacidad de tolerar altas concentraciones de azúcar y de producir compuestos aromáticos y volátiles, esto último especialmente apreciable en la producción de vinos (Parapouli et al., 2020).

De esta forma, esta levadura está involucrada en la producción de bebidas fermentadas como cerveza, vino (figura 1) y cidra; y de bebidas destiladas como ron, vodka, whisky, brandy y sake. Entre otras bebidas alrededor del mundo que parten de la miel, el té y las frutas (Parapouli et al., 2020).

Figura 1. Elaboración de vinos utilizando Sacharomyces cerevisiae. Tomado de https://www.entreprobioticos.com/saccharomyces-cerevisiae/

S. Cerevisiae también participa en el proceso bioquímico más antiguo llevado a cabo por el hombre: la producción de pan (figura 2) (Mortimer, 2000). Existen datos de los primeros vestigios de la elaboración de pan leudado: en Egipto 2000 A.C y en China 1000 A.C. Sin embargo, se comenzó a utilizar a S. Cerevisiae como cultivo inicial a partir del siglo XX, partiendo de los restos de la producción de cerveza (Parapouli et al., 2020).

Figura 2. Leudado de masa producida por la incorporación de S. cerevisiae. El crecimiento de la masa viene dado por la producción del gas dióxido de carbono (CO2) en la fermentación llevada a cabo por esta levadura. Tomado de https://breadcakesandale.com/tag/saccharomyces-cerevisiae/

Además, esta levadura es también utilizada en la elaboración del chocolate, específicamente en la producción de uno que tenga propiedades organolépticas adecuadas. Los granos de cacao (Theobroma cacao) no son comestibles y poseen un sabor amargo y astringente, mientras que su olor no es el característico del chocolate. De esta manera, se somete a los granos de cacao a una fermentación para obtener las propiedades deseadas, reduciendo la cantidad de polifenoles y alcaloides. En este caso, la levadura actuará en conjunto con bacterias tanto ácido lácticas como acetobacterias (figura 3) (Parapouli et al., 2020).

Figura 3. Proceso de fermentación del cacao para obtener propiedades organolépticas adecuadas para la elaboración de chocolate. En esta actúa S. cerevisiae junto a otros microorganismos. Tomado de Carvalho, 2016

Estos son solo algunos ejemplos en los que está presente este microorganismo, cuya fermentación puede darse a partir de la flora de la materia prima o al añadir un cultivo puro de levadura (Parapouli et al., 2020). En términos generales, durante la fermentación las células de la levadura transforman los azúcares presentes en el medio y los convierten en dióxido de carbono (C02) y etanol.

Más allá de la industria: S. cerevisiae un modelo de laboratorio

Las aplicaciones de este versátil microorganismo no se limitan a la producción industrial, puesto que en el siglo pasado S. cerevisiae se convirtió en el modelo experimental por excelencia para estudiar los procesos básicos de las células eucariotas (que posee núcleo en sus células)(Duina et al., 2014). Como todo organismo eucariota esta levadura posee membrana y organelos, incluidos núcleo y mitocondria. S. cerevisiae tiene un ADN genómico de 12068 kilobases organizado en 16 cromosomas y que contiene aproximadamente 6000 genes. La reproducción de este organismo es bastante rápida, puede dividirse una vez cada 90 minutos mediante un proceso denominado gemación (reproducción asexual) en el cual las células hijas provienen de una porción de la célula madre a partir de un “pellizco o brote” (figura 4). Sin embargo, S. cerevisiae también experimenta una reproducción sexual bajo condiciones de estrés con el fin de proporcionar variabilidad genética en su población (Duina et al., 2014). Es así que, su rápido crecimiento y facilidad de mantenimiento dentro de un laboratorio la convirtieron en un excelente organismo modelo, además, al ser eucariota ha dado la idea del funcionamiento biológico de este tipo de organismos, incluidos los humanos (Duina et al., 2014;Mortimer, 2000).

Figura 4. Reproducción de la levadura vista bajo diferentes estrategias microscópicas. Tomado de (Duina et al., 2014).

Al ser tan utilizada en la industria y poseer características peculiares, los científicos comenzaron a interesarse en este tan versátil microorganismo. A finales del siglo XIX, el Laboratorio Carlsberg introdujo a la industria cervecera en la ciencia, llevando a Emil Christian Hansen al descubrimiento de la purificación de la levadura a partir de cultivos iniciadores mixtos (Liti, 2015 ; Parapouli et al., 2020). Por otra parte, Luis Pasteur en 1857 describió el rol esencial de S. Cerevisiae en la fermentación alcohólica. Posteriormente Ojvind Winge cruzó diferentes cepas de esta levadura para obtener mejores características en la cerveza (Liti, 2015).

Es así que, la habilidad de los humanos de manipular sus ciclos de vida llevó a convertirla en el organismo unicelular eucariota más utilizado en la investigación. La cepa S288c, obtenida a partir de varios cruzamientos parentales fue el primer organismo eucariota al que se secuenció su genoma completo, es decir, se conoció toda su constitución genética(Liti, 2015). En 1978 se logra introducir dentro de la levadura un plásmido o un vehículo que lleva secuencias genéticas provenientes de la bacteria Escherichia coli, resultando un éxito la investigación conocida como la “transformación de la levadura”(Duina et al., 2014).

Desde entonces los investigadores se dieron cuenta de la facilidad de aislar y manipular los genes de este microorganismo para poder estudiar los fenotipos, que son características de interés del organismo y asociarlas a un gen determinado. Al conocer la genética, la bioquímica y la citología de esta levadura mediante un sin número de importantes investigaciones nos hemos aproximado a la comprensión del funcionamiento de otros organismos vivos. Por ejemplo, Lee Hartwell ganó el premio Nobel en 2001 gracias a que logró entender los fundamentos de la división celular en eucariotas, incluidos los humanos. Por otra parte, Randy Schekman aportó con su descubrimiento acerca del tráfico de vesículas eucariotas, siendo la base de la aplicación en la industria farmacéutica para la producción de medicamentos como la insulina y posteriormente abarcando campos tan importantes como la virología y la neurobiología. Más adelante, Roger Kornberg ganó el premio nobel en 2006 gracias al estudio en S. cerevisiae y su descubrimiento de la estructura de elementos críticos de uno de los procesos celulares involucrados en el paso de ADN a proteínas: la transcripción. Por su parte Arthur Horwich en 2011 estableció el funcionamiento de proteínas denominadas chaperonas que ayudan a otro evento importante dentro de las células: el plegamiento de las proteínas. Esta levadura también ha contribuido en los estudios de los telómeros (estructuras de los extremos de los cromosomas) y relacionado a esto, también al envejecimiento celular. Toda esta información se la puede leer resumida en la figura 5.

Figura 5. Resumen de las investigaciones más importantes realizadas en Sacharomyces cerevisiae como organismo modelo, llevando a sus autores a obtener importantes reconocimientos como premios Albert Lasker y Premios Nobel. Tomado de (Duina et al., 2014).

Este escrito resume solo algunos ejemplos de la participación de Sacharomyces cerevisiae en la industria y en la investigación científica. Actualmente, se la continúa utilizando y ha incursionado en otros campos tan importantes como la industria farmacéutica. Indudablemente, este maravilloso microorganismo nos ha permitido innovar en las actividades de nuestra vida cotidiana como por ejemplo, la alimentación, en avances cruciales del entendimiento de organismos más complejos: los eucariotas.

Referencias:

Bread, cakes and Ale (2014). Our friend yeast. Recuperado de https://breadcakesandale.com/tag/saccharomyces-cerevisiae/

Carvalho, A. (2016). Yeasts and chocolate, the new “BFFs”. Recuperado de https://yeastcell.eu/2016/02/16/yeasts-and-chocolate-the-new-bffs/

Duina, A. A., Miller, M. E., & Keeney, J. B. (2014). Budding yeast for budding geneticists: A primer on the Saccharomyces cerevisiae model system. Genetics, 197(1), 33–48. https://doi.org/10.1534/genetics.114.163188

Liti, G. (2015). The fascinating and secret wild life of the budding yeast S. cerevisiae. In eLife (Vol. 4). https://doi.org/10.7554/eLife.05835

Mortimer, R. K. (2000). Evolution and variation of the yeast (Saccharomyces) genome. In Genome Research (Vol. 10, Issue 4, pp. 403–409). Cold Spring Harbor Laboratory Press. https://doi.org/10.1101/gr.10.4.403

Parapouli, M., Vasileiadis, A., Afendra, A. S., & Hatziloukas, E. (2020). Saccharomyces cerevisiae and its industrial applications. In AIMS Microbiology (Vol. 6, Issue 1, pp. 1–31). AIMS Press. https://doi.org/10.3934/microbiol.2020001

Entre probióticos. SACCHAROMYCES CEREVISIAE: CARACTERÍSTICAS, MORFOLOGÍA PARA VINO Y PAN, Recuperado de https://www.entreprobioticos.com/saccharomyces-cerevisiae/