Metabolikus különbségek a háziasított és vad élesztők között
Title in English
Global view of metabolome changes between domesticated and wild yeasts
Keywords in Hungarian
metabolomika; élesztő; evolúció
Keywords in English
metabolomics; yeast; evolution;
Discipline
Metabolomics (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
Evolutionary ecology and genetics, coevolution (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Szappanos, Balázs
Starting date
2018-09-01
Closing date
2022-05-31
Funding (in million HUF)
15.807
FTE (full time equivalent)
3.30
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Metabolikus különbségek a háziasított és vad élesztők között Az élesztőgenom evolúcióját az emberi tevékenység nagyban befolyásolta. Néhány háziasítással kapcsolatba hozható mutációnak ismert az anyagcserére és stressz rezisztenciára gyakorolt hatása. Ilyen például a mal gének duplikációja a sörfőzésre használt élesztők esetében, amely képessé tette az élesztőt a maltóz felhasználásra, és az ssu1 gén kópiaszám változása, ami a borélesztők megnövekedett szulfit-rezisztenciájáért felel. Ezen példák ellenére sem ismert, hogy hogyan változott az élesztők anyagcseréje hálózati szinten a háziasítás során, és a metabolitszint változások hogyan kapcsolódnak a stresszrezisztenciához. Az adaptív evolúció szerepét eddig még nem vizsgálták az élesztő anyagcsere evolúciójában. Munkánk során metabolomikai módszerekkel meghatározzuk a metabolit szinteket háziasított és vad élesztőkből egyaránt. Ezzel ez egyedi adatsorral, megvizsgáljuk: i; A háziasított élesztők vadélesztőkhöz viszonyított felgyorsult anyagcsere evolúcióját, hogy bizonyítsuk a háziasítás szerepét a metabolom evolúcióban. ii; Meg fogjuk keresni a háziasítás során megváltozott anyagcsere útvonalakat, hogy feltérképezzük, hogyan változott az élesztő anyagcserehálózata a háziasítás során. iii; Felderítjük a háziasítással kapcsolatba hozható metabolitszint változások szerepét a stressz rezisztenciában. Metabolomikai és filogenetikai és fenotipizáló módszerek kombinálásával betekintést nyerünk az anyagcsere-hálózatok evolúciójába, és szerepükbe a háziasítás során. Továbbá, munkánk hozzásegíthet minket olyan módszerek kifejlesztéséhez, melyek segítségével fejleszteni tudjuk az élesztő anyagcserekapcsolt tulajdonságait.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kérdéseink az élesztő háziasításhoz kapcsolódó metabolitszint és anyagcsere változásokra fokuszálnak
A munkatervem 4 fő kérdést jár körül:
1) Megvizsgáljuk, van-e a vad élesztőkhöz viszonyított felgyorsult anyagcsere evolúció a háziasított élesztők esetében. 2) Megvizsgáljuk, mely metabolitok szintje mutat szoros összefüggést a háziasított életmóddal. 3) Azonosítjuk, mely metabolikus útvonalak, változtak meg a háziasítás során. Megvizsgáljuk, hogy az íz- és illatanyagok termelésével kapcsolatban álló útvonalak gyakrabban változtak-e meg, mint az anyagcsere-hálózat többi része. 4) Feltérképezzük a metabolitszint változások szerepét a háziasított életmódhoz kapcsolódó stresszekkel szembeni rezisztenciában.
Azzal, hogy megvizsgáljuk a fenti kérdéseket, egy részletes áttekintést kapunk arról, hogy milyen háziasításhoz kapcsolható anyagcsere változások mentek végbe az élesztőben, és azoknak mi a szerepük.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! 1) Azon keresztül, hogy azonosítjuk mely anyagcsere alrendszerek módosultak a háziasítás során, megértjük azt, hogy hogyan változott a teljes anyagcsere hálózat ember céljai által meghatározott környezethez történő alkalmazkodás során. 2) Ez a munka lesz az első, amely átfogóan feltárja az élesztőpopulációk közti metabolitszintek változatossága és a stresszrezisztencia-különbségek közötti kapcsolatot élesztőben. 3) Ha konvergens metabolikus változásokat találunk a különböző háziasított élesztőpopulációk között, az az első bizonyíték lesz a metabolitszintek adaptív evolúciójára élesztőben.
Munkánk új stratégiai megközelítést alapozhat meg, amelynek segítségével módosítani lehet az élesztő stresszrezisztenciáját (több stresszorral szemben párhuzamosan) a metabolitszintek módosításán keresztül.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Hogyan változott meg az élesztő anyagcseréje a háziasítás során?
Az újkőkor vége óta az élesztőt több független alkalommal háziasították bor, sör, és szaké készítésre. Az alkohol termelés során az élesztőnek több féle stresszel kell megbirkóznia, tehát az iparilag ideális élesztő ellenálló több stressz komponenssel szemben is. Néhány kismolekula (metabolitok) sejten belüli mennyisége rezisztenciát tud biztosítani bizonyos stresszekkel szemben. A stresszrezisztencia biotechnológiai fontossága ellenére, még nem vizsgálta meg senki szisztematikusan, hogy mely metabolit mely stresszel szemben biztosít ellenállóképességet. Annak tisztázására, hogy miként alakultak ki a manapság használatos ellenálló élesztők, meg kell tudnunk hogyan változtak a metabolitszintek a háziasítás során. Munkánk alapján új módszert tudunk majd javasolni az élesztő ellenálló képességének növelésére, a metabolitszintek változtatásán keresztül. Néhány, az alkoholos italokban található íz- és illatanyagot, az élesztőkben lévő kémiai reakciók sorozata (anyagcsere útvonalak) termelik. Ezen reakciók alapanyagai és köztitermékei a metabolitok. Egyes metabolitok szintjének emelkedése azt jelzi, hogy az adott anyagcsere útvonal aktivitása nőtt. Növekedett aktivitású útvonal javíthatja például a bor ízét. Metabolitok sejten belüli mennyiségét fogjuk megmérni élesztőkből, modern eljárásokat használva, hogy megtudjuk miként változtak az anyagcsere útvonalak és aktivitásuk az élesztő háziasítása során. Különösen az íz- és illatanyag termelő útvonalakra fogunk fókuszálni. Ez a munka segíthet abban, hogy olyan élesztőket hozzunk létre, amelyeken használatával jobb minőségű alkoholos italok állíthatók elő.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Global view of metabolome changes between domesticated and wild yeasts
According to recent works, human activity largely influenced the phenotype and genotype evolution of yeast. Thus, some domestication associated genomic changes have specific consequences on stress tolerance and metabolism. Indeed, duplications of the mal gene induced the appearance of maltotriose utilization, and translocation of SSU1 increased the sulfite resistance. However we lack a global view on how cellular metabolism has been shaped by domestication, and how metabolic alterations are linked to stress tolerance. The role of adaptive evolution in yeast’s metabolic changes hasn’t been examined yet. To address the gap in our knowledge, we will measure the metabolite levels of wild and domesticated yeast strains using various metabolomics approaches. With this unique dataset, we’ll investigate several open questions: i; Accelerated metabolome evolution in domesticated yeast populations will be examined to find the effect of domestication in metabolome evolution. ii; We will find domestication associated metabolic pathway alterations to unravel, how yeast metabolism adapted to domesticated conditions at system level. iii; The causal role and prevalence of domestication associated metabolite level changes in stress resistance of yeasts will be investigated systematically. By integrating metabolomic, phylogenetic and phenomic tools, we will provide new insights into the evolution of metabolic networks and its role in yeast domestication. Moreover, finding causal linkage between metabolite levels and stress resistance, help us to suggest new approaches to improve stress resistance of yeast.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Hypotheses, key questions, aims of the project
Our questions focus on those metabolite level changes, which are related to yeast domestication.
My proposal has 4 major aims:
1) We will test the accelerated metabolic evolution in domesticated yeast populations compared to wild yeast populations 2) We will examine what fraction of the metabolite level differences between yeast populations shows a strong association with domesticated lifestyle. 3) We will identify the metabolic pathways altered during domestication. We expect an overrepresentation of pathways associated with flavor / odor compound production. 4) We will explore the linkage between metabolite level changes and resistance against domestication-associated stress conditions.
By answering the above questions, we are going to get an overview of the yeast’s domestication-associated metabolic changes and their phenotypic role.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. 1) Identifying which metabolic subsystems altered during domestication will help us understand how the metabolic network changed to adapt to man-made conditions. 2) This work will be the very first study exploring the metabolite level diversity of yeasts in connection with stress resistance. 3) Finding convergent changes of metabolite levels will be the first evidence, which supports the adaptive evolution of metabolite levels in yeast. 4) Our work suggests new strategies to modify stress resistance with biotechnological relevance: It might be possible to improve the stress resistance of yeast against multiple stressor compounds in parallel via manipulation of metabolite levels.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. How yeast metabolism changed during domestication?
Since Neolithic ages, yeast has been domesticated multiple times for wine making, beer and sake brewing. During growth and alcohol production yeasts have to cope with stress conditions, therefore ideal yeast shows resistance against multiple stressors. It is known that higher level of specific small molecules (metabolites) inside the cells provides resistance against specific stress conditions. Despite the biotechnological importance of stress resistance, it has never been systematically explored which metabolites provide resistance against which stress conditions. To understand how stress resistant yeasts emerged, we have to clarify how the metabolite levels have been changed during domestication. Based on our findings a new approach might be suggested to improve stress resistance of yeast through the manipulation of metabolite levels. Some of flavor and odor compounds of alcoholic beverages are produced by chains of chemical reactions (called metabolic pathways) inside the yeast cell. The source and intermediate materials of these chemical reaction series are the metabolites. The increasing level of specific metabolites indicates the increased activity of the given metabolic pathway. Increased metabolic pathway activities can contribute to improving eg; the fragrance of wine. To draw a picture of metabolic pathway changes during domestication, we will use novel tool to measure and analyze the levels of metabolites. We are especially interested in how odor and flavor production metabolic pathways have been changed. These information could help us to improve the taste of alcoholic beverages.
Final report
Results in Hungarian
Munkánk során megvizsgáltuk a háziasítás szerepét a pékélesztő metabolitszint evolúciójában.
Azt találtuk, hogy az élesztő metabolom evolúciója 2 felgyorsulást mutat. Egyrészt a S. cerevisiae-t jellemzi felgyorsult metabolom evolúció a Saccharomyces fajok közti evolúció sebességéhez képest, másrészt a háziasítás tovább gyorsította a pékélesztő metabolom evolúcióját. Átfogó, nem célzott méréseink pedig alátámasztják, hogy ez a felgyorsult evolúció a teljes anyagcsere hálózatra igaz.
A vad S. cerevisiae törzsekre jellemző felgyorsulás, nem társult az evolúció módjának megváltozásával (első sorban neutrálisnak tűnik), és leginkább a rövid evolúciós időtávon felhalmozódó / ki nem szelektálódó káros mutációk következménye. Ezzel szemben a háziasítás nem csak felgyorsította, hanem meg is változtatta a metabolom evolúció módját. Filogenetikai komparatív módszerekkel találtunk 5 olyan aminosavat melyeknek szintje különböző a háziasított és vad élesztőkben. Ez az adaptív evolúció metabolit szintekre gyakorolt hatását támasztja alá.
Kísérletet tettünk a háziasítás kapcsolt aminosav szintek szerepének feltárására, az aminosav szintek és az élesztő stressz rezisztencia közti korrelációk keresésével. Számos ilyen korrelációt találtunk, de ezek közül egyik sem bizonyult új mechanisztikus közvetlen kapcsolatnak.
Multiomikai vizsgálataink azt mutatják, hogy a háziasított S. cerevisiae populációk közti metabolom divergenciát leginkább az genetikai távolság magyarázza.
Results in English
In our research we have explored the importance of domestication in metabolome evolution of S. cerevisiae.
We have found two accelerations in the metabolome evolution of Saccharomyces species. S. cerevisiae is showing an accelerated metabolome evolution compared to the between species metabolome diversification in Saccharomyces ssp., and domesticated S. cerevisiae lineages are also showing an acceleration compared to wild S. cerevisiae lineages.
The acceleration of metabolome evolution in wild S. cerevisiae lineages did not coupled with the change in mode of evolution, rather it seems to be the result of deleterious mutation accumulation in short phylogenetic distances. Meanwhile the domestication associated acceleration of metabolome evolution is coupled with change in mode of evolution. With using phylogenetic comparative methods, we have found 5 domestication associated metabolite level changes in the amino acid dataset. This suggest the importance of adaptive evolution of metabolite levels upon domestication.
We attempted to find the role of domestication associated metabolite levels. Generally we can tell that the metabolite level stress resistance correlations are widespread. However we were unable to confirm the causality any of these correlations.
We have uncovered in domesticated lineages, genetic distance is the most important factor in determination of metabolome divergence.
Roland Tengölics1,2, João B. Mokochinski, Balázs Szappanos, Dorottya Kalapis, Stefánia Erdei, Szilvia Z. Tóth, Balázs Papp: Rapid non-targeted metabolome profiling of yeast, YCGMB abstract and Poster, 2019
Tengölics Roland, João B. Mokochinski, Szappanos Balázs Szappanos, Kalapis Dorottya, Erdei Stefánia, Tóth Szilvia, Papp Balázs: Rapid non-targeted metabolite profiling of yeast., YCGMB absztraktkönyv, 2019
Roland Tengölics, Balázs Szappanos, Gábor Grézal, Dorottya Kalapis, Viktor Kilin, Krisztina Ambrus, Joao Mokonchinski, Markus Ralser, Michael Mülleder, Gianni Liti, Balázs Papp,: Accelerated metabolome evolution of S. cerevisiae, Konferencia előadás, 2020
