Mikrobe des Jahres 2022: Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae

Als am Anfang des Jahres die Sektkorken knallten, war schon die Mikrobe des Jahres 2022 beteiligt: Saccharomyces cerevisiae – die Bäckerhefe. Sie produziert neben Wein – der Grundlage von Sekt – und Bier auch solche Köstlichkeiten, wie Kuchen und Brot. Hefen sind winzige Einzeller und zählen daher zu den Mikroben, auch wenn sie – anders als Bakterien – einen Zellkern besitzen und damit zu den Eukaryoten gehören. So weit steht es in der Pressemitteilung der VAAM. So gut.

Ich dachte Anfang Januar 2022: „Prima, sehr schön – machst Du mal schnell einen Artikel für den Mikrobenzirkus draus.“ Und dann schrieb mir ein ehemaliger Kollege, der Hefe-Experte Andrey Yurkov vom benachbarten Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, dass er doch einige Bauchschmerzen mit der Berichterstattung hätte und sendete mir viele Links zu Literaturquellen. Das Problem: Hefe ist nicht gleich Hefe.
Das wird wohl doch etwas komplizierter, dachte ich. So etwas liegt dann erfahrungsgemäß vorsichtshalber in meiner Zettelbox „nochmal gut“ ab. Bis jetzt. Am besten frage ich also für euch direkt beim Experten nach.

Also auf einen halben virtuellen Sekt (denn ich muss ja noch schreiben) mit dem Hefeexperten Dr. Andrey Yurkov, Bioresources for Bioeconomy and Health Research, am Leibniz-Institut DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen.

1. Lieber Andrey, hast Du Dich über die Wahl von Saccharomyces cerevisiae zur Mikrobe des Jahres 2022 gefreut und wo siehst Du die wichtigste Bedeutung dieser Art?

Ja, natürlich habe ich mich sehr gefreut. Hefen als meine Forschungsobjekte sind ganz besondere Mikroorganismen und sehr eng mit unserer menschlichen Kulturgeschichte verbunden. Sie sind wahrscheinlich unsere „ersten Haustiere“ – also die ersten domestizierten Mikroorganismen. Die Vielfalt der Anwendungen erforderte den Einsatz verschiedener Hefen in den Prozessen oder Produkten, seien es Bier, Wein, Sauerteig, Kombucha oder Kefir. Neben der bekanntesten Art, Saccharomyces cerevisiae, haben Menschen schon vor 2,000 Jahren ein Dutzend Hefen erfolgreich domestiziert. Die Hefefermentation nutzen die Menschen seit Jahrtausenden: Schon bei den alten Ägyptern war eine Art Bier beliebt. Der Einsatz von Saccharomyces in den diversen Anwendungen hat dann die Evolution dieser Hefe vorangetrieben. Es gibt sozusagen drei große Hefe-Gruppen, die viele domestizierte Saccharomyces cerevisiae-Stämme umfassen – Bier, Wein und Brot.

Der lateinische Name bedeutet „Zuckerpilz des Bieres“ und deutet darauf hin, dass die Mikrobe ein großer Braumeister ist, obwohl sie so winzig ist, dass zehn ihrer Zellen gestapelt gerade mal die Dicke von Papier erreichen. Sichtbar wurde die Brauhefe erst mit der Erfindung des Lichtmikroskops im Jahre 1680. Es dauerte nochmals 200 Jahre bis Theodor Schwann und Louis Pasteur lebende Hefezellen als Ursache für die alkoholische Gärung erkannte. Schwann hat der Hefe auch ihren Namen Zuckerpilz gegeben.
In der Natur ernähren sich Hefen von Zuckerverbindungen. Sie bauen Glukose oder Fruktose zu Kohlendioxid (CO₂) und dem Alkohol Ethanol ab. Der Alkohol verschafft der Hefe gleichzeitig einen Vorteil: Er tötet konkurrierende Mikroorganismen ab, kann aber auch die Hefe als Zellgift irgendwann selbst töten (so entsteht der Trockenwein). Fermentierte Getränke und Lebensmitteln sind sozusagen eine alte Technik der Lebensmittelkonservierung.

• Aber welche Rolle spielt Sacharcomyces cereviseae denn nun beim Brotbacken?

Beim Brotbacken sorgt die „Bäckerhefe“ für das nötige Backtriebmittel. Die einzelligen Hefepilze verteilen sich beim Kneten im Teig und produzieren Kohlendioxid-Bläschen aus den verknüpften Zuckern des Mehls (Kohlenhydrate). Das lässt den Hefeteig locker werden – er geht auf. Bäckereien, Brauereien etc. verwenden oft eine Vielzahl unterschiedlicher Hefestämme und- arten. Die Rezepturen sind häufig gut gehütete Betriebsgeheimnisse. Im Sauerteig der zum Brotbacken genutzt wird, unterstützen. z.B. auch noch Milchsäurebakterien die Hefen der Gattung Kazachstania.

• Was macht Saccharomyces zum begehrten Modellorganismus und zur „Zellfabrik“ für die Industrie?

Saccharomyces cerevisiae war der erste eukaryotische Organismus mit einem vollständig sequenzierten Genom. Am Modellorganismus kann man somit wunderbar den grundlegenden Aufbau und die Funktion eukaryotischer Zellen untersuchen, denn Hefezellen sind damit ähnlich aufgebaut, wie menschliche Zellen.

Heute gibt es sogar Stammsammlungen, in denen jedes einzelne der ca. 6300 Hefegene veränderbar ist. In 2014 wurde das erste synthetische eukaryotische Chromosom in einer Saccharomyces cerevisiae-Zelle zusammengesetzt, und das erste synthetische Hefegenom ist auf dem Weg.

Das weckt natürlich die Kreativität der Biotechnologen und Genetiker. Hefezellen dienen als „zelluläre Fabrik“. Das ist vor allem für Diabetiker interessant. Denn in das Hefegenom wurde das menschliche Insulingen eingepflanzt, sodass dieser kleine Organismus einen Großteil des menschlichen Hormons für die Insulin-Diabetestherapie produziert.

Der Malaria-Wirkstoff Artemisin, der im Jahre 2015 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, wird beispielsweise durcheine elegante „Umleitung“ des Hefestoffwechsels hergestellt. Interessanterweise ist der Prozess auch die Ausgangsbasis, um den chemisch verwandten Ersatz-Flugzeugkraftstoff Farnesen herzustellen.

Einige Forscher bauen auch Gene aus Pilzen und Bakterien in Hefegenome ein und versetzen sie so in die Lage, natürliche Zucker aus Holz (Xylose) in Ethanol umzuwandeln. Damit können pflanzliche Abfallstoffe heute als Rohstoff und Energiequelle dienen. Heutzutage gewinnt man aber auch Bioethanol aus mit Hefen, die schon ohne eine genetische Veränderung die Xylose fermentieren können (sogenannte aka xylose-fementing yeasts) z.B. Scheffersomyces ehemals Pichia stipitis und Candida shehatae. Auch die Gene werden immer häufiger in Saccharomyces cerevisiae kloniert.

Veränderte Hefezellen können auch Bernsteinsäure herstellen, einen Baustein zur industriellen Herstellung von Polyester. Beeindruckend ist auch die Fähigkeit von Hefen als Eukaryoten, die in ihren membranumschlossenen Organellen eine Trennung verschiedener biochemischer Prozesse erlauben. Damit lassen sich sogar giftige Zwischenstufen innerhalb einer Zelle abtrennen. Das nutzten Forschende gerade erfolgreich, um Enzyme für eine Vorstufe von Nylon in bläschenartige Vesikel zu packen.

• Warum ist denn nun die Systematik und Taxonomie so kompliziert bei Hefen? Wie macht ihr das an der DSMZ?

Andrey: „Die Namensgebung ist schon sehr essenziell, um die Eigenschaften von Pilzen zu kommunizieren, um auch Krankheitserreger zu benennen. Wie bei anderen Pilzen ist aber nur ein ganz geringer Teil der gesamten Artenvielfalt bekannt (geschätzt ca. 10 Prozent) und die Forschung steht vor der Herausforderung, die enorme Pilzvielfalt korrekt zu katalogisieren“.,

Gib dem Kind den richtigen Namen! Das grundsätzliche Problem steht also gleich am Anfang: Mikrobiologen und Biotechnologen unterscheiden Hefen oft nicht in Arten und Gattungen. Viele sehen Hefen als eine Gruppe von sehr eng verwandten Organismen und da liegen sie vollkommen falsch. Auch bei echten Hefen liegen zwischen Arten mal locker circa 400 Millionen Jahre Evolution. Das entspricht einem Zeitfenster von Menschen und Fischen. Andere Gruppen von Hefen sind enger mit Rostpilzen, Brandpilzen oder Zitterlinge verwandt, als mit Saccharomyces. Das zeigt deutlich die taxonomische Komplexität von Hefen.

Die derzeit 2000 bekannten Hefearten werden jährlich um etwa 50 neue Arte ergänzt. Neben der Gattung Saccharomyces, darunter die Bäckerhefe – unserer Mikrobe des Jahres 2022 – wurden schon seit dem 19. Jahrhundert basierend auf Morphologie und Wachstumstest weitere Hefegattungen beschrieben, darunter z.B. Pichia, Saccharomycodes, Saccharomycopsis und Zygosaccharomyces. Weitere Arten führen bis ins 19. Jahrhundert zurück, darunter z.B. humanpathogene Candida albicans, Cryptococcus neoformans, Malassezia furfur und Trichosporon ovoides.

Andrey: „In den letzten Jahren haben sich zudem die Identifizierungsmethoden für Hefe grundlegend verändert. Um eine zuverlässige Artbestimmung und eine realistische, auf Verwandtschaftsverhältnissen basierende Systematik zu erreichen, werden Wachstumstests und biochemische Analysen mit komplexen molekulargenetische Untersuchungen und immer öfter bei der Sequenzierung gesamter Genome begleitet.“

Das hatte Folgen: Eine breitere Anwendung der DNA-Sequenzierung führte zu neuen Ansichten zur Systematik von Hefen und als Konsequenz zu großen Neuklassifizierungen und Umbenennungen.

Andrey: „Dazu sollte man einmal Art und Gattung für Hefen definieren, das ist ja auch nicht jedem so geläufig: Arten sind Gruppen von Organismen, die sich anhand von quantifizierbaren Merkmalen oder anhand ihres Verhaltens voneinander unterscheiden lassen. Die Gattung dagegen steht oberhalb der Art und unterhalb der Familie. Eine Gattung kann eine einzige Art enthalten oder eine beliebige Anzahl von Arten. Und bei den Hefen ist diese ganze Systematik wohl etwas facettenreicher.
Es ist dabei sehr wichtig, ein stabiles System zu entwickeln und die Gattungen auf eng verwandte Arten zu begrenzen, um bekannte Eigenschaften (z.B. antimykotische Medikamentenresistenz oder charakteristische Stoffwechselwege) anhand des Namens zu erkennen. Auch wenn es nicht immer sofort ersichtlich ist: Wissenschaftliche Namen vermitteln wichtige Informationen zu Verwandtschaft und Eigenschaften von Arten.

Na dann Prost, lieber Andrey!
Vielen Dank für das Gespräch. Ich habe heute viel Neues gelernt!

Eines ist sicher: Sollten die Mikroorganismen irgendwann mal eine Image-Kampagne für die positiven Seiten ihrer Existenz starten- abseits ihrer Rolle als Krankheitserreger – dann wären die Hefen als Stars für Sekt, Brot, Wein und andere kulinarische Köstlichkeiten ganz vorn dabei.

In dem Sinne, bleibt neugierig!

Susanne

Weiterführende Links:

Pressemitteilung der VAAM-

Mikrobe des Jahres 2022 / VAAM – Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie e.V.

Zwei gute Reviews über Hefen:
https://link.springer.com/article/10.1007/s13225-021-00475-9
https://link.springer.com/article/10.1007/s13225-021-00494-6

Xylose-fermentierende Hefen:

Genetische Verbesserung nativer Xylose-fermentierender Hefen zur Ethanolherstellung | Zeitschrift für Industrielle Mikrobiologie und Biotechnologie | Oxford Akademiker (oup.com)

Beitrag zur Taxonomie-Problematik von Candida:
https://link.springer.com/article/10.1007/s12268-021-1665-6