Investigation of the Influence of Yeast Saccharomyces Cerevisiae Killer Toxin K2 on the Environmental Microorganisms

Abstract

K2 toxin-producing yeast Saccharomyces cerevisiae are widely used in wine industry, but the toxin has been little studied. It is known that toxin K2 kills sensitive yeasts, but our results indicate that it has also a negative effect on the growth of gram-positive bacteria. To investigate further the K2 toxin influence on environmental microorganisms we adapted robotic system and performed genome-wide screening procedure to detect candidates of mutants involved in K2 resistance/hypersensitivity. We indicated that S. cerevisiae genes associated with cell envelope and its biogenesis, stress signaling, pH or ion homeostasis are important for action of K2 toxin. Mitochondrial dysfunction leads to increased resistance to this toxin. We focused on the physiological changes induced by K2 toxin on a non-toxin-producing yeast strain as well as K1, K2 and K28 killer strains. Potentiometric measurements were adjusted to observe that K2 toxin immediately acts on the sensitive cells leading to membrane permeabilization and efflux of potassium ions. This correlated with reduced respiration activity, lowered intracellular ATP content and decrease in the cell viability. However, we did not detect any significant ATP leakage from the cells treated by killer toxin K2. Killing effect of K2 toxin is connected to the observed differences in respiratory activities between the killer strains and the non-toxin-producing strain at low pH. This might have practical consequences in wine industry; K2 toxin producing yeast could be as beneficial ones in controlling contaminating yeasts and non-beneficial ones causing sluggish fermentation.

K2 toksiną produkuojančios mielės Saccharomyces cerevisiae yra naudojamos vyno pramonėje, tačiau šis toksinas buvo mažai tyrinėtas. Žinoma, kad K2 toksinas nužudo jautrių mielių ląsteles, tačiau mūsų gauti rezultatai parodė, kad šis toksinas taip pat neigiamai veikia gramteigiamųjų bakterijų augimą. Norėdami plačiau ištyrinėti K2 toksino poveikį aplinkos mikroorganizmams, pritaikę robotizuotą sistemą, mes atlikome pirminę genų bibliotekos analizę ir atrinkome potencialius kamienus, pasižyminčius padidintu jautrumu arba atsparumu K2 toksinui. Nustatėme, kad S. cerevisiae genai, atsakingi už ląstelės apvalkalo biogenezės procesus, taip pat streso signalo perdavimą, pH ir jonų homeostazę yra svarbūs K2 toksino veikimui, o mitochondrijų pažaidos lemia padidėjusį atsparumą šiam toksinui. Įvertinome K2 toksino sukeliamus fiziologinius pokyčius toksinų neprodukuojančioms mielėms, o taip pat K1, K2 ir K28 toksinus produkuojančioms mielėms. Pritaikę potenciometrinių matavimų sistemą nustatėme, kad K2 toksinas labai greitai jungiasi prie jautrių ląstelių, sukeldamas membranos pralaidumą ir kalio jonų ištekėjimą. Šie rezultatai koreliuoja su kvėpavimo aktyvumo, viduląstelinės ATP koncentracijos ir ląstelių gyvybingumo sumažėjimu, tačiau šis toksinas nesukelia ATP ištekėjimo iš ląstelių. K2 toksino žudantis efektas yra susijęs su rūgštiniame pH aptinkamais kvėpavimo intensyvumo skirtumais tarp toksinus produkuojančių ir neprodukuojančio kamienų ląstelių. Tai gali turėti praktinį pritaikymą vyno pramonėje: K2 toksiną produkuojančios mielės gali būti naudingos kontroliuojant fermentacijai pavojingas mieles ir būti nepageidaujamos, nes gali lemti vangią fermentaciją.