Análise Quantitativa da Acumulação de Glicerol, Glicólise e Crescimento Sob Estresse Hiperosmótico

Nós fornecemos uma visão dinâmica integrada sobre um sistema osmólito eucariótico, vinculando sinalização com regulação da expressão gênica, controle metabólico e crescimento. A adaptação a mudanças osmóticas permite que as células ajustem a atividade celular e a pressão de turgescência a um ambiente alterado. A levedura Saccharomyces cerevisiae se adapta ao estresse hiperosmótico ativando a cascata de sinalização HOG, que controla a acumulação de glicerol. A quinase Hog1 estimula a transcrição de genes que codificam enzimas necessárias para a produção de glicerol (Gpd1, Gpp2) e importação de glicerol (Stl1) e ativa uma enzima reguladora na glicólise (Pfk26/27). Além disso, o fluxo de glicerol é prevenido pelo fechamento do facilitador de glicerol Fps1. Para entender melhor as contribuições à acumulação de glicerol desses diferentes mecanismos e como o metabolismo redox e de energia, bem como a produção de biomassa, são mantidos nessas condições, coletamos um extenso conjunto de dados. Durante um período de 180 min após o choque hiperosmótico, monitoramos em células do tipo selvagem e diferentes células mutantes as concentrações de metabolitos e proteínas-chave relevantes para a osmoadaptação. O conjunto de dados foi utilizado para parametrizar um modelo ODE que reproduz os dados gerados muito bem. Uma análise computacional detalhada usando coeficientes de resposta dependentes do tempo mostrou que Pfk26/27 contribui para redirecionar o fluxo glicolítico para a glicólise baixa. A paralisação transitória do crescimento após o choque hiperosmótico ainda adiciona para redirecionar quase todo o fluxo glicolítico da biomassa para a produção de glicerol. A osmoadaptação é robusta à perda de vias de adaptação individuais devido à existência e regulação positiva de rotas alternativas de acumulação de glicerol. Por exemplo, o importador de glicerol Stl1 contribui para a acumulação de glicerol em uma mutante com capacidade reduzida de produção de glicerol. Além disso, nossas observações sugerem um papel para a acumulação de trealose na osmoadaptação e que Hog1 provavelmente contribui diretamente para a regulação do facilitador de glicerol Fps1. Em conjunto, elucidamos como diferentes mecanismos de adaptação metabólica cooperam e fornecemos hipóteses para estudos experimentais futuros.