Hefen

Grundlagen und biologische Eigenschaften

Hefen oder Hefepilze sind einzellige Pilze. Sie vermehren sich meist ungeschlechtlich durch Sprossung (Knospung) oder durch Teilung beziehungsweise Spaltung; daher ist „Sprosspilze“ keine Bezeichnung für alle Hefen. Sexuelle Fortpflanzung kommt ebenfalls vor: Bei Ascosporidae entstehen Asci und Ascosporen, bei Basidiosporidae Basidiosporen.

Die meisten Hefen gehören zu den Schlauchpilzen (Ascomycota). Als Hefen werden aber auch Entwicklungsstadien anderer Pilze bezeichnet, etwa von Ständerpilzen (Basidiomycota). Beispiele sind Sprossstadien von Nacktbasidien-Arten (Exobasidium), Entwicklungsstadien vieler Brandpilze und Malassezia furfur.

Hefen sind Eukaryoten und damit meist deutlich größer als Bakterien. Ihre Zellen besitzen komplexe Membranstrukturen, Chromosomen und Organellen wie Mitochondrien und endoplasmatisches Retikulum. Solche Strukturen fehlen bei Prokaryoten, also Bakterien und Archaeen. Hefen lassen sich leicht im Labor kultivieren, genetisch verändern und untersuchen; deshalb sind sie wichtige Modellorganismen. Ihre Ähnlichkeit mit höheren Organismen ist größer als die von Bakterien.

Heute sind etwa 700 Hefearten mit über 5.000 Stämmen bekannt, doch nur wenige sind genau beschrieben. Eine verbindliche, klar abgrenzende Definition gibt es nicht: Eigenschaften wie die Vermehrung durch Zellteilung gelten weder für alle Hefen noch ausschließlich für sie.

Energiegewinnung und Nutzung von Zucker

Die meisten Hefen sind fakultativ anaerob: Sie benötigen keinen Sauerstoff, können ihn aber nutzen. Bei Sauerstoffverfügbarkeit betreiben sie aerobe Atmung und oxidieren Zucker zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Ohne Sauerstoff bauen viele Hefen Zucker nur zu niedermolekularen Stoffen ab, beispielsweise zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid bei der alkoholischen Gärung.

Die Oxidation von Zucker unter aeroben Bedingungen liefert mehr Energie als die Vergärung. Deshalb sind Massenzuwachs und Zellteilungsrate bei oxidativem Zuckerabbau wesentlich höher als bei Gärung.

Hefen können viele, aber nicht alle natürlichen Kohlenhydrate verwerten. Obergärige Stämme von Saccharomyces cerevisiae nutzen Glucose, Fructose, Mannose, Galactose, Saccharose, Maltose, Maltotriose und Raffinose. Saccharomyces diastaticus sowie untergärige Stämme von S. uvarum oder S. carlsbergensis – eigentlich Hybriden aus S. cerevisiae und S. eubayanus – können zusätzlich Dextrine und Melibiose nutzen. S. cerevisiae und verwandte Arten können dagegen Pentosen wie Ribose, Xylose und Arabinose sowie Cellobiose, Lactose, Inulin und Cellulose nicht nutzen.

Bedeutung, Lebensmittel und wichtige Arten

Hefen zählen zu den wirtschaftlich wichtigsten Mikroorganismen. Sie werden zur Produktion von Bier, Wein, Spirituosen, Brot, Lebensmitteln sowie biochemischen und therapeutischen Stoffen eingesetzt. Alkoholische Getränke und Brot wurden bereits in frühen Hochkulturen des Nahen Ostens mithilfe von Hefen hergestellt. Einige Hefen verursachen dagegen den Verderb von Futter- und Lebensmitteln oder haben medizinische Bedeutung.

Besonders wichtig ist Saccharomyces cerevisiae, die traditionelle Bäcker- oder Bierhefe. Sie ist eine Knospungshefe, wurde 1888 erstmals von Emil Christian Hansen isoliert und wird als Trocken- oder Presshefe verkauft. Obergärige Stämme steigen beim Bierbrauen während der Gärung nach oben; untergärige Stämme sinken gegen Ende der Hauptgärung nach unten. Untergärige Hefen wie Saccharomyces carlsbergensis und Saccharomyces uvarum vergären mehr Zuckerarten auch bei niedrigeren Temperaturen und dienen zur Herstellung von Lagerbier.

Weitere Beispiele sind Candida utilis bei der Kefirherstellung und Saccharomyces boulardii zur Behandlung von Durchfall. Candida albicans besiedelt als Saprophyt Schleimhäute, Haut und Verdauungstrakt und kommt bei drei Vierteln aller Menschen vor; Krankheiten verursacht sie nur unter bestimmten Umständen als „Schwächeparasit“. Brettanomyces bruxellensis ist eine Schädlingshefe in Most und Wein, die ein „Pferdeschweiß“-Aroma hervorrufen kann, wird aber auch für belgisches Lambic verwendet. Malassezia furfur trägt unter anderem zu verstärkter Schuppenbildung bei.

Bei der Vergärung pektinhaltiger Flüssigkeiten kann Methanol entstehen. Im Körper wird es zu Methanal (Formaldehyd) und anschließend zu Methansäure (Ameisensäure) abgebaut und kann zum Erblinden führen.

Hefen als biotechnische Proteinfabriken

In der Biotechnologie werden Hefen unter anderem zur Herstellung von Ethanol, Kohlenstoffdioxid, Enzymen, Lebensmittelwürzen, Vitamin-B-Quellen, Aminosäuren, Spurenelementen und Arzneistoffen verwendet. Saccharomyces-Hefen gelten weltweit generell als sicher im Lebensmittelrecht (GRAS, Generally Recognized As Safe). Ethanol wird als Trinkalkohol, Kraftstoff und Lösungsmittel genutzt; Kohlenstoffdioxid treibt Backteig, wird Getränken zugesetzt und unter anderem bei Hopfenextrakt und Gewächshauskulturen verwendet.

Hefen eignen sich als Expressionsplattformen, also als gentechnisch genutzte „Proteinfabriken“, für Fremdproteine. Sie können Proteine glykosylieren, ihnen also Zuckerketten anheften, und Glykoproteine in das Nährmedium sezernieren. Dadurch sind die hergestellten Proteine mit Proteinen von Tieren oder Menschen identisch oder ihnen sehr ähnlich. So lassen sich beispielsweise Interferon, humanes Serumalbumin, Insulin und Hepatitis-B-Impfstoffe herstellen.

Neben S. cerevisiae werden weitere Arten genutzt. Candida boidinii, Hansenula polymorpha (Pichia angusta) und Pichia pastoris (Komagataella phaffii) sind methylotroph: Sie können mit Methanol als Energie- und Kohlenstoffquelle wachsen. Für Candida boidinii wurden Produktivitäten von vielen Gramm Protein pro Liter Kultur beschrieben. Hansenula polymorpha ist zusätzlich thermotolerant und kann Nitrat assimilieren; sie wurde unter anderem für Hepatitis-B-Impfstoffe, Insulin, Interferon-alpha2a gegen Hepatitis C und technische Enzyme verwendet. Für Pichia pastoris existieren Kits zur Proteinproduktion; neuere Stämme können komplexe Zuckerketten menschlicher Proteine völlig authentisch herstellen.

Arxula adeninivorans (Blastobotrys adeninivorans) und Yarrowia lipolytica sind dimorph, können also je nach Bedingungen Hefe- oder filamentöse Formen bilden. Arxula wächst unterhalb von 42 °C in Hefeform und oberhalb dieser Temperatur filamentös; genetisch veränderte Stämme erzeugten biologisch abbaubares Plastik oder Biosensoren für Östrogene. Yarrowia lipolytica kann Lipide nutzen. Sie ist ein Modellorganismus für „oleaginous yeast“, Arten, die mindestens 20 % ihrer Biomasse als Fett speichern. Ein genetisch optimierter Stamm produziert Eicosapentaensäure (EPA), die als Nahrungsergänzungsmittel verkauft wird. Kluyveromyces lactis kann die in Milch und Molke vorhandene Laktose zu Milchsäure fermentieren; gentechnisch veränderte Stämme produzieren Chymosin für die Käseherstellung in Fermentern von mehreren zehntausend Litern.

Stammauswahl und Tierernährung

Für die Herstellung eines bestimmten Proteins müssen Wildtypen zunächst mithilfe eines Vektors, konkret eines Plasmids, transformiert werden. Ein Plasmid enthält einen Selektionsmarker zur Unterscheidung transformierter Stämme, Elemente zur Vermehrung oder zum gezielten Einbau in das Hefechromosom (ARS und/oder rDNA-Sequenz) sowie eine Expressionskassette. Diese besteht aus Promotor, der Zeitpunkt und Umfang der Transkription der mRNA und damit der Proteinproduktion steuert, der Sequenz für das gewünschte Protein und einer Terminatorsequenz für das korrekte Ende der Transkription.

Hefearten unterscheiden sich erheblich darin, welche Proteine sie herstellen können, wie sie diese prozessieren und modifizieren und welche Produktivität sie erreichen. Deshalb sollte man zu Beginn einer Entwicklung mehrere Arten parallel prüfen. Ein modulares Vektorsystem mit einer in allen untersuchten Hefen identischen rDNA-Zielsequenz und einem in allen Hefen aktiven Promotor soll dies erleichtern.

In der Tierernährung dient abgetötete Bier- oder Brauhefe als hochverfügbare Proteinquelle. Seit etwa 20 Jahren werden spezifische Stämme von Saccharomyces cerevisiae außerdem als Probiotika eingesetzt, besonders bei Wiederkäuern und Pferden. Lebende Hefen können im Pansen einen anaeroben Zustand stabilisieren, indem sie Restsauerstoff verbrauchen. Grundlage war die 1965 von James Hough bei S. cerevisiae NCYC 1026 beschriebene hohe Sauerstoffzehrung; Pearse Lyons nutzte dies 1980 erstmals kommerziell für Kühe.

Lebende Hefen beeinflussen außerdem das Milieu und regen bestimmte faserabbauende und laktatabbauende Bakterien zu stärkerem Stoffwechsel und höherer Fortpflanzungsaktivität an. Diese Wirkungen sind stammspezifisch; es gibt auch Stämme, die Laktatbildner stimulieren. Künftige Anwendungen sollen unter anderem natürliche Hemicellulasen und Cellulasen, Proteine und Aminosäuren aus Reisschalen oder Nebenprodukten der Alkoholindustrie sowie Peptide für die Jungtierfütterung bereitstellen.