Записки одомашнених дріжджів

Записки одомашнених дріжджів

Наталя Резник
"Хімія і життя" №12, 2016

Чи можна одомашнити створення, про існування якого навіть не підозрюєш? Виявляється, можна. Саме це сталося з дріжджами Saccharomyces cerevisiae. Їх здатність перетворювати цукру в спирт і ароматні сполуки люди почали вдосконалювати за кілька століть до відкриття цих мікроорганізмів, хоча і значно пізніше, ніж з'явилося перше пиво. І цей процес можна з повним правом назвати доместикації.

Доместикация або домашній арешт?

Процес одомашнення тварин і культурних рослин описаний досить докладно, історія взаємодії людини з мікроорганізмами, які беруть участь в приготуванні продуктів, майже невідома. Штами дріжджів, які використовують для виробництва спирту, пива і хліба, відрізняються від своїх лабораторних і диких побратимів, а також один від одного. Однак ці відмінності могли виникнути не тільки в ході цілеспрямованого відбору цінних для людини ознак, але і в результаті географічної ізоляції дріжджів і обмеженого їх різноманітності в кожній області. Якщо бельгійські дріжджі, одного разу потрапивши на пивоварню, ніколи її не покинуть, то з часом вони мимоволі стануть відрізнятися від, скажімо, британських.Так чому ж промислові дріжджі зобов'язані своїми особливостями? На жаль, пивовари і пекарі давнину не залишили записок, проте можна прочитати дріжджовий геном, а краще декілька.

Доместикация – це спрямований відбір по потрібним людині ознаками і адаптація до певних умов життя, часто вельми далеким від природних. В якому б напрямку (врожайність, забарвлення хутра, розмір тіла) цей відбір не йшов, він завжди призводить до характерних змін, добре відомим на прикладах багатьох одомашнених тварин і рослин. У них яскраво виражені ознаки, корисні людям, але не потрібні їх власникам (у всякому разі, не в такій мірі). У них порушено статеве розмноження. Ці ознаки дозволяють існувати в середовищі, створеної людиною, проте в природних умовах одомашнені види відчувають себе, в кращому випадку, некомфортно.

Доместикация залишає характерні позначки в геномі: деякі ділянки ДНК подвоюються, а інші губляться, змінюється копийность генів, а іноді і цілих хромосом. Іншими словами, геном псується. Якщо генотипические і фенотипічні особливості, характерні для одомашнених видів, виявляться і у промислових штамів дріжджів, це послужить доказом їх доместикації.

дріжджове древо

Таке дослідження зробили вчені з Бельгії та Сполучених Штатів під керівництвом Кевіна Верстрепена, ад'юнкт-професора Католицького університету Левена, і Стівена Маре з Гентського університету (Cell, 2016, 166, 1397-1410, doi: 10.1016 / j.cell.2016.08.020). Вони секвенували і описали геноми 157 штамів дріжджів S. cerevisiae, Які використовують для виробництва тіста, вина, пива, спирту, саке і біоетанолу, і порівняли їх з дикими і лабораторними штамами, зібраними на різних континентах. Дріжджі можуть існувати в диплоидном і гаплоидном стані; дослідники працювали з диплоїдними, щоб оцінити всі особливості будови генома.

Аналіз геномів показав, що промислові дріжджі генетично відрізняються від диких родичів і походять від небагатьох предкової штамів, які адаптувалися до створеної людиною середовищі. Дослідники склали філіпченкове древо промислових дріжджів, які поділяються на п'ять скарб (рис. 1). (Скарбу у біологів – група організмів, що включає загального предка і всіх його прямих нащадків.) Одна з них включає азіатські штами виробників саке, інша – переважно винні дріжджі. Є одна змішана скарбу,яка об'єднує всі пекарські штами і деякі пивні, в основному ті, які використовують для виготовлення міцного бельгійського елю. Виділяються також дві великі групи пивних дріжджів, "Пиво 1" і "Пиво 2".

Мал. 1. Доместикация промислових дріжджів

Спиртові штами не утворюють особливої ​​групи і розбіглися по всьому древу. Очевидно, вони виникли в результаті відбору, яким займаються різні компанії, що продають дріжджі для виробництва спирту. Крім того, спиртові дріжджі, на відміну від пивних або пекарських, повторно не використовують, так що у них було менше можливостей утворити особливу групу.

Своєю різноманітністю промислові штами частково зобов'язані географічним відмінностям. Більшість дріжджів для саке родом з Азії, у них один загальний предок, і вони в родинних стосунках з дикими і біоетанольного штамами з Китаю. А північноамериканські дріжджі для виробництва етанолу споріднені тим, які використовують в Бразилії для отримання спирту з цукрової тростини. Скарбу "Пиво 1" розпадається на три підгрупи: штами континентальної Європи (Бельгії та Німеччини), Великобританії і Сполучених Штатів. Пивні дріжджі Північної Америки, на відміну від біоетанольних,явно походять від британських штамів, а не від місцевих. Скарбу "Пиво 1" рано відокремилася від інших груп і розвивалася незалежно. Скарбу "Пиво 2" виникла пізніше і пов'язана з винними дріжджами, в неї входить п'ята частина всіх винних штамів. Вона об'єднує дріжджі з Бельгії, Великобританії, Сполучених Штатів, Німеччини та Східної Європи, але чіткого географічного підрозділу всередині неї немає. Наявність двох великих, генетично різних джерел пивних дріжджів говорить про те, що їх одомашнення відбувалося в Європі, двічі і незалежно, причому одне з цих подій дало початок як винним, так і пивним дріжджів ( "Пиво 2").

На кожній пивоварні для виробництва різних сортів пива зазвичай використовують один і той же штам, тому подальшого дроблення всередині певних скарб не відбулося. Виняток становлять дріжджі для виробництва кількох місцевих сортів пива, таких, як бельгійський сайзон і британський стаут.

Пивні – домашні, винні – вуличні

Оцінюючи фенотипічні ознаки дріжджів, дослідники виявили безсумнівний вплив доместикації. Найсильніше воно проявилося у певних штамів, і пов'язано це зі специфікою пивоваріння.

Пиво варять круглий рік, причому стару пивну гущу з дріжджами не викидають, а використовують для зброджування нової порції. Таким чином, пивні дріжджі довгий час і без перерв перебували в стабільній і ситної середовищі. Вчені підрахували, що з часу початку відбору пройшло не менше 75 тисяч дріжджових поколінь. Опинившись в нових умовах, пивні дріжджі за непотрібністю втратили багато ознак, необхідні для виживання в суворій природному середовищі. Перш за все, значна частина пивних штамів повністю розпрощалася з статевим розмноженням.

У природних умовах S. cerevisiae розмножуються як безстатевим шляхом, так і статевим. У сприятливій обстановці вони розмножуються брунькуванням: на малюнку на початку статті видно круглі шрами, залишені відбрунькувалися дочірніми клітинами. У стресовій ситуації (холод, голод або недолік вологи) дріжджі перемикаються на статеве розмноження і утворюють спори, які дозволяють пережити важкий період. В пивоварні, де дріжджі завжди при справі, вони прекрасно обходяться без статевого розмноження, більше половини штамів "Пива 1" тільки нирку, у інших суперечки часто нежиттєздатні.Така особливість в інших промислових скарбах рідкісна (не більше 21%), а у диких дріжджів не зустрічається зовсім.

Спиртові і винні штами не можуть собі дозволити відмовитися від статевого розмноження. Чисті дріжджові культури винороби стали використовувати тільки з початку ХХ століття, до цього вони кілька тисяч років обходилися природними дріжджами. Винні дріжджі ростуть тільки у вині, а сезон виноробства короткий. Значну частину року вони проводять на виноградниках і в кишечнику комах. Під час цих голодних періодів винні дріжджі майже не розмножуються брунькуванням, але можуть розмножуватися статевим шляхом і навіть схрещуватися з дикими дріжджами. Більш того, лише невелика частина винних дріжджів в наступному сезоні знову потрапить в виноградне сусло, в той час як в пивоварінні цей шлях відкритий трильйонів клітин. Ні, таке життя явно не дозволяє обмежитися брунькуванням. В результаті на винних дріжджах вплив людини позначається значно слабкіше, ніж на певних. Завдяки статевого розмноження і схрещування з дикими видами, а також і нетривалого перебування в антропогенної винної середовищі вони еволюціонують набагато повільніше пивних.

Спирти, цукру і аромат гвоздики

Люди не замислювалися над тим, чи можуть дріжджі утворювати спори. Ось щоб вони швидко росли – це важливо. (Розмноження брунькуванням, звичайно, швидше статевого.) А ще люди хочуть отримувати смачний, добре засвоюваний, довго зберігається і заспокійливий завдяки присутності етанолу продукт. Перш за все від дріжджів слід синтезувати етиловий спирт, і в результаті відбору вони навчилися виробляти його в великих кількостях і існувати в досить концентрованому спиртовому розчині. Пивні штами виробляють 75-10 об'ємних відсотків етанолу, а дріжджі, використовувані для приготування більш міцних напоїв – саке, спирту, вина і особливо біоетанолу, можуть виробляти 14,5% -ний розчин. У природі таких умов немає, і ці якості не потрібні.

Мал. 2. Пивні дріжджі повинні активно розщеплювати мальтотріоза і не синтезувати 4-вінілгваякол

Спирт утворюється в результаті розщеплення цукрів, і дріжджі повинні їх активно засвоювати. Пивні штами явно пройшли відбір на інтенсивне розщеплення мальтотріози, одного з основних цукрів пивного сусла (рис. 2). Ця здатність залежить від специфічного алелі AGT1 гена MAL11, який присутній тільки в дріжджах "Пива 1" і деяких штамах змішаної скарби. У винних дріжджів ген MAL11 і навіть локус MAL1 повністю відсутня.

Крім спирту, дріжджі синтезують різні речовини, які надають продуктам приємний запах і смак. Але деякі аромати, нехай і найприємніші, не завжди доречні. Одне з ароматичних речовин, 4-вініл гваякол (4-ВГ), пахне гвоздикою, і цей запах небажаний в саке і більшості видів пива і вина. Синтез 4-ВГ контролюють два гена: декарбоксилаза фенілакріловой кислоти PAD1 і декарбоксилаза феруловой кислоти FDC1. Обидва розташовуються поряд в IV хромосомі і допомагають знешкоджувати токсичну фенілакріловую кислоту, яка зустрічається в стінках рослинних клітин. Так що в природних умовах активність цих генів життєво необхідна, але більшість промислових штамів, особливо пивні і саке, втратило здатність синтезувати 4-ВГ. Дослідники виявили в їх геномі мутації, що порушують функції PAD1 і FDC1. Більш того, різні сублінії несуть різні мутації, які незалежно виникали у відповідь на відбір проти синтезу 4-ВГ. Аналіз генома показав, що мутації в обох генах відбулися дуже рано, на самому початку розбіжності S. cerevisiae і родинного виду S. paradoxus від загального предка. Пекарські і біоетанольні дріжджі зберегли гени PAD1 і FDC1 в цілості: в цих виробництвах 4-ВГ не перешкода.Запах 4-ВГ зникає в процесі випічки, а біоетанол не призначений для внутрішнього вживання, і аромат гвоздики нікого не турбує.

Деякі любителі пива цінують пряний аромат. Нефільтроване пшеничне пиво хефевайцен традиційно пахне гвоздикою і містить значну кількість 4-ВГ. Дріжджі хефевайцена входять в кладу "Пиво 1", але вони мозаїки, геном цього штаму зібраний з фрагментів представників всіх трьох субклад, в основному бельгійсько-германської. Невелику частину генома вони отримали від винних дріжджів, проте саме ця частина містить функціональні гени PAD1 і FDC1. Вчені вважають, що дріжджі хефевайцена виникли в результаті схрещування між різними пивними і винними штамами – вийшов гібрид, що поєднує типову для пивних дріжджів здатність ферментувати мальтотріоза і гени синтезу 4-ВГ.

У геномах промислових штамів вчені виявили всі порушення, властиві одомашненим видам: поліплоїдію і брак хромосом, перебудови, делеции і дуплікації, зміни копийности генів. Наприклад, багато гени, залучені в переробку мальтотріози, ампліфікувати у пивних і саке-дріжджів, але часто втрачені у винних.Однак копийность генів, відповідальних за базовий метаболізм вуглецю і азоту, транспорт іонів і флокуляцію (здатність дріжджів після закінчення ферментації збиратися в грудочки і осідати на дно ємності, де відбувалося бродіння), збереглася.

Одомашнення до відкриття

Отже, дріжджі володіють всіма специфічними рисами доместіцірованних організму: засмученим геномом, господарсько-цінними ознаками, адаптацією до життя в антропогенної середовищі і втратою статевого розмноження (рис. 1). Їх різноманітність і характерні ознаки викликані більшою мірою одомашнення, ніж географічної ізоляцією. Питання в тому, коли це одомашнення відбулося.

Люди варили пиво вже за три тисячі років до нашої ери. Вони робили вино і пекли хліб, використовуючи для бродіння природні дріжджі, стару закваску або пивний осад, але про існування дріжджів не здогадувалися. У 1680 році дріжджі нарешті розгледів і замалював Антоні ван Левенгук. У 1837 році їх побачив французький вчений Каньяр де ля Тур і зрозумів, що перед ним живі організми і пиво створюють саме вони. Його гіпотеза отримала підтвердження лише 1857 року, коли Луї Пастер довів мікробіологічну природу спиртового бродіння.До цього бродіння вважали хімічною реакцією. У 1881 році датський мікробіолог Еміль Хансен, співробітник фірми "Карлсберг", вперше отримав чисту культуру пивних дріжджів, що дозволило помітно поліпшити якість напою. Цю культуру назвали Saccharomyces carlsbergensis. Тільки тоді пивовари, винороби і пекарі дізналися, з чим вони мають справу, і змогли приступити до свідомого відбору. Однак аналіз генома показав, що одомашнення дріжджів почалося набагато раніше (див. Рис. 1).

Дослідники врахували, що американські пивні штами походять від британських, а британські колоністи з'явилися в Америці на початку XVII століття. Пивні дріжджі розмножуються тільки брунькуванням і діляться приблизно тричі на тиждень, отже, за рік змінюється приблизно 150 поколінь. Підрахувавши частоту мутацій, вчені визначили, що розбіжність між субкладамі "Пива 1" сталося приблизно в 1573-1604 роках. Цікаво, що в ті ж роки домашнє пивоваріння поступово змінюється централізованим. Пиво стали робити при пабах, в монастирях, а потім на великих пивоварнях. Там пиво варили не як удома, від випадку до випадку, а постійно. Крім того, професійні пивовари мали звертати особливу увагу на якість своєї продукції. Все це створило умови для неусвідомленого поки відбору, тобто доместикації, дріжджів.Помітну роль в одомашнивании зіграла ізоляція – з'явилися лінії дріжджів, які постійно зростали в створених людиною середовищах, втративши зв'язок із зовнішнім світом. Субклада "Пиво 2" утворилася пізніше, в 1645-1671 роках, але все одно задовго до робіт Пастера і Хансена.

Важко підрахувати, скільки різних штамів і в якому контексті була одомашнена, обмежена кількість скарб промислових дріжджів і їх чітку відмінність від диких родичів дозволяє припустити, що сучасні промислові дріжджі походять від невеликого числа предкової штамів або від їх близькоспоріднених груп.

Тепер, коли люди знають не тільки про існування дріжджів, але і про функції, який виконують різні їхні гени, і про особливості геномів різних штамів, у фахівців є можливості продовжувати відбір "з відкритими очима" і отримувати нові промислові дріжджі небаченого раніше якості.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: