Пивная геномика: как люди одомашнили пивные дрожжи

Кевин Верстрепен (в центре) возглавляет дегустацию пива в его лаборатории.

Генетики проследили историю самого важного ингредиента пива — дрожжей. Секвенировав геномы почти 200 современных штаммов пивных дрожжей, исследователи открыли, как на протяжении сотен лет люди превращали дикий грибок Saccharomyces cerevisiae во множество штаммов, предназначенных для производства конкретных алкогольных напитков.

Из-за дрожжей у пива есть опьяняющий эффект и пузырьки, поскольку в процессе ферментации они превращают сахар в алкоголь и углекислый газ. Но они также вырабатывают сотни химических веществ, придающих напитку различный вкус — от банана до гвоздичного дерева.

Пивные дрожжи различаются в производстве метаболитов и по другим признакам, таким как их толерантность к алкоголю. Чтобы понять основу этих различий, руководимая генетиком Кевином Верстрепеном (Kevin Verstrepen) команда исследователей из Лёвенского Университета (нидерл. Katholieke Universiteit Leuven) и Фламандского Института Биотехнологий (фламанд. Vlaams Instituut voor Biotechnologie) в Бельгии секвенировала геномы 157 штаммов S. cerevisiae, используемых в производстве пива и других продуктов ферментации, в том числе вина, саке и хлеба. Их работа подробно описывается в статье, опубликованной 8 сентября в журнале Cell.

Оказалось, что эволюционное древо штаммов дрожжей включает в себя различные семейства одноклеточных грибов, используемых для производства сакэ, вина и хлеба, и две отдалённо родственные группы пивных дрожжей, в том числе дрожжей из Бельгии, Германии, Британии и США.

«Это генетическая энциклопедия пивных дрожжей, которая будет служить исследователям ещё долгие годы», — сказал Крис Хиттингер (Chris Hittinger), эволюционный генетик из Висконсинского университета в Мадисоне (University of Wisconsin—Madison).

Тем временем команда Верстрепена использует геномику, чтобы создавать новые штаммы пивных дрожжей.

Древний алкогольный напиток

Пиво — один из древнейших алкогольных напитков. На шумерской табличке возрастом пять тысяч лет изображена древняя пивная попойка, в то время как котлы того же возраста из западного Ирана и северного Китая содержат остатки пивных ингредиентов, в том числе ячмень и побочные продукты брожения. Принимая во внимание древнюю историю пивоварения, Верстрепен думал, что предки современных пивных дрожжей появились тысячи лет назад.

Однако его команда определила, что люди начали одомашнивать пивные дрожжи в конце XVI — начале XVII веков. Это совпадает с периодом, когда пивоварение переместилось из домов в пабы и монастыри. Верстрепен предполагает, что ранние профессиональные пивовары брали дрожжи с собой, когда они перемещались по Европе, и даже завезли их в Новый Свет: штаммы пивных дрожжей в США, например, близкородственны британским.

Пивовары не изолировали первые штаммы дрожжей, по крайне мере, до конца XIX века, но они могли невольно сформировать геномы дрожжей, варя каждую новую партию пива с остатками предыдущей, предполагает Верстрепен. Таким образом, пивовары могли постепенно проводить селекцию штаммов дрожжей, которые эффективны и придают пиву желаемый вкус.

Независимая команда исследователей под руководством Жозе Паулу Сампайо (José Paulo Sampaio), эволюционного генетика из Нового университета Лиссабона (порт. Universidade Nova de Lisboa), после того как секвенировала геномы 28 штаммов дрожжей, пришла во многом к тем же выводам, что и команда Верстрепена. Результаты их исследования будут опубликованы в следующем месяце в журнале Current Biology.

Хиттингер сказал, что он не уверен в том, что пивные дрожжи были одомашнены в 1600-х. Эта датировка основана на частоте мутаций ДНК пивных дрожжей, которая в 50 раз быстрее по сравнению с оценками других исследований. Более медленная частота мутаций будет означать, что одомашнивание пивных дрожжей произошло гораздо раньше, чем показывают результаты исследования. Но Верстрепен выступает за эту датировку: мутации дрожжей ускоряются, когда они живут в алкогольной среде, отметил он.

Генетически модифицированное пиво

Хотя почти все промышленные дрожжи обладают признаками вмешательства человека, геномы пивных дрожжей были изменены в наибольшей степени: их штаммы несут вариации и дупликации генов, участвующих в переработке мальтозы и мальториозы — основных сахаров в пиве.

Большинство пивных дрожжей несут также генетические вариации, ограничивающие выработку 4-винилгваякола, придающего пиву запах гвоздичного дерева или дыма, вызывающий отвращение у многих любителей этого напитка. Исключением были дрожжи, использовавшиеся в Германии для производства сортов пшеничного пива под названием Хефевайцен (Hefeweizen), обычно пахнущего гвоздичным деревом. Геномы этих штаммов пивных дрожжей содержат отрезки ДНК — в том числе гены, производящие 4-винилгваякол, — происходящие, по-видимому, от винных дрожжей. Верстрепен думает, что эти штаммы возникли, когда пивные дрожжи гибридизировались с винными дрожжами, получив способность производить пахнущее гвоздичным деревом вещество.

Секвенирование дрожжевых геномов может способствовать радикальным переменам в производстве пива. В лаборатории Верстрепена разводятся различные штаммы дрожжей и отбираются гибриды с нужным набором генетических вариаций. Исследователи создали гибридный штамм с высокой толерантностью к алкоголю, не вырабатывающий 4-винилгваякол.

В его лаборатории используются генетически модифицированные дрожжи, для создания пива с высоким содержанием имеющего банановый вкус вещества. Но он распространяет только дрожжи, созданные посредством традиционной селекции на пивоварнях. Лорен Миралья (Loren Miraglia), генетик и домашний пивовар из Сан-Диего, предоставивший некоторые из секвенированных штаммов, думает о модифицировании пивных дрожжей при помощи инструментов редактирования генома (CRISPR), используемых им в институте геномики. Однако он сомневается, что потребители готовы к CRISPR-пиву.

Хиттингер представляет, что будут выпускаться пивные бутылки с этикетками, информирующими о признаках пивных дрожжей, таких как выработка 4-винилгваякола, которая определяется вариациями генов PAD1 и FDC1. «Это один из основных вкусов, из-за которого мне не нравятся некоторые сорта пива. — Сказал он. — Я бы предпочёл проверять происхождение пива, прежде чем купить его».

Дрожжи — внетаксономическая группа одноклеточных грибов, утративших мицелиальное строение в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких, богатых органическими веществами субстратах. Объединяет около 1500 видов, относящихся к отделам аскомицетам и базидиомицетам.

Дрожжи, вероятно, одни из наиболее древних «домашних организмов». Тысячи лет люди использовали их для ферментации и выпечки. Для начала сбраживания нового субстрата люди использовали остатки старого. В результате в различных хозяйствах столетиями происходила селекция дрожжей и сформировались новые физиологические расы, не встречающиеся в природе, многие из которых даже изначально были описаны как отдельные виды. Эти расы являются такими же продуктами человеческой деятельности, как сорта культурных растений.