Записки одомашнених дріжджів

Записки одомашнених дріжджів

Чи можна одомашнити створіння, про існування якого навіть не підозрюєш? Виявляється, можна. Саме це трапилось з дріжджами Saccharomyces cerevisiae. Їх здатність перетворювати цукор на спирт та ароматні сполуки люди почали вдосконалювати за кілька століть до відкриття цих мікроорганізмів, хоч і значно пізніше, ніж з'явилось перше пиво. І цей процес можна з повним правом назвати доместикацією.

Доместикація чи домашній арешт?

Процес одомашнення тварин і культурних рослин описано вельми докладно, тоді як 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 родичів, а також один від одного. Однак ці відмінності могли виникнути як в ході цілеспрямованого добору цінних для людини ознак, так і в результаті географічної ізоляції дріжджів і їх обмеженої різноманітності в кожній області. Якщо бельгійські дріжджі, одного разу потрапивши на пивоварню, більше ніколи її не покинуть, то з часом вони мимоволі стануть відрізнятись від, скажімо, британських. Але як промислові дріжджі здобули свої особливості? На жаль, пивовари і пекарі давнини не залишили записок, втім можна прочитати дріжджовий геном, а краще декілька.

Доместикація — це спрямований добір за потрібними людині ознаками і адаптація до певних умов життя, часто вкрай далеких від природних. В якому б напрямку (врожайність, забарвлення хутра, розмір тіла) цей добір не йшов, він завжди призводить до характерних змін, добре відомих на прикладах багатьох одомашнених тварин і рослин. Вони мають яскраво виражені ознаки, корисні людям, але не потрібні їх власникам (принаймні, не в такій мірі). У них порушене статеве розмноження. Ці ознаки дозволяють існувати в середовищі, створеному людиною, проте в природних умовах одомашнені види почувають себе, в кращому випадку, некомфортно.

Доместикація залишає характерні мітки в геномі: деякі ділянки ДНК подвоюються, інші губляться, змінюється копійність генів, а іноді і цілих хромосом. Іншими словами, геном псується. Якщо генотипні і фенотипні особливості, характерні для одомашнених видів, буде виявлено і у промислових штамів дріжджів, це послужить доказом їх доместикації.

Дріжджове древо

Таке дослідження провели вчені з Бельгії та США під керівництвом Кевіна Верстрепена, ад'юнкт-професора Католицького університету Левена, і Стівена Маре з Гентського університету. Вони секвенували і описали геноми 157 штамів дріжджів S. cerevisiae, які використовують для виробництва тіста, вина, пива, спирту, саке і біоетанолу, та порівняли їх з дикими і лабораторними штамами, зібраними на різних континентах. Дріжджі можуть існувати в диплоїдному і гаплоїдному 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 предкових штамів, які адаптувались до створеного людиною середовища. Дослідники склали філогенетичне древо промислових дріжджів, які поділяються на п'ять клад. (Клада у біологів — група організмів, до якої входять спільний предок і всі його прямі нащадки.) Одна з них включає азійські штами виробників саке, інша — переважно винні дріжджі. Є одна змішана клада, що об'єднує всі пекарські штами (серед них і ті, завдяки яким ми можемо поласувати піцою від https://dominos.ua/ru/Pizza/) 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».

Спиртові штами не утворюють особливої групи і розбіглись по всьому древу. Очевидно, вони виникли в результаті добору, яким займаються різні компанії, що продають дріжджі для виробництва спирту. Крім того, спиртові дріжджі, на відміну від пивних чи пекарських, повторно не використовують, тому 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 спільний предок, і вони в родинних стосунках з дикими і біоетанольними штамами з Китаю. А північноамериканські дріжджі для виробництва етанолу споріднені з тими, що використовують у Бразилії для отримання спирту з цукрової тростини. Клада «Пиво 1» розпадається на три підгрупи: штами континентальної Європи (Бельгії та Німеччини), Великобританії і США. Пивні дріжджі Північної Америки, на відміну від біоетанольних, явно походять від британських штамів, а не місцевих. Клада «Пиво 1» рано відокремилась від інших груп і розвивалась незалежно. Клада «Пиво 2» виникла пізніше і пов'язана з винними дріжджами, до неї входить п'ята частина всіх винних штамів. Вона об'єднує дріжджі з Бельгії, Великобританії, США, Німеччини та Східної Європи, але чіткого географічного поділу всередині неї немає. Наявність двох великих, генетично різних джерел пивних дріжджів говорить про те, що їх одомашнення відбувалось в Європі, двічі і незалежно, причому одна з цих подій дала початок як винним, так і пивним дріжджам («Пиво 2»).

На кожній пивоварні для виробництва різних сортів пива зазвичай використовують один і той же штам, тому подальшого дроблення всередині пивних клад не відбулось. Винятком стали 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 він проявився у пивних штамів, і пов'язано це зі специфікою пивоваріння.

Пиво варять цілий рік, причому стару пивну гущу з дріжджами не викидають, а використовують для зброджування нової порції. Таким чином, пивні дріжджі довго і безперервно перебували в стабільному і ситному середовищі. Вчені підрахували, що з часу початку добору пройшло не менше 75 тисяч дріжджових поколінь. Опинившись в нових умовах, пивні дріжджі за непотрібністю втратили багато ознак, необхідних для виживання в суворому природному середовищі. Перш за все, значна частина пивних штамів повністю розпрощалась зі статевим розмноженням.

В природних умовах S. cerevisiae розмножуються як безстатевим шляхом, так і статевим. За сприятливих обставин вони розмножуються брунькуванням: на малюнку на початку статті видно круглі шрами, залишені дочірніми клітинами, що відбрунькувались. У стресовій ситуації (холод, голод або нестача вологи) дріжджі перемикаються на статеве розмноження і утворюють спори, які дозволяють пережити важкий період. В пивоварні дріжджі чудово обходяться без статевого розмноження, більше половини штамів «Пива 1» тільки брунькуються, у інших спори часто нежиттєздатні. Така особливість в інших промислових кладах рідкісна (не більше 21%), а у диких дріжджів не зустрічається зовсім.

Спиртові і винні штами не можуть собі дозволити відмову від статевого розмноження. Чисті дріжджові культури винороби почали використовувати лише з початку ХХ століття, до цього вони кілька тисяч років вдовольнялись природними дріжджами. Винні дріжджі ростуть тільки у вині, а сезон виноробства короткий. Значну частину року вони проводять на виноградниках і в кишечниках комах. Під час цих голодних періодів винні дріжджі майже не розмножуються брунькуванням, але можуть розмножуватись статевим шляхом і навіть схрещуватись з дикими дріжджами. Більше того, лише невелика частина винних дріжджів знову потрапить в виноградне сусло в наступному сезоні. Ні, таке життя явно не дозволяє обмежитись брунькуванням. В результаті на винних дріжджах вплив людини позначається значно слабкіше, ніж на пивних. Завдяки статевому розмноженню і схрещуванню з дикими видами, а також нетривалому перебуванню в антропогенному винному середовищі, вони еволюціонують набагато повільніше за пивні.

Спирт, цукор і аромат гвоздики

Люди не замислювались над тим, чи можуть дріжджі утворювати спори. Ось щоб вони швидко росли — це важливо. (Розмноження брунькуванням, звичайно, швидше за статеве.) А ще люди хочуть отримувати смачний, добре засвоюваний, придатний для довгого зберігання і заспокійливий завдяки присутності етанолу продукт. Перш за все від дріжджів вимагається синтезувати етиловий спирт, і в результаті добору вони навчились виробляти його у великих кількостях і існувати в досить концентрованому спиртовому розчині. Пивні штами виробляють 7,5-10 об'ємних відсотків етанолу, а дріжджі, використовувані для приготування міцніших напоїв — саке, спирту, вина і особливо біоетанолу, можуть виробляти 14,5%-вий розчин. В природі таких умов немає, і ці якості непотрібні.

Спирт утворюється в результаті розщеплення цукрів, і дріжджі повинні їх активно засвоювати. Пивні штами явно пройшли добір на інтенсивне розщеплення мальтотріози, одного з основних цукрів пивного сусла. Ця здатність залежить від специфічного алеля AGT1 гена MAL11, присутнього тільки в дріжджах «Пива 1» і деяких штамах змішаної клади. У винних дріжджів ген MAL11 і навіть локус MAL1 повністю відсутні.

Крім спирту, дріжджі синтезують різні речовини, які надають продуктам приємного запаху і смаку. Але деякі аромати, навіть найприємніші, не завжди доречні. Одна 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 гени: PAD1 і FDC1. Вони допомагають знешкоджувати токсичну фенілакрилову 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, втратили здатність синтезувати 4-ВГ. Дослідники виявили в їх геномі мутації, що порушують функції PAD1 і FDC1. Аналіз генома показав, що мутації в обох генах відбулись дуже рано, на самому початку розходження S. cerevisiae і спорідненого виду S. paradoxus від спільного предка. Пекарські і біоетанольні дріжджі зберегли гени PAD1 і FDC1: 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 до клади «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 мальтотріозу і гени синтезу 4-ВГ.

В геномах промислових штамів вчені виявили всі порушення, властиві одомашненим видам: поліплоїдію і брак хромосом, перебудови, делеції і дуплікації, зміни копійності генів. Наприклад, багато генів, залучених в переробку мальтотріози, ампліфіковані у пивних і саке-дріжджів, але часто втрачені у винних. Однак копійність генів, відповідальних за базовий метаболізм вуглецю і азоту, транспорт іонів і флокуляцію (здатність дріжджів після закінчення ферментації збиратись у грудочки і осідати на дно ємності, де відбувалось бродіння), збереглась.

Одомашнення до відкриття

Отже, дріжджі мають всі специфічні риси одомашненого організму: розладжений геном, господарсько-цінні ознаки, адаптацію до життя в антропогенному середовищі і втрату статевого розмноження. Їх різноманітність і характерні ознаки викликані більшою мірою одомашненням, ніж географічною ізоляцією. Питання в тому, коли це одомашнення відбулось.

Люди варили пиво ще 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 здогадувались. 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 у 1857 році, 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 дізнались, з чим вони мають справу, і змогли приступити до свідомого добору. Однак аналіз генома показав, що одомашнення дріжджів почалось набагато раніше.

Дослідники врахували, що американські пивні штами походять від британських, а британські колоністи з'явились в Америці на початку XVII століття. Пивні дріжджі розмножуються лише брунькуванням і діляться приблизно тричі на тиждень, отже, за рік змінюється приблизно 150 поколінь. Підрахувавши частоту мутацій, вчені визначили, що розходження між субкладами «Пива 1» відбулось 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, час від часу, а постійно. Крім того, професійні пивовари мали звертати особливу увагу на якість своєї продукції. Все це створило умови для неусвідомленого поки добору, тобто доместикації, дріжджів. Помітну роль в одомашнюванні зіграла ізоляція — з'явились лінії дріжджів, які постійно перебували у створених людиною середовищах, втративши зв'язок із зовнішнім світом. Субклада «Пиво 2» утворилась пізніше, в 1645-1671 роках, але все одно задовго до робіт Пастера і Хансена.

Важко підрахувати, скільки різних штамів і в якому контексті було одомашнено, обмежена кількість клад промислових дріжджів і їх чітка відмінність від диких родичів дозволяє припустити, що сучасні промислові дріжджі походять від невеликого числа предкових штамів або від їх близькоспоріднених груп.

Тепер, коли люди знають не лише про існування дріжджів, але і про функції, які виконують різні їх гени, і про особливості геномів різних штамів, ми можемо продовжувати добір «з відкритими очима» і отримувати нові промислові дріжджі небаченої раніше якості.

 

 

Коментарі

Ввійдіть або зареєструйтесь, щоб залишати коментарі.
Читайте також

Вилов риби і полювання призводять до того, що людина змінює не тільки чисельність особин того чи іншого виду, але й еволюційні шляхи розвитку популяцій. Найчастіше від цього страждають промислові види риб і тварини, на яких полювання офіційно дозволене. У деяких випадках люди розігнали зміну характерних рис до неймовірних швидкостей, а заходи, що вживаються природоохоронними організаціями, цьому тільки сприяють.

X

Вхід

Завантажую...