Национальная коллекция дрожжевых культур: больше, чем хлеб и пиво
Дрожжи — один из древнейших биологических инструментов человечества. Древнейшие письменные источники содержат рецепты хлеба и пива, для приготовления которых используются дрожжи.
Пивоваренные дрожжи Saccharomyces cerevisiae широко используются в продуктах, которые мы потребляем ежедневно. Однако эти древние одноклеточные грибы становятся определяющим организмом современной эпохи. Дрожжи можно использовать в биорефинериях для производства биотоплива, а также базовых химических веществ для медицинских и промышленных процессов. Кроме того, дрожжи — ключевой модельный организм в синтетической биологии, а сконструированные или даже реконструированные искусственные штаммы могут производить топливо, продукты питания и фармацевтические препараты будущего.
«Каменный век закончился не потому, что у нас закончился камень, и нефтяной век закончится не потому, что у нас закончится нефть. Мы найдем лучшие, более возобновляемые и экологичные способы производства топлива, и у дрожжей есть множество генов для этого», — говорит д-р Ян Робертс, куратор Национальной коллекции дрожжевых культур (NCYC).
«Мы рассматриваем дрожжи как ключевую технологию. Конечная цель — чтобы будущие студенты программировали геномы дрожжей так же, как сегодняшние студенты программируют компьютерные приложения», — говорит Робертс.
NCYC смотрит в будущее (она является частью программы Synthetic Yeast 2.0), но также обслуживает текущие потребности промышленности: идентифицируя, секвенируя ДНК и сохраняя более 4000 чистых референсных образцов на миллионы фунтов для пивоваренных и биотехнологических компаний по всему миру. Этот уровень знаний и база навыков для промышленности делают ее Национальным потенциалом (National Capability), финансируемым BBSRC.
Коллекция также помогает микропивоварням возрождать традиционные рецепты эля, используя старые штаммы дрожжей, хранившиеся десятилетиями в жидком азоте. Это отвечает растущему спросу на «ностальгическое пиво» и поддерживает многомиллиардную британскую пивоваренную промышленность.
Культурный клуб
Коллекция дрожжей была основана в 1948 году, когда британские пивовары осознали ценность своих дрожжевых культур и поместили их на безопасное хранение. По оценкам Робертса, в текущей коллекции NCYC содержится около 4–500 штаммов от пивоваров, включая, например, Saccharomyces carlsbergensis — дрожжи оригинальной пивоварни Carlsberg lager.
В 1981 году коллекция переехала в IFR, пополнившись дрожжами, портящими пищу и устойчивыми к обычным консервантам. В 1999 году коллекция стала частью UKNCC. В 2012 году NCYC стала финансируемым BBSRC Национальным потенциалом.
Эти операции включают услуги по идентификации и секвенированию с использованием современных методов ДНК-секвенирования, доступных как внутри организации, так и в TGAC. NCYC также хранит ценные штаммы в безопасном депозите.
«Мы отправили ампулу в тот же день, когда получили запрос от затопленной пивоварни. Мы поставили дрожжи Marston's, которые смогли продолжить пивоварение на другой площадке и в конечном итоге восстановить запасы на оригинальной пивоварне», — говорит менеджер коллекции NCYC Крис Бонд.
Это возможно, потому что основная часть коллекции сохраняется в жидком азоте при -196°C, что фактически вводит дрожжи в состояние стазиса. В таком состоянии они могут оставаться десятилетиями и быть восстановлены за несколько дней для распространения по всему миру. Образцы отправляются в стерильных стеклянных ампулах в лиофилизированном виде, но также могут поставляться живые культуры в Китай, США, Австралию и большую часть Европы.
Кроме хранения, NCYC действует как информационный центр, предоставляя консультации по метаболизму сахаров определенными штаммами, управлению коллекциями генетических ресурсов и обеспечению доступа к ним для других исследовательских сообществ.
Цепная реакция
Современное применение дрожжей — в промышленной биотехнологии. Ключевое направление деятельности NCYC — использование дрожжей для производства топлива и химикатов. Для этого разные штаммы подаются в экспериментальную биорефинерию на площадке IFR, где они метаболизируют сахара из агропищевых отходов (например, пшеничной соломы) в жидкое биотопливо.
Исследователи стремятся расширить спектр субстратов, которые могут использовать дрожжи, и повысить их устойчивость. При разрушении пшеничной соломы высвобождается много химических ингибиторов, замедляющих полезные метаболические реакции. Штаммы, используемые в пивоварении, не могут работать в более жестких условиях изменчивой биомассы, поэтому NCYC ищет другие штаммы дрожжей или их комбинации, способные преодолеть эти ингибиторы.
Также ведутся поиски дрожжей, способных метаболизировать такие материалы, как морские водоросли, для выращивания которых не требуется сельскохозяйственная земля.
«Наша первоначальная работа была сосредоточена на производстве этанола. Теперь мы работаем с NCYC, чтобы изучить потенциал производства базовых химических веществ, используя биоразнообразие в коллекции дрожжей», — говорит профессор Кит Уолдрон, руководящий программой исследований биорефинерии в IFR.
Джинн из гена
Дрожжи находятся на переднем крае создания не просто сконструированных организмов, а совершенно новых классов микроорганизмов.
Программа Synthetic Yeast 2.0, финансируемая BBSRC и EPSRC, теперь нацелена на создание целого генома дрожжей — впервые для эукариотического (небактериального) организма.
«Мы предоставляем консультации по управлению и распространению коллекций синтетических дрожжей в рамках своего мандата "Национального потенциала BBSRC"», — говорит Робертс.
Synthetic Yeast 2.0 — это масштабная программа с участием collaborators из Великобритании, США, Китая и Индии. Каждая команда отвечает за создание одной из 16 отдельных хромосом дрожжей, составляющих 6000 генов полного генома.
NCYC также тесно связана с проектом 1002 Yeast Genomes, целью которого является секвенирование и сборка полных геномов 1002 штаммов S. cerevisiae для связи фенотипических признаков дрожжей с их генетическими последовательностями.
«В этом проекте у нас есть дополнительная ответственность по поиску, идентификации и отбору новых изолятов для проекта "1002"», — говорит Робертс.
Пабная жизнь
Дрожжи играют важную роль в решении проблем настоящего и будущего, но это не значит, что забыты традиционные способы их использования. Вкусы изменились: продажи традиционного эля в Великобритании выросли вместе с появлением небольших микропивоварен.
Как часть этого движения, энтузиасты традиционного эля обратились к прошлому, чтобы воссоздать старые сорта пива в так называемом «ностальгическом пивоварении». Для этого им нужны дрожжи, которые использовались в то время, и здесь может помочь NCYC.
«Возрождение этих элей вызывает растущий интерес», — говорит Робертс. «У нас нет древних пив, но у нас есть дрожжи, которые использовались для их производства, и часто рецепты все еще доступны в пивоваренной промышленности. Таким образом, чтобы возродить традиционный эль, если у них есть рецепт, а у нас есть дрожжи, они могут объединить их и создать пиво, подходящее для рынка».
Рост потребления эля противостоит тенденции закрытия пабов и общему снижению потребления алкоголя на человека в Великобритании. Учитывая, что пивоварение в Британии — это многомиллиардная индустрия, ценность национального ресурса пивоваренных дрожжей — это повод для тоста.
Хранение, подсчет и транспортировка дрожжей
Д-р Стив Джеймс, молекулярный таксономист дрожжей в NCYC, объясняет свою роль и интерес к биоразнообразию дрожжей, а также то, как их хранят и отправляют по всему миру.
«Мой особый интерес — биоразнообразие дрожжей из различных мест обитания и расширение общего разнообразия в коллекции для академического и промышленного использования».
Общее количество обнаруженных видов дрожжей составляет около 1500, и по консервативным оценкам, предстоит открыть в 10–100 раз больше. Дрожжи встречаются по всему земному шару: от Антарктики до Арктики, на суше, в воздухе и в море, даже на большой глубине.
При получении потенциально новых видов ученые сравнивают определенные последовательности ДНК с базой данных всех известных 1500 видов. Если совпадений с существующими последовательностями нет, это указывает на новый вид.
В долгосрочной перспективе цель — связать фенотип с генотипом. В проекте 1002 Yeast Genomes одна из ключевых ролей NCYC — подтвердить видовую принадлежность отдельных штаммов дрожжей (как S. cerevisiae), отобранных для секвенирования генома.
«С точки зрения того, что могут делать дрожжи, это, вероятно, сравнимо с бактериями: всевозможные процессы, от клинических интересов до исследований с дрожжами как модельным организмом. Многое в геноме сравнимо между человеком и дрожжами, поэтому их можно использовать и с биомедицинской точки зрения».
На площадке IFR установка парового взрыва разрушает агропищевой материал и высвобождает сахара, которые дрожжи превращают в спирт и другие соединения. Можно использовать разные виды дрожжей для метаболизма, например, ксилозы, а также сахарозы и фруктозы, как по отдельности, так и в комбинации.
Благодаря соседству IFR, Университета Восточной Англии и Центра Джона Иннеса на Норвичском исследовательском парке, сейчас exciting время, чтобы объединить всю эту работу.