Гены, обеспечившие успех лагерных дрожжей: любовь к холоду и сахарам

Лагер — это холодное, освежающее, сухое пиво, стоящее около полутриллиона долларов на мировом рынке.

В основе самого популярного в мире алкогольного напитка лежат дрожжи, адаптированные к холоду и "жадные" до сахаров, которые они превращают в пузырьки и алкоголь.

Эти дрожжи являются гибридом, слиянием одомашненных пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae и недавно открытого дикого вида Saccharomyces eubayanus. Сотни лет назад два вида объединили свои сильные стороны в холодоустойчивый штамм, легко дающий тот самый свежий, легкий вкус, который в последующие века стал доминировать на пивном рынке.

В двух новых статьях профессор генетики Университета Висконсин-Мэдисон Крис Тодд Хиттингер, его аспирантка ЭмилиКлэр Бейкер и другие показывают, как современные лагерные дрожжи приобрели ключевые для их успеха черты: любовь к холоду и "прожорливость" к сахарам.

Холодоустойчивость от митохондрий

В статье, опубликованной 1 февраля в Science Advances, команда демонстрирует, что когда холодолюбивый S. eubayanus передал гибриду свои митохондрии (энергогенерирующую часть клетки), он наделил штамм устойчивостью к холоду. Сегодня все промышленные лагерные штаммы сохраняют митохондрии S. eubayanus и ферментируют при низких температурах.

Исследователи создали два идентичных набора гибридов, отличающихся только происхождением митохондрий: от S. cerevisiae или от S. eubayanus. Различия в росте при разных температурах были очевидны: дрожжи с митохондриями S. eubayanus переносили холод, но плохо росли в тепле; штаммы с митохондриями S. cerevisiae не справлялись с холодом.

"При экстремальных температурах это, по сути, разница между ростом и его отсутствием", — говорит Хиттингер.

Эта работа открывает путь к созданию новых штаммов для пивоварения с измененными температурными предпочтениями.

Эволюция "прожорливости" к сахарам

Во второй статье, опубликованной на препринт-сервере bioRxiv перед публикацией в PLOS Genetics, Бейкер и Хиттингер исследовали способность S. eubayanus сбраживать все сахара в сусле (экстракте ячменного солода). Большинство штаммов S. eubayanus не могут ферментировать мальтотриозу, второй по распространенности сахар в сусле.

Исследователи вырастили S. eubayanus на среде с мальтотриозой, позволив дрожжам медленно размножаться. Более чем через 2000 поколений они обнаружили штамм, способный усваивать этот сахар. В его геноме нашли новый химерный ген, скомбинированный из фрагментов двух генов, транспортирующих родственную мальтозу.

"Это было особенно интересно, потому что ни один из этих генов сам по себе не мог транспортировать мальтотриозу, но новый химерный ген — мог", — говорит Бейкер.

Этот механизм позволил дрожжам быстро эволюционировать новый признак без накопления множества медленных случайных мутаций.

Практическое значение

Новое исследование впервые выявило генетическую основу двух определяющих черт производства лагера — холодоустойчивости и полного сбраживания сахаров — у S. eubayanus и его гибридного потомства. Хиттингер и Бейкер подали заявки на патенты, основанные на их работе.

• Температура: Сдвиг производства лагера на более высокие температуры с использованием подобранных митохондрий может привести к огромной экономии средств.
• Сахар: Новый транспортер мальтотриозы может помочь создать менее приторные и более сухие сорта пива на основе чистого S. eubayanus, сохранив при этом его дикий характер.

Группа Хиттингера уже сотрудничает с пивоварами, включая Wisconsin Brewing Company, для тестирования новых дрожжевых штаммов в реальных условиях.