Глубокий анализ пивных дрожжей раскрывает разнообразие, освоенное человеком

Тысячи лет назад, одомашнивая диких животных и растения, люди также невольно одомашнили скрытого "тяжеловоза" цивилизации — дрожжи.

Сегодня Saccharomyces cerevisiae — основа пищевых культур по всему миру. Эти дрожжи превращают муку в хлеб, а сладкие напитки — в пиво и вино. Однако недавние исследования показали, что S. cerevisiae не всегда действует в одиночку. Учёные выяснили, что лагер, самый популярный сорт пива, производится гибридом S. cerevisiae и его более дикого родственника S. eubayanus. Этот гибрид попал в немецкие пивоварни сотни лет назад и положил начало индустрии стоимостью в сотни миллиардов долларов.

В новом, самом глубоком на сегодня анализе разнообразия этих дрожжей учёные из Университета Висконсин-Мэдисон раскрыли головокружительную сложность, скрытую в бутылках пива, вина и сидра. Секвенировав геномы более 100 гибридных дрожжей, исследователи обнаружили семь различных комбинаций видов, многие из которых связаны с уникальными ферментированными напитками. Некоторые дрожжи оказались гибридами аж четырёх видов.

Команда также раскрыла генетическую основу некоторых определяющих черт дрожжей для ферментации. Чистый, свежий вкус лагеров обеспечивают дрожжи, способные выживать при низких температурах брожения и утратившие гены, ответственные за "фанковые" ароматы. Гвоздичные оттенки вкуса в других стилях пива зависят как раз от тех генов, от которых избавились лагерные штаммы.

Новая сокровищница геномных данных позволит исследователям глубже изучить множество тонких характеристик, формирующих разнообразие напитков. Создавая новые гибриды в лаборатории, учёные смогут развивать уникальные свойства ферментированных напитков.

Исследование под руководством профессора генетики Криса Тодда Хиттингера и аспиранта Куинна Лэнгдона было проведено в сотрудничестве с учёными из Испании, Франции, Португалии и Аргентины и опубликовано 21 октября в Nature Ecology & Evolution.

Масштаб гибридного разнообразия

Для текущего исследования Хиттингер и Лэнгдон проанализировали множество ранее опубликованных геномов дрожжей и секвенировали новые штаммы, некоторые из которых были получены из магазинов для домашнего пивоварения. Большинство гибридов имели только два родительских вида, но у некоторых было три или даже четыре родителя. Это исследование удвоило число известных тройных и четверных гибридов.

Некоторые гибриды чаще встречались в винах холодного брожения и бельгийском пиве, другие — в шампанском и сидре. Большинство было выделено из лагеров.

Генетика вкуса: от "фанка" до чистоты

Ключевое различие между дрожжами для лагера и другими — производство резких ароматов, создаваемых химическими веществами фенолами. Эти оттенки могут напоминать специи или гвоздику и желательны в некоторых сортах пива. Исследователи обнаружили ответственные за это гены в рабочем состоянии у многих не-лагерных штаммов. Лагеры лишены этих ароматов, что даёт им узнаваемый чистый вкусовой профиль.

Изучая две основные линии лагерных дрожжей (обе — гибриды S. cerevisiae и S. eubayanus), исследователи подтвердили, что у них отсутствуют рабочие гены для этих ключевых фенолов. Однако команда выяснила, что линии Saaz и Frohberg утратили гены разными путями. В то время как у дрожжей Frohberg сохранилась сломанная версия ключевого гена, у дрожжей Saaz оба важных гена утрачены полностью.

"Дрожжи приходят к одной и той же конечной точке, дающей им приятный чистый вкус, но конкретные молекулярные механизмы, как они к этому пришли, различаются. Это сигнал, что это очень важный признак одомашнивания", — говорит Хиттингер.

Роль диких предков

Исследователи обнаружили, что все родители S. cerevisiae происходят от трёх основных, ранее одомашненных линий, ответственных за эль или вино. Гибриды образовались, когда эти одомашненные штаммы встретились со своими дикими родственниками из Северного полушария.

Примечательно, что подавляющее большинство гибридов унаследовали свою митохондриальную ДНК (небольшой фрагмент, управляющий выработкой энергии в клетке) от диких дрожжевых родителей, а не от одомашненного S. cerevisiae. Ранее лаборатория Хиттингера показала, что "дикие" митохондриальные геномы позволяют дрожжам бродить при низких температурах, как при производстве лагера.

"Это история "нужное место, нужное время": эти дикие популяции смогли встретиться с одомашненным S. cerevisiae. Затем среда ферментации, в которой они оказались, отбирала важные признаки от каждого родителя", — говорит Лэнгдон.

Дикие гибриды без S. cerevisiae

Одна группа гибридов вообще не имела родителя S. cerevisiae. Эти дрожжи были комбинациями близкородственных видов S. eubayanus и S. uvarum. Они были выделены из самых разных источников — из вина, сидра, пива, фруктов и окружающей среды. Часто считаясь контаминантами на пивоварнях из-за производства резких ароматов, эти более дикие гибриды также могут быть ключом к созданию уникальных вкусов определённых стилей напитков.

В целом, исследователи нашли доказательства того, что отбор пивоварами, виноделами и сидроделами на протяжении тысячелетий использовал огромное разнообразие рода Saccharomyces для развития уникальных мировых стилей ферментированных напитков.

"Мы узнали больше о том, как лагерные дрожжи избавились от нежелательных ароматов. Теперь мы начинаем больше задумываться о генетической основе вкусов, которые хочется ощущать в пиве", — говорит Хиттингер.