Хмелевое пиво в моде среди крафтовых пивоваров и любителей пива, и теперь биологи Калифорнийского университета в Беркли придумали способ создания этих уникальных вкусов и ароматов без использования хмеля.
Исследователи создали штаммы пивных дрожжей, которые не только способствуют брожению пива, но и придают ему две характерные вкусовые ноты, обеспечиваемые хмелем. В ходе двойного слепого тестирования вкуса сотрудники пивоваренной компании Lagunitas Brewing Company в Петалуме, штат Калифорния, охарактеризовали пиво, приготовленное из модифицированных штаммов, как более хмелевое, чем контрольное пиво, приготовленное с использованием обычных дрожжей и хмеля Cascade.
Брайан Дональдсон, менеджер по инновациям в Lagunitas, обнаружил нотки «фруктовых петель» и «флердоранжа» без посторонних привкусов.
Почему пивовары хотят использовать дрожжи вместо хмеля для придания вкуса и аромата? По словам Чарльза Денби, одного из двух первых авторов статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Communications, для выращивания хмеля требуется много воды, не говоря уже об удобрениях и энергии для транспортировки урожая, а всего этого можно было бы избежать, используя дрожжи для сделайте хмелевой настой. Пинта крафтового пива может потребовать 50 пинт воды только для того, чтобы вырастить хмель, который представляет собой высушенные цветки вьющегося растения.
«Я надеюсь, что если мы сможем использовать эту технологию для производства отличного пива, которое производится с использованием более устойчивого процесса, люди это примут», - сказал Денби.
Ароматические компоненты хмеля, или эфирные масла, также сильно меняются от года к году и от участка к участку, поэтому использование стандартизированных дрожжей позволит добиться однородности вкуса. И хмель дорогой.
Бывший научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, Денби запустил стартап под названием Berkeley Brewing Science вместе с Рэйчел Ли, вторым первым автором и докторантом Калифорнийского университета в Беркли. Они надеются продавать пивоварам хмелевые дрожжи, в том числе штаммы, которые содержат больше натуральных компонентов хмелевого вкуса, и создавать другие штаммы, которые включают новые растительные ароматы, не типичные для пива, сваренного из канонических ингредиентов: воды, ячменя, хмеля и дрожжей.
Использование ДНК-ножниц
Сконструированные штаммы дрожжей были изменены с помощью CRISPR-Cas9, простого и недорогого инструмента для редактирования генов, изобретенного в Калифорнийском университете в Беркли. Денби и Ли вставили четыре новых гена плюс промоторы, регулирующие гены, в промышленные пивные дрожжи. Два гена - линалоолсинтаза и гераниолсинтаза - кодируют ферменты, производящие вкусовые компоненты, общие для многих растений. В данном случае гены произошли от мяты и базилика соответственно. С генами других растений, которые, как сообщалось, обладают активностью линалоолсинтазы, таких как олива и клубника, работать было не так просто.
Два других гена были получены из дрожжей и стимулировали производство молекул-предшественников, необходимых для производства линалоола и гераниола, компонентов хмелевого вкуса. Все генетические компоненты - ген Cas9, четыре гена дрожжей, гены мяты и базилика и промоторы - были вставлены в дрожжи на крошечной кольцевой ДНК-плазмиде. Затем дрожжевые клетки транслировали ген Cas9 в белки Cas9, которые разрезали ДНК дрожжей в определенных точках. Затем ферменты репарации дрожжей встраиваются в четыре гена плюс промоторы.
Исследователи использовали специально разработанную программу, чтобы получить правильное сочетание промоутеров для производства линалоола и гераниола в пропорциях, аналогичных пропорциям в коммерческом пиве, производимом Sierra Nevada Brewing Company, которая управляет баром недалеко от стартап.
Затем они попросили Чарльза Бамфорта, специалиста по солодовению и пивоварению Калифорнийского университета в Дэвисе, сварить пиво из трех наиболее перспективных сортов, используя хмель только на начальном этапе пивоварения - сусло - чтобы получить горечь без хмелевой вкус. Хмелевой вкус придавали только новые штаммы дрожжей. Бэмфорт также варил пиво со стандартными дрожжами и хмелем и попросил бывшего студента, Дональдсона из Лагунитаса, провести слепой сравнительный вкусовой тест с участием 27 сотрудников пивоварни..
"Это был один из наших самых первых органолептических тестов, поэтому оценка его как более охмеленного, чем у двух сортов пива, которые на самом деле были охмелены сухим способом при обычном уровне охмеления, была очень обнадеживающей", - сказал Ли.
От экологичного топлива к экологичному пиву
Денби приехал в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы работать над экологичным транспортным топливом вместе с Джеем Кислингом, пионером в области синтетической биологии и профессором химической и биомолекулярной инженерии. Стратегия, разработанная Кизлингом, состоит в том, чтобы создать микробы, прежде всего бактерии и дрожжи, увеличить производство ими сложных молекул, называемых терпенами, а затем вставить гены, которые превращают эти терпены в коммерческие продукты. Эти микробы могут производить такие химические вещества, как противомалярийный препарат, артемизинин, топливо, такое как бутанол, а также ароматизаторы и ароматизаторы, используемые в косметической промышленности.
Но пивоваренный проект "нашел меня", сказал Денби
«Я начал заниматься домашним пивоварением из любопытства с группой друзей, когда я начинал в лаборатории Джея, отчасти потому, что мне нравится пиво, а отчасти потому, что меня интересовали процессы брожения», - сказал он. «Я обнаружил, что молекулы, придающие хмелю хмелевой вкус, - это молекулы терпена, и не будет большим преувеличением предположить, что мы могли бы разработать штаммы, производящие терпены в тех же концентрациях, что и при приготовлении пива и добавлении его в пиво. прыгай к ним."
Последняя загвоздка заключалась в том, что хмелевой штамм дрожжей сделает процесс пивоварения более устойчивым, чем использование сельскохозяйственного хмеля, который является очень ресурсоемким продуктом, сказал он.
«Мы начали нашу работу по созданию микробов для производства изопреноидов - ароматизаторов, ароматизаторов и артемизинина - около 20 лет назад», - сказал Кислинг. «В то же время мы создавали инструменты для точного контроля метаболизма. В этом проекте мы можем использовать некоторые инструменты, которые мы разработали для точного контроля метаболизма, чтобы получить нужное количество хмелевого вкуса для пива».
Денби и Ли сначала пришлось преодолеть некоторые препятствия, например, научиться генной инженерии коммерческих пивных дрожжей. В отличие от дрожжей, используемых в исследовательских лабораториях, которые имеют один набор хромосом, пивные дрожжи имеют четыре набора хромосом. Они обнаружили, что им нужно добавить те же четыре гена плюс промоторы к каждому набору хромосом, чтобы получить стабильный штамм дрожжей; если нет, то по мере размножения дрожжи теряли добавленные гены.
Они также должны были выяснить с помощью вычислительной аналитики, проведенной Заком Костелло, какие промоутеры будут производить количество линалоола и гераниола в нужное время, чтобы приблизить концентрации в хмелевом пиве, а затем увеличить ферментацию на коэффициент примерно 100 от количества пробирок до 40-литровых чайников.
В конце концов, они смогли пропить свой исследовательский проект и продолжают делать это в своем стартапе, сбраживая партии пива для тестирования новых штаммов дрожжей.
«Чарльз и Рэйчел показали, что использование соответствующих инструментов для контроля производства этих вкусов может привести к пиву с более стойким хмелевым вкусом, даже лучше, чем то, что может сделать сама природа», - сказал Кислинг.
Работа финансировалась за счет грантов, предоставленных Национальным научным фондом. К ним относятся первоначальный грант, присужденный Калифорнийскому университету в Беркли на использование синтетической биологии в дрожжах для производства важных в промышленном отношении продуктов, и последующее финансирование из гранта на исследования в области инноваций малого бизнеса для Berkeley Brewing Science..
В дополнение к Денби, Ли, Костелло, Кислингу, Дональдсону и Бамфорту, другими соавторами являются Ван Ву из Калифорнийского университета в Беркли, Вейин Лин, Линн Джейд Чан, Кристофер Петцольд, Хенрик Шеллер и Гектор Гарсия Мартин из Объединенного института биоэнергетики. в Эмеривилле, которая является частью Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, и Джозефа Уильямса из Калифорнийского университета в Дэвисе.