Лагерное пиво холодное, свежее, сухое и стоит около полутриллиона долларов по всему миру.
В основе самого популярного алкогольного напитка в мире лежат дрожжи, адаптированные к холоду и жаждущие сахара, который превратит их в пузыри и выпивку.
Эти дрожжи представляют собой гибрид одомашненных пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae и недавно обнаруженного дикого вида Saccharomyces eubayanus. Сотни лет назад эти два вида объединили свои сильные стороны в штамм холодного брожения, который легко дает свежий, легкий вкус, который стал доминировать на пивном рынке в последующие столетия.
В паре новых статей профессор генетики Университета Висконсин-Мэдисон Крис Тодд Хиттингер, его аспирант Эмили Клэр Бейкер и другие показывают, как современные лагерные дрожжи переняли холодолюбивые и сахароемкие черты, необходимые для их успеха..
В одной статье, которая будет опубликована 1 февраля в журнале Science Advances, команда демонстрирует, что, когда холодолюбивый S. eubayanus пожертвовал свои митохондрии - часть клетки, вырабатывающую энергию, - новому гибриду, он придает штамму холодостойкость. Сегодня все штаммы промышленных лагеров сохраняют митохондрии S. eubayanus и сбраживаются при низких температурах.
Во второй статье Бейкер и Хиттингер исследовали способность S. eubayanus сбраживать все сахара в сусле, экстракте ячменного солода, который ферментируется в пиво. Большинство штаммов S. eubayanus не могут сбраживать мальтотриозу, второй по распространенности сахар в сусле. Но исследователи смогли разработать совершенно новый белок, способный транспортировать мальтотриозу в клетку, открыв потенциальный путь к более агрессивному брожению всех доступных сахаров, что является ключевой чертой в производстве сухого, свежего пива. Статья была опубликована на сервере препринтов bioRxiv перед публикацией в журнале PLOS Genetics.
Новое исследование впервые выявило генетические основы того, как две из наиболее определяющих особенностей производства лагера - холодостойкость и полное брожение - развились у S. eubayanus и его гибридных потомков. Хиттингер и Бейкер подали заявки на патенты, основанные на их работе, которые могут предоставить новые возможности для изменения как температурного диапазона, так и способности метаболизировать сахар у промышленных лагерных штаммов.
В 2011 году Хиттингер был частью команды, которая впервые изолировала S. eubayanus в дикой природе из лесов Патагонии. С тех пор его лаборатория работала над тем, чтобы выяснить, как S. eubayanus объединился с дрожжами для хлеба и эля S. cerevisiae около 500 лет назад, чтобы дать толчок гигантской индустрии лагерного пива. Их партнеры в пивоваренной промышленности и отдел пищевой науки UW-Madison помогли им сосредоточиться на исследовании происхождения двух ключевых признаков: роста на холоде и взбивания всего сахара в сусле.
Одним из ключей к тому, что лагерные дрожжи предпочитают холод, стал ряд недавних исследований, показывающих, что устойчивость к температуре у широкого круга видов может быть связана, по крайней мере частично, с митохондриями. Эти клеточные компоненты генерируют большую часть энергии, на которую полагаются клетки, и имеют свой собственный геном, хотя и небольшой, состоящий всего из нескольких генов.
Бейкер и Хиттингер ранее показали, что лагерные дрожжи унаследовали свои митохондрии от S. eubayanus. Чтобы увидеть, помогают ли эти митохондрии лагерным дрожжам процветать при низких температурах, Бейкер обрабатывал штаммы S. eubayanus или S. cerevisiae химическим веществом, разрушающим митохондриальную ДНК дрожжей.
«Некоторые дрожжи способны обходиться без своего митохондриального генома», - говорит Бейкер, ныне занимающий постдокторскую степень в Орегонском университете. «В результате вы можете получить чистый штамм без митохондриального генома и использовать его для скрещивания».
Скрещивая два вида дрожжей с интактными митохондриями или без них, Бейкер получил два набора гибридов: один имел митохондрии от S. cerevisiae, другой - от S. eubayanus. За исключением происхождения их митохондрий, гибриды были идентичны.
Когда Бейкер проверил рост этих гибридов при разных температурах, различия сразу же стали очевидны. Дрожжи с митохондриями S. eubayanus хорошо переносят холод, но вянут на жаре; штаммы с митохондриями S. cerevisiae не выдерживали холода.
«При самых экстремальных температурах это в основном разница между ростом и отсутствием роста», - говорит Хиттингер, который также является членом поддерживаемого Министерством энергетики Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер со штаб-квартирой в Университете Вашингтона в Мэдисоне.
«Впервые мы можем переделать нестандартные штаммы лагера, которые имеют митохондриальный геном S. cerevisiae. И когда вы это сделаете, вы получите сдвинутые температурные предпочтения», - говорит Хиттингер. «Это новая категория пивоваренных штаммов, которых сейчас нет ни в чьем арсенале. И мы думаем, что они вполне могут иметь новые свойства в производстве пива».
Холодолюбивые лагерные дрожжи требуют много времени для брожения и требуют охлаждения, что делает производство лагера более дорогим, чем пивоварение эля. Хиттингер и Бейкер считают, что перенос производства лагера на чуть более высокие температуры с использованием специально подобранных митохондрий может привести к огромной экономии средств - до тех пор, пока сохраняется характерный вкус лагера.
Но некоторые пивовары хотят выйти за рамки традиционного лагера. С тех пор, как в 2011 году был обнаружен S. eubayanus, пивовары пытались варить пиво с использованием диких дрожжей в надежде создать новый рынок. Heineken выпустила пиво S. eubayanus ограниченным тиражом, а Wisconsin Brewing Company в Вероне, штат Висконсин, пытается сделать то же самое в партнерстве с лабораторией Hittinger..
Однако S. eubayanus не может ферментировать весь сахар в сусле. Большинству штаммов дрожжей не хватает способности транспортировать сахарную мальтотриозу в клетку для переваривания. Поскольку мальтотриоза является вторым по распространенности сахаром в сусле, пивоварение с S. eubayanus может привести к чрезмерно сладкому пиву.
Итак, Бейкер и Хиттингер попытались улучшить использование мальтотриозы в S.штаммы eubayanus. В течение нескольких месяцев исследователи выращивали S. eubayanus с большим количеством мальтотриозы и небольшим количеством других усваиваемых сахаров - ровно столько, чтобы дрожжи медленно размножались. Затем они искали любые дрожжи, которые приобрели способность транспортировать и сбраживать мальтотриозу.
Более 2000 поколений спустя они обнаружили единственный штамм, способный расти на сахаре. Когда они посмотрели на геном дрожжей, они обнаружили новый ген. У дрожжей были комбинированные фрагменты двух генов, способных транспортировать мальтозу - сахар, родственный мальтотриозе, но меньший по размеру и более легкий для транспортировки.
«И это было особенно интересно, потому что ни один из этих генов не был способен транспортировать мальтотриозу сам по себе, но этот новый химерный ген был таким», - говорит Бейкер.
Реконфигурируя существующие гены, штамм дрожжей смог быстро развить новый признак без необходимости накапливать множество медленных случайных мутаций.
«Мы надеемся, что это позволит снизить содержание сахара в конечном продукте», - говорит Хиттингер.«Это сделает чистое пиво S. eubayanus менее приторным и более сухим, больше похожим на обычный лагер, но все же сохранит некоторые дикие характеры, которые вы ожидаете от этого дикого, морозостойкого сорта».
Офис Хиттингера может похвастаться пустыми бутылками из-под пива Heineken S. eubayanus, и он с нетерпением ждет появления новых диких сортов пива. Сейчас его группа работает с пивоварами над тестированием новых штаммов дрожжей в реальных условиях.
Это действительно интересная фундаментальная научная история о том, как вы берете разные способности двух видов, которые отделились друг от друга миллионы лет назад, скрещиваете их вместе и получаете лучшее от обоих миров, чтобы в конечном итоге создать многомиллиардное долларовой индустрии», - говорит Хиттингер.