Piwne geny

To drożdże Saccharomyces cerevisiae. Ich praca w naszych gospodarstwach i zakładach polega na wytrwałym prowadzeniu fermentacji alkoholowej. Rozkładają w niej cukry na alkohol i dwutlenek węgla. Przez setki lat nauczyliśmy się wykorzystywać ich metabolizm do produkcji żywności czy napojów. Zawdzięczają im one pulchność – jak chleb i ciasto drożdżowe, przy którego rośnięciu dwutlenek węgla pompuje siatkę glutenową w cieście, charakterystyczny smak i zapach – bo w fermentacji alkoholowej powstaje też wiele substancji wpływających na bukiet. No i oczywiście zawartość alkoholu – w piwie, winie czy cydrze. O bąbelkach w szampanie nie wspominając. W XXI w. wykorzystujemy też drożdże w przemyśle – do produkcji biopaliw.

Ale chociaż towarzyszą nam one właściwie od zarania dziejów, to stosunkowo niewiele wiemy o ich ewolucji i o tym, jaki mieliśmy na nią wpływ. Dopiero teraz naukowcy przy pomocy nowoczesnych metod sekwencjonowania DNA stworzyli pierwsze drzewo genealogiczne tego organizmu.

Rody drożdży

Biolodzy molekularni i bioinformatycy zadali sobie pytanie, czy zmiany genetyczne, jakie zaszły w komórkach drożdży, można zakwalifikować jako skutki udomowienia ich przez ludzi. W biologii udomowienie rozumie się jako proces selekcji i krzyżowania, który inicjuje człowiek. Proces ten prowadzi do otrzymania organizmów o cechach sprzyjających życiu w środowisku kreowanym przez człowieka, a nie w naturze. Na poziomie genomu proces udomowienia przejawia się poprzez np. zwiększoną liczbę chromosomów, duplikację lub utratę genów czy wreszcie mutacje.

Wiemy, że drożdże od stuleci mieszkają razem z ludźmi, ale dotąd brakowało dowodów naukowych na ich udomowienie.

Żeby dokładnie zbadać materiał genetyczny drożdży, zespół naukowców specjalizujących się w fermentacji drożdżowej pod kierownictwem Kevina J. Verstrepena z White Labs w Kalifornii i bioinformatyków z zespołu Stevena Maere’a pracującego na uniwersytecie w Gandawie zsekwencjonował najpierw genomy 157 różnych szczepów wykorzystywanych do produkcji piwa, wina, sake, innych alkoholi, chleba i biopaliw. Otrzymane sekwencje DNA przeanalizowano następnie pod względem liczby chromosomów, obecności mutacji, funkcjonalności genów i porównano z analogicznymi danymi dla tzw. dzikich drożdży i dla szczepów laboratoryjnych.

Ponadto naukowcy opisali aż 85 różnych cech charakterystycznych dla poszczególnych szczepów – takich jak np. wytwarzany aromat, produkcja alkoholu czy tolerancja na wysokie i niskie temperatury. Wyniki tych szeroko zakrojonych eksperymentów ukazały się na początku września w prestiżowym dwutygodniku „Cell”, poświęconym biologii komórki.

Na podstawie wyników analizy genetycznej szczepy podzielono na pięć głównych „rodów”: dwa rody piwne, jeden winny, ród azjatycki i ród mieszany. Zmiany w materiale genetycznym jasno klasyfikują drożdże pod względem tego, jak je wykorzystujemy. Naukowcy pokazali też, że różnią się one znacznie od tzw. szczepów laboratoryjnych lub tych spotykanych w naturze.
W obrębie rodów można się też dopatrzeć rozgraniczenia geograficznego. Np. jeden z rodów piwnych wyraźnie dzieli się na gałęzie grupujące szczepy pochodzące z Belgii i Niemiec, Wielkiej Brytanii lub USA.

Informacje o tempie namnażania komórek pozwoliły badaczom pokusić się o określenie przybliżonego czasu, kiedy drożdże zostały udomowione przez człowieka. Szacują oni więc, że pierwsze, aczkolwiek nieświadome ich wykorzystanie można datować na 3-4 tys. lat p.n.e. Przyjmując, że liczba pokoleń na rok wynosi około 150 (bo drożdże piekarskie dzielą się średnio co dwa dni), naukowcy oszacowali, że ostatni wspólny przodek rodów z Belgii, Niemiec, Wielkiej Brytanii czy USA występował w latach 1573–1604. Z historii browarnictwa wiemy, że wtedy właśnie nastąpiło przejście od domowych fermentacji do bardziej zorganizowanych form w klasztorach czy pubach. Warto zauważyć, że stało się to prawie trzy stulecia, zanim drożdże zostały zidentyfikowane jako mikroorganizmy kluczowe w procesie fermentacji, co nastąpiło dopiero pod koniec XIX w.

Analiza genetyczna dowodzi też, że szczepy wykorzystywane w browarach amerykańskich nie są powiązane z dzikimi drożdżami zamieszkującymi Amerykę Północną. Wykazano, że pochodzą one z Wielkiej Brytanii, skąd zostały przywiezione przez pierwszych kolonizatorów.

Komórki w stresie

Jedną z cech świadczących o udomowieniu są liczne zmiany w obrębie genomu. Badacze zidentyfikowali ponad 15 tys. takich zmian w obrębie wszystkich 157 przeanalizowanych szczepów. Polegają one zarówno na utracie, jak i powieleniu fragmentów DNA. Często są to zmiany służące przystosowaniu do konkretnych warunków. „Cztery stulecia udomowiania pozostawiły ślady w genomach drożdży piwnych związane z cechami przydatnymi w procesie warzenia piwa (...). Konkretne geny uległy powieleniu, utracie lub zmianie tak, by zoptymalizować wzrost w fermentorze i smak piwa” – tłumaczy Steven Maere na portalu Science Daily.

Dobrym przykładem mogą być tutaj geny odpowiadające za proces rozpadu maltozy. Cukier ten jest obecny w piwie oraz sake, ale nie ma go w winogronach. Dlatego szczepy piwne i azjatyckie mają często więcej kopii tych genów, natomiast zanikły one w szczepach winnych. Szczepy wykorzystywane w produkcji wina i biopaliw różnią się też od tych wykorzystywanych w browarnictwie zdolnościami do produkcji etanolu. Drożdże piwne mogą produkować 7,5-10 proc. alkoholu. Winne – aż do 14,5 proc.

Okazało się jeszcze, że szczepy wykorzystywane przy otrzymywania piwa są silniej udomowione niż szczepy winne. Wynika to z różnic przy produkcji tych dwóch napojów. W browarze do każdej nowej fermentacji wykorzystuje się drożdże z poprzedniej. W efekcie są one właściwie odgrodzone od środowiska naturalnego i nie są narażone na stres. Inaczej wygląda fermentacja podczas produkcji wina: tu korzysta się z drożdży żyjących na skórkach winogron lub w układach pokarmowych owadów. Poza tym w winie zawartość cukrów i alkoholu jest wyższa niż w piwie – to także warunki stresowe, które zmusiły drożdże do adaptacji.

Dlatego też drożdże piwne żyjące w bardziej komfortowych warunkach ewoluują szybciej, a ich komórki w znacznym stopniu dzielą się tylko przez pączkowanie (rozmnażanie płciowe zachodzi raczej w warunkach stresowych). Potwierdzają to wyniki badań laboratoryjnych, w których wykazano, że szczepy piwne dużo gorzej radzą sobie w warunkach stresu niż szczepy winne.

Szacuje się, że od momentu udomowienia w browarach drożdże piwne przeszły już 75 tys. pokoleń w luksusowych warunkach, sprzyjających utracie niektórych zdolności przetrwania w stresie. „Ponowne wykorzystanie drożdży w produkcji piwa całkowicie oddzieliło je od natury. Drożdże ewoluowały w browarach”, tłumaczył Kevin Verstrepen, jeden z autorów publikacji.

W służbie browarnictwa

W produkcji piwa, wina czy sake ważne jest również, by drożdże nie tworzyły związków, które niekorzystnie wpływają na smak czy aromat. Taką substancją jest 4-VG (4-winylogwajakol). Nadaje on charakterystyczny, lekko ostry, czosnkowy smak. Większość szczepów fermentacyjnych utraciła geny, za sprawą których komórki drożdży mogą syntetyzować 4-VG. Wyjątkiem są trzy szczepy: BE072, BE074 i BE093, wykorzystywane w produkcji niemieckiego piwa pszenicznego, tzw. Hefeweizen Bier. Akurat ten napój swój charakterystyczny smak i zapach zawdzięcza m.in. obecności 4-VG.

Wyniki badań opublikowane w „Cell” to nie tylko encyklopedia wiedzy o drożdżach, z której będą czerpać naukowcy. Jest to przede wszystkim cenne źródło informacji o piwnych szczepach dla browarników. Na podstawie tych analiz można tak krzyżować odpowiednie szczepy drożdży, żeby otrzymać komórki o pożądanych cechach. Takie sposoby hodowli od dawna wykorzystuje się w rolnictwie i hodowli zwierząt, ale tam są one bardzo pracochłonne, bo nie wiadomo, jaka jest dokładna sekwencja genomu krzyżowanych organizmów. Tymczasem wiedząc, które geny są obecne w konkretnych szczepach, można takie eksperymenty prowadzić dużo szybciej i wydajniej. Autorzy publikacji sami spróbowali tej metody – tworząc hybrydę o wysokiej tolerancji na alkohol, która zarazem nie produkuje 4-VG.

„Obecnie pijemy doskonałe piwa, ponieważ starożytni browarnicy byli na tyle mądrzy, by zacząć hodowlę drożdży, zanim dowiedzieli się, co one właściwie robią – podkreśla Kevin Verstrepen w Science Daily. – To była prawdziwa sztuka”. Teraz sztuka ta może zostać zastąpiona przez analizę bioinformatyczną.
Oby tylko smak pozostał. ©

Korzystałam z: „Domestication and Divergence of Saccharomyces cerevisiae Beer Yeasts”, Gallone et al., „Cell”, 166 (6), 8 września 2016 r.; „The History of Beer Yeast”, Science Daily; „Ale Genomics: How Humans Tamed Beer Yeast”, Ewen Callaway, „Nature”, wrzesień 2016 r.

Dr ANNA BARTOSIK jest biolożką i popularyzatorką nauki, prowadziła badania w Instytucie Biochemii Maxa Plancka, Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej oraz w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. Specjalizuje się m.in. w badaniach z wykorzystaniem komórek drożdży.