Bilješke o pripitomljenom kvascu

Bilješke o pripitomljenom kvascu

Natalia Reznik
"Kemija i život" №12, 2016

Je li moguće pripitomiti stvorenje čije postojanje čak ne sumnjate? Ispada da možete. Upravo se to dogodilo s kvasacom. Saccharomyces cerevisiae, Ljudi su počeli poboljšati svoju sposobnost da se šećer pretvori u alkohol i aromatske spojeve nekoliko stoljeća prije otkrića ovih mikroorganizama, iako je mnogo kasnije od prvog piva. I taj proces se s pravom može nazvati pripitomljivanjem.

Domesticization ili house arrest?

Proces pripitivanja životinja i kultiviranih biljaka opisan je dovoljno detaljno, a povijest ljudske interakcije s mikroorganizmima uključenim u pripravu proizvoda gotovo je nepoznata. Sastojci kvasca, koji se koriste za proizvodnju alkohola, piva i kruha, razlikuju se od njihovih laboratorija i divljih porijekla, kao i jedan od drugoga. Međutim, te razlike mogu nastati ne samo u cilju odabira ljudskih vrijednih osobina, već i zbog geografske izolacije kvasca i njihove ograničene raznolikosti u svakom području. Ako belgijski kvasac, nakon što pukne pivovare, nikada ne napušta, vremenom će se neizbježno razlikovati od, recimo, Britanci.Pa zašto industrijski kvasci duguju svoje osobine? Nažalost, pivari i pekari antike nisu ostavili bilješke, ali možete pročitati genom kvasca, a bolje nekoliko.

Domesticization je usmjeren odabir za osobine potrebe i prilagodbe određenim životnim uvjetima, često daleko od prirodnih. U bilo kojem smjeru (prinos, boja krzna, veličina tijela) ovaj odabir ide, uvijek vodi do značajnih promjena, dobro poznatima u primjerima mnogih domaćih životinja i biljaka. Imaju jake znakove koji su korisni ljudima, ali njihovi vlasnici ne trebaju (u svakom slučaju, ne u tolikoj mjeri). Oni su prekršili seksualnu reprodukciju. Ovi znakovi omogućuju vam da postojite u okruženju koje je stvorio čovjek, ali u prirodnim uvjetima, domaće vrste osjećaju, u najboljem slučaju, neugodno.

Homogenizacija ostavlja karakteristične oznake u genomu: neki dijelovi DNK udvostručeni, dok su drugi izgubljeni, mijenja se broj kopija gena, a ponekad i cijeli kromosomi. Drugim riječima, genom se pogoršava. Ako su genotipske i fenotipske osobine karakteristične za pripitomljene vrste pronađene iu sojevima industrijske kvasca, to će poslužiti kao dokaz njihove pripitomljavanja.

Stablo kvasca

Takvu studiju proveli su znanstvenici iz Belgije i SAD-a pod vodstvom Kevina Verstrepina, izvanrednog profesora na Katoličkom sveučilištu u Leuvenu i Stephenom Mare sa Sveučilišta Ghent (ćelija, 2016, 166, 1397-1410, doi: 10.1016 / j.cell.2016.08.020). Sekvencirali su i opisali genome 157 sojeva kvasca. S. cerevisiaekoji se koriste za proizvodnju tijesta, vina, piva, alkohola, sake i bioetanola, te ih uspoređuju s divljim i laboratorijskim sojevima prikupljenim na različitim kontinentima. Kvasac može postojati u diploidnom i haploidnom stanju; Istraživači su radili s diploidima kako bi procijenili sve strukturne značajke genoma.

Analiza genoma pokazala je da su industrijski kvasci genetski različiti od divljih rođaka i evoluirali su se od nekoliko predaka koje su se prilagodile ljudskom stvorenom okolišu. Istraživači su prikupili filogenetski stablo industrijskih kvasaca, koji su podijeljeni u pet blaga (slika 1). (Skup biologista je skupina organizama koja uključuje zajednički predak i sve njezine izravne potomke.) Jedan od njih uključuje azijske vrste sojeva proizvođača, a drugi uglavnom vinski kvasac. Postoji jedno mješovito blagokombinirajući sve pekarske sojeve i pivo, uglavnom one koje su koristile jake belgijske bokove. Postoje i dvije velike skupine pivskog kvasca, "Pivo 1" i "Pivo 2".

Sl. 1. Industrija kvasca

Sojevi alkohola ne formiraju posebnu skupinu i raspršuju se po stablu. Očito je da su nastali kao posljedica izbora, koja je uključivala različite tvrtke koje prodaju kvasac za proizvodnju alkohola. Osim toga, alkoholni kvasac, za razliku od piva ili pečenja, nije ponovno iskorišten, pa su imali manje mogućnosti formiranja posebne skupine.

Raznolikost industrijskih sojeva djelomično je posljedica geografskih razlika. Većina kvasaca dolazi iz Azije, imaju jedan zajednički predak, a vezani su za divlje i bio-etanol sojeve iz Kine. I sjevernoamerički kvasac za proizvodnju etanola povezan je s onima koji se koriste u Brazilu za proizvodnju šećerne repe alkohola. Clade "Pivo 1" spada u tri podskupine: sojevi kontinentalne Europe (Belgija i Njemačka), Velike Britanije i Sjedinjenih Država. Sjeverna Amerika pivarski kvasac, za razliku od bio-etanola,jasno proizlazi iz britanskih sojeva, a ne od lokalnog. Klada "Pivo 1" uskoro se odvojila od drugih grupa i razvila se samostalno. Clade "Pivo 2" pojavila se kasnije i povezana je s vinskim kvascem, uključuje petinu svih sojeva vina. Ona povezuje kvasce iz Belgije, Ujedinjenog Kraljevstva, Sjedinjenih Država, Njemačke i Istočne Europe, ali u njemu nema jasne zemljopisne podjele. Prisutnost dva velika, genetski različita izvora pivskog kvasca sugerira da je njihovo pripitomljenje došlo u Europi, dvaput i samostalno, a jedan od tih događaja izazvao je i vino i kvasac za pivo (Beer 2).

U svakoj pivovari, istom se soju obično koristi za proizvodnju različitih vrsta piva, tako da nije došlo do daljnjeg drobljenja unutar blaga piva. Iznimka je kvasac za proizvodnju nekoliko lokalnih piva, poput belgijskog stanja i britanskog stupa.

Pivo – kuća, vinska ulica

Procjenjujući fenotipske karakteristike kvasca, istraživači su otkrili nesumnjivi učinak pripitomljavanja. Najviše se očituje u sojevima piva, a to je zbog specifičnosti pivarstva.

Pivo se pivo tijekom cijele godine, a stari pivski podrum s kvascem nije bačen, već se koristi za fermentiranje nove serije. Dakle, pivski kvasac dugo i bez prekida bio je u stabilnom i hranjivom okruženju. Znanstvenici procjenjuju da je od početka izbora prošlo najmanje 75 tisuća generacija kvasaca. Nakon što se pojavio u novim uvjetima, pivski kvasac, kao suvišno, izgubio je mnoge značajke potrebne za opstanak u otežanom prirodnom okruženju. Prije svega, značajan dio sojeva piva potpuno se oprostio od seksualne reprodukcije.

U prirodnim uvjetima S. cerevisiae reproducirati i aseksualno i seksualno. U povoljnom okolišu, oni su pupi: u slici na početku članka, ima okruglih ožiljaka koje su ostavile pjevajući kći stanice. U stresnoj situaciji (hladnoća, glad ili nedostatak vlage), kvasac se prebacuje na spolnu reprodukciju i stvara spore koje omogućuju preživljavanje teškog razdoblja. U pivovarnici, gdje kvasac uvijek posluje, to jako dobro rade bez seksualne reprodukcije, više od polovice piva pivo 1, a drugima sporovi često nisu održivi.Ova značajka u drugim industrijskim blaga je rijetka (ne više od 21%), a uopće nije pronađena u divljini.

Alkohol i sojevi vina ne mogu si priuštiti da se odrekne seksualne reprodukcije. Vinari su počeli koristiti čiste kvasce samo od početka dvadesetog stoljeća, prije toga su ih liječili prirodnim kvascem nekoliko tisuća godina. Vino kvasac raste samo u vinu, a vinska sezona je kratka. Oni provode značajan dio godine u vinogradima i crijevima insekata. Tijekom tih gladnih razdoblja, vinski kvasac jedva buds, ali može reproducirati seksualno, pa čak i preklopiti s divljim kvasac. Štoviše, samo mali dio kvasca u sljedećoj sezoni opet će pasti u grožđicu, dok se ovakvim proizvodnjom otvaraju trilijuni stanica. Ne, ovakav način očigledno ne dopušta da se ograničimo na pukotine. Kao rezultat toga, utjecaj pojedinca na vinski kvasac je mnogo manje izražen nego na pivo. Zbog seksualne reprodukcije i međusobnog povezivanja divljih vrsta, kao i kratkog boravka u antropogenoj vinskoj sredini, oni se razvijaju mnogo sporije od piva.

Alkohol, šećer i okus

Ljudi nisu razmišljali o tome može li kvasac stvoriti spore. Tako da brzo rastu – to je važno. (Reprodukcija po pupoljci naravno je brža od seksa.) I ljudi također žele dobiti ukusan, dobro probavljiv, dugo skladišteni i umirujući proizvod zbog prisutnosti etanola. Prije svega, kvasac je potreban da sintetizira etilni alkohol, a kao rezultat odabira, naučili su kako je proizvesti u velikim količinama i postoje u prilično koncentriranom alkoholnom otopinu. Soj piva proizvodi 7,5-10% volumena etanola, a kvasac se koristi za jačanje pića, zbog alkohola, vina i osobito bioetanola, može proizvesti 14,5% -tnu otopinu. U prirodi nema takvih uvjeta, a te kvalitete nisu potrebne.

Sl. 2. Pivski kvasac mora aktivno razbiti maltotriozu i ne sintetizirati 4-vinil guaiacol

Alkohol nastaje kao posljedica sloma šećera, a kvasac ih mora aktivno probaviti. Soj piva bio je jasno odabran za intenzivno cijepanje maltotrioze, jednog od glavnih šećera pivske pire (Slika 2). Ta sposobnost ovisi o specifičnom AGT1 alelu MAL11 gena koji je prisutan samo u "Beer 1" kvascu i nekim vrstama mješovitih klica. U vinskom kvascu, gen MAL11, pa čak i MAL1 lokus, potpuno su odsutni.

Osim alkohola, kvasac sintetizira različite tvari koje proizvode ugodnim mirisom i okusom. No neki okusi, čak i najugodniji, nisu uvijek prikladni. Jedna od aromatičnih tvari, 4-vinil guaakol (4-VG), mirisi klinčića i taj miris nepoželjni su zbog većine vrsta piva i vina. Sinteza 4-VG kontrolira dva gena: PAD1 fenilakrilna kiselina dekarboksilaza i FDC1 ferulinska kiselina dekarboksilaza. Obje su smještene jedna uz drugu u kromosomu IV i pomažu neutralizirati toksičnu fenil akrilnu kiselinu, koja se nalazi u zidovima biljnih stanica. Dakle, u prirodnim uvjetima, aktivnost tih gena je od vitalne važnosti, ali većina industrijskih sojeva, osobito piva i saka, izgubila je sposobnost sinteze 4-VG. Istraživači su pronašli mutacije genoma koji krše funkcije PAD1 i FDC1. Štoviše, različiti sublini nose različite mutacije koje se neovisno pojavljuju kao odgovor na selekciju protiv sinteze 4-VG. Analiza genoma pokazala je da su mutacije u oba gena došle vrlo rano, na samom početku divergencije S. cerevisiae i srodnih vrsta S. paradoxus od zajedničkog pretka. Bakerov i bioetanolni kvasac očuvali su PAD1 i FDC1 gene netaknut: u tim industrijama, 4-SH nije zapreka.Miris 4-VG nestaje u procesu pečenja, a bioetanol nije namijenjen internoj upotrebi, a miris klinčića ne smeta nikome.

Neki ljubitelji piva cijeniti pikantan okus. Nefiltrirani pivo pivo Hefeweizen tradicionalno miris poput klinčića i sadrži značajnu količinu 4-VG. Hefeweizenov kvasac je uključen u ploču "Beer 1", ali su mozaici, genom ovog soja sastavljen je od fragmenata predstavnika svih tri subklade, uglavnom belgijsko-njemačkog. Dobio je mali dio genoma iz kvasca, ali to je dio koji sadrži funkcionalne gene PAD1 i FDC1. Znanstvenici vjeruju da je kvasac Hefeweizen bio rezultat križa između različitih piva i sojeva vina – pokazalo se da je hibrid koji kombinira sposobnost fer maltotrioze i 4-VG sinteze gena tipičnih za pivo kvasac.

U genomima industrijskih sojeva, znanstvenici su otkrili sve poremećaje karakteristične za pripitomljene vrste: poliploidiju i nedostatak kromosoma, preuređivanje, brisanje i dupliciranje, promjene broja kopija gena. Na primjer, mnogi geni uključeni u preradu maltotrioze su pojačani u pivo i kvasac, ali često su izgubljeni u vinu.Međutim, ostao je broj kopija gena odgovornih za osnovni metabolizam ugljika i dušika, ionskog transporta i flokulacije (sposobnost kvasca na kraju fermentacije da se skupi u grudice i naseliti se do dna spremnika, gdje je došlo fermentacije).

Homiranje prije otkrića

Dakle, kvasac ima sve specifične osobine pripitomljenog organizma: uzrujan genom, ekonomski vrijedne osobine, prilagodbu životu u antropogenoj sredini i gubitak seksualne reprodukcije (Slika 1). Njihova raznolikost i prepoznatljiva obilježja uzrokuju više pripitomljenost nego geografska izolacija. Pitanje je kada se ova pripitomljenost dogodila.

Ljudi su pivo pili već već tri tisuće godina prije Krista. Napravili su vino i pečeni kruh, koristeći prirodni kvasac, staru kiselinu ili mulj piva za fermentaciju, ali nisu znali o postojanju kvasca. Godine 1680, kvasac je konačno prepoznat i skicirao Anthony van Leeuwenhoek. Godine 1837. vidio ih je francuski znanstvenik Kanyar de la Tour i shvatio da su upravo oni koji su stvorili žive organizme i pivo pred njim. Njegova hipoteza potvrđena je tek 1857., kada je Louis Pasteur dokazao mikrobiološku prirodu alkoholne fermentacije.Prije toga, fermentacija se smatra kemijskom reakcijom. Godine 1881. danski mikrobiolog Emil Hansen, zaposlenik tvrtke Karlsberg, po prvi put je dobio čistu kulturu pivskog kvasca, što je omogućilo značajno poboljšanje kvalitete pića. Ta je kultura zvala Saccharomyces carlsbergensis, Tek tada pivari, vinari i pekari znaju s čime se bave, i uspjeli su nastaviti do svjesnog izbora. Međutim, analiza genoma pokazala je da pripitomljavanje kvasca počinje puno ranije (vidi sliku 1).

Istraživači su uzeli u obzir da su američki sojevi piva potekli od Britanaca, a britanski su se kolonisti pojavili u Americi početkom XVII. Stoljeća. Pivski kvasac umnožava se samo po pupi i podijeljen je oko tri puta tjedno, stoga oko 150 generacija zamjenjuje se u godini. Nakon što su izračunali učestalost mutacija, znanstvenici su utvrdili da je odstupanje između "Piva 1" podklada dogodilo oko 1573-1604. Zanimljivo je, u istim godinama, domaća piva postupno je zamijenjena centraliziranim pivom. Pivo je počelo raditi u pubovima, samostanima, a zatim u velikim pivnicama. Tamo, pivo je pivo, a ne kod kuće, povremeno, ali kontinuirano. Osim toga, profesionalni pivari morali su obratiti posebnu pažnju na kvalitetu svojih proizvoda. Sve to je stvorilo uvjete za izbor, ali nesvjesno, to jest pripitomljavanje, kvasca.Izolacija je imala važnu ulogu u pripitomljavanju – pojavile su se linije kvasca koje su stalno rasle u ljudskim okolišima, izgubivši kontakt s vanjskim svijetom. Subclade "Pivo 2" nastalo je kasnije, 1645.-1671., Ali još dugo prije rada Pasteura i Hansena.

Teško je izračunati koliko različitih sojeva i u kojem je kontekstu pripitomljeno, ograničeni broj blaga industrijskih kvasaca i njihovu jasnu razliku od divljih rođaka upućuju na to da su se moderni industrijski kvasci razvili iz malog broja predaka ili njihovih srodnih grupa.

Sada, kada ljudi znaju ne samo o postojanju kvasca, već o funkcijama koje rade različiti geni i o svojstvima genoma različitih sojeva, stručnjaci imaju priliku nastaviti odabir "s otvorenim očima" i primiti novi industrijski kvasac bez presedana kakvoće.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: