Современные культуры дрожжей оказались неожиданно молоды

Бельгийские генетики проследили историю одомашнивания пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae). Они выяснили, что сохранившиеся до сих пор культуры дрожжей появились сравнительно недавно — в конце XVI–начале XVII веков. Об этом пишет научно-популярное издание N+1, ссылаясь на исследование, опубликованное в журнале Cell.

Пивные дрожжи. Фото: 1938 News
Пивные дрожжи. Фото: 1938 News

Люди делали пиво ещё пять тысяч лет назад. Следы древнейшего ячменного пива, датированные примерно 5500 годом до н.э., были найдены в западном Иране, в руинах города шумеров. В Китае археологи обнаружили печи для изготовления пива и керамическую посуду с пивным осадком возрастом около 5 тысяч лет. Древние китайцы варили пиво из ячменя и проса, и добавляли в напиток клубни ямса и лилии для придания ему сладкого вкуса. Пиво было популярно в средневековой Европе: сначала его готовили дома, для внутреннего потребления, но постепенно пиво начали варить в промышленных масштабах в монастырях и пивоварнях.

В конце XIX века Луи Пастер установил, что различные процессы ферментации происходили под воздействием конкретных видов микроорганизмов. После этого в производстве стали использовать культуры дрожжей. Однако вопрос, одомашнивали ли дрожжи целенаправленно или различные культуры дрожжей возникали самостоятельно, благодаря использованию на ограниченной территории, до сих пор остается открытым.

Авторы работы определили последовательность генома у 157 культур дрожжей, которые используются в лабораторных исследованиях, в пивоварении, для выпечки хлеба, для производства этилового спирта, вина и саке (японского алкогольного напитка, который готовится путем сбраживания риса и рисового солода). На основе полученных данных ученые построили филогенетическое дерево культур дрожжей.

Жидкие пивные дрожжи. Фото: White Labs Inc.
Жидкие пивные дрожжи. Фото: White Labs Inc.

Оказалось, что дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, которые используются в виноделии, для производства саке и в хлебопекарной промышленности, относятся к трём разным родам. 85% культур пивных дрожжей, которые исследовали учёные, относятся к двум родам. Одна из них (Пиво 1), в которую входят более 50 процентов пивных дрожжей, объединяет три популяции из Бельгии/Германии, Великобритании и США. После отделения от единого предка, они развивались независимо друг от друга. Вторая линия (Пиво 2), более генетически близкая к винным дрожжам, чем Пиво 1, объединяет культуры, которые произошли из Бельгии, Германии, Великобритании, США и Восточной Европы. При этом популяции пивных дрожжей из США были генетически ближе всего к дрожжевым культурам из Великобритании.

По всей видимости, предполагают авторы работы, одомашненные дрожжи появились в Новом свете вместе с европейскими колонистами. По мнению исследователей, существование двух родов пивных дрожжей свидетельствует о том, что дрожжи были одомашнены в Европе дважды, независимо друг от друга. Одомашнивание привело к появлению предка группы дрожжей Пиво 1, и общего предка группы Пиво 2 и винных дрожжей.

Учитывая то, что пиво было известно ещё в древности, авторы работы полагали, что дрожжи были одомашнены тысячелетия назад. Но выяснилось, что одомашнивание дрожжей из группы Пиво 1 произошло в конце XVI–начале XVII веков, а культуры из группы Пиво 2 появились ещё позже — во второй половине XVII века. Интересно, что время одомашнивания культур группы Пиво 1 примерно совпадает с постепенным переходом от домашнего к промышленному производству пива в монастырях и пивоварнях.

Чтобы выяснить, как произошла специализация дрожжевых культур «по профессиям» — самостоятельно или на этот процесс повлияли люди, — ученые сравнили культуры дрожжей по признаку, который, во-первых, важен для промышленного производства, а во-вторых, он был получен селекцией соответствующих культур. Это способность не производить вещество 2-метокси-4-винилфенол, которое придаёт напиткам аромат цветов гвоздичного дерева. В саке, винах и подавляющем большинстве сортов пива этот запах считается нежелательным.

Открытое брожение. Фото: Distilling Liquor
Открытое брожение. Фото: Distilling Liquor

Учёные выяснили, что у большинства дрожжевых культур, которые используются в пивоварении, в производстве саке и вина, в генах, регулирующих производство 2-метокси-4-винилфенола, есть мутации, которые их «отключают», так что дрожжи не вырабатывают это ненужное вещество. В то же время в природных дрожжах, а также в культурах дрожжей, использующихся для производства этилового спирта, этих мутаций никогда не наблюдалось. По мнению авторов работы это свидетельствует в пользу целенаправленного одомашнивания дрожжей.

Надо заметить, что винные дрожжи не подвергались такой сильной селекции, как пивные. При производстве вина чистые культуры дрожжей можно не добавлять, так как дикие дрожжи живут на виноградной кожице. Но с начала XX века в винное сусло стали добавлять и культуры дрожжей, чтобы сделать ферментацию более стабильной.

Процесс изготовления пива состоит из нескольких стадий. При затирании сусла источник крахмала (обычно дробленый солод) разбавляют горячей водой. Крахмал при этом расщепляется на сахара. Затем смесь фильтруют, отделяя получившееся сусло от остатков зерна. Сусло смешивают с хмелем, который придаёт пиву горечь, аромат и вкус, и кипятят. Во время кипячения инактивируются ферменты, оставшиеся после затирания сусла, а сусло становится более концентрированным. В последнюю очередь происходит процесс ферментации — в смесь добавляют дрожжи, которые перерабатывают часть сахара в этиловый спирт и углекислый газ.