Примерно 80% мирового потребления пива приходится на лагер – сорта, изготавливаемые путем низового брожения с последующим дозреванием при низкой температуре. В новом исследовании профессор генетики Висконсинского университе Крис Тодд Хиттинджер (Chris Todd Hittinger), его аспирант Эмили-Клэр Бейкер (EmilyClare Baker) и их коллеги выяснили, как современные пивные дрожжи получили необходимые для производства лагера черты, в частность, любовь к холоду. Также ученые предложили ряд способов улучшить нынешние методы производства пива при помощи генетических технологий.
Почти все сорта пива можно разделить на две группы по способу брожения. При низовом брожении наибольшая часть дрожжей концентрируется в нижней части бродильной емкости, тогда как при верховом – на поверхности сусла. При изготовлении лагера путем низового брожения требуется температура от 4 до 10 °C, тогда как для верхового брожения требуемая температура составляет от 15 до 25 °C. Лагер – общее название для сортов пива, которые получают низовым брожением, путем верхового брожения делают стаут, эль и портер.
Для верхового и низового брожения нужных хоть родственные, но все-таки разные виды дрожжей. Верховое брожение вызывают пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, те же, что используются для приготовления хлеба. Низовое производится дрожжами, известными под названием Saccharomyces carlsbergensis, или Saccharomyces pastorianus. Как установили ученые, они представляют собой гибрид широко известных пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae (применяемых не только для изготовления хлеба, но и в пиве верхового брожения) с диким видом дрожжей – Saccharomyces eubayanus.
Последний был открыт в Аргентине сравнительно недавно, в 2011 году, и его геном на 90% совпадает с той частью генома Saccharomyces pastorianus, которая отличает их от Saccharomyces cerevisiae. В составе его первооткрывателей был Крис Тодд Хиттинджер. В последующие годы Saccharomyces eubayanus были обнаружены и в других регионах мира. По одной из версий, местом возникновения этого вида был Тибет.
В статье, которая будет опубликована 1 февраля в журнале Science Advances, Хиттинджер, Бейкер и их коллеги доказывают, что "хладолюбивость" лагерных дрожжей была унаследована именно от Saccharomyces eubayanus, так как от этого вида гибрид получил митохондрии, способные работать при более низкой температуре. Для проверки этого вывода ученые искусственно сконструировали штаммы лагерных дрожжей, в одном из которых митохондрии были получены от Saccharomyces eubayanus, а в другом от пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Помимо подтверждения своих предположений, Хиттинджер и его коллеги ожидают от нового штамма и практического применения. Дело в том, что холодолюбивым лагерным дрожжам требуется больше времени для ферментации, к тому же при их использовании необходимо охлаждение сусла, что делает производство лагера более дорогим, чем других типов пива. Наделяя лагерные дрожжи митохондриями пекарских дрожжей, ученые надеются получать лагер при более высокой температуре.
Видят ученые и другой перспективный путь, на котором генетика поможет пивоварению. После открытия в 2011 году Saccharomyces eubayanus ряд производителей пива начал экспериментировать с этим видом дрожжей. Даже крупные компании изготовили на их основе пробные партии пива в надежде создать новый сегмент рынка. Однако здесь пивоваров ожидала сложность. Большинство штаммов Saccharomyces eubayanus оказались неспособны сбраживать все сахара в пивном сусле. Они не способны перемещать через свою клеточную стенку трисахарид мальтотриозу, молекула которого представляет собой соединение трех молекул глюкозы.
Одна из пивоваренных компаний сотрудничает с лабораторией Хиттинджера в Висконсинском университете, поэтому ученые взялись за решение этой проблемы. В другой статье, опубликованной на сервере препринтов bioRxiv и отправленной в журнал PLOS Genetics, те же авторы изучили способность дрожжей Saccharomyces eubayanus сбраживать сахара в пивном сусле. В ходе этого исследования они выращивали S. eubayanus на сусле на основе мальтотриозы и лишь с небольшим количеством других сахаров – достаточным, чтобы дрожжи хоть медленно, но все-таки могли размножаться.
Работа продолдалась несколько месяцев, и всё это время ученые искали дрожжи, которые приобрели бы способность транспортировать и ферментировать мальтотриозу. Когда у дрожжей сменилось уже более 2000 поколений, наконец нашелся один штамм, который мог расти на мальтотриозе. При исследовании генома нового штамма был выявлен ген, обеспечивающий эту способность. Он возник из объединения двух генов, отвечающих за транспорт мальтозы – сахара, чья молекула состоит не из трех, а всего из двух молекул глюкозы. По словам Бейкер, примечательно, что по отдельности ни один из этих двух генов не мог справиться с транспортом мальтотриозы, а возникший из них "гибрид" оказался способным на это.
