大型酵母的冷和甜蜜成功背后的基因揭示了

啤酒凉爽，干爽，全球价值约五万亿美元。世界上最受欢迎的酒精饮料背后是一种适应寒冷的酵母，对糖类来说它会变成泡沫和酒。酵母是一种混合，驯养的面包酵母的合并酿酒酵母和最近发现的野生物种，酿酒eubayanus。数百年前，这两个物种将它们的优势结合到一种冷发酵菌株中，这种菌株很容易产生清脆，轻盈的味道，这种味道在接下来的几个世纪中一直占据着啤酒市场的主导地位。

在一篇新论文中，威斯康星大学麦迪逊分校遗传学教授Chris Todd Hittinger，他的研究生EmilyClare Baker和其他人展示了现代啤酒酵母如何采用对他们成功至关重要的冷爱和糖 -亨特特性。

在一篇将于2月1日在Science Advances上发表的论文中，研究小组证明，当冷爱的S. eubayanus将其线粒体 - 细胞的发电部分 - 捐赠给新的杂交种时，它赋予了对它的耐寒性。应变。今天，所有工业啤酒菌都保留了S. eubayanus线粒体并在寒冷的温度下发酵。

在第二篇论文中，Baker和Hittinger调查了S. eubayanus发酵麦芽汁中所有糖的能力，麦芽汁是发酵成啤酒的大麦麦芽提取物。大多数S. eubayanus菌株不能发酵麦芽三糖，麦芽糖是麦汁中第二常见的糖。但是研究人员能够开发出一种能够将麦芽三糖输送到细胞中的全新蛋白质，揭示了所有可用糖类更具侵略性发酵的潜在途径，这是生产干燥，脆爽啤酒的关键特性。该论文在PLOS Genetics期刊上发表之前发表在预打印服务器bioRxiv上。

这项新研究是第一个确定啤酒生产中最具特色的两个特征 - 冷耐受性和完全发酵 - 的遗传基础在S. eubayanus及其杂交后代中的进化。Hittinger和Baker已经根据他们的工作申请了专利，这可以为改变工业啤酒菌株的温度范围和糖代谢能力提供新的机会。

2011年，Hittinger成为该团队的一员，该团队首先从巴塔哥尼亚的森林中分离出野生的S. eubayanus。从那时起，他的实验室一直致力于揭开如何S. eubayanus与面包和酒度啤酒酵母联合酿酒酵母大约500年前的kickstart巨兽啤酒啤酒行业。他们在酿酒行业和威斯康星大学麦迪逊分校食品科学系的合作伙伴帮助他们研究了两个关键特性的起源：冷却的增长和麦汁中所有糖的搅拌。

最近研究表明，大范围物种的温度耐受性至少部分与线粒体有关，因此对啤酒酵母的冷偏好提出了一个线索。这些细胞成分产生了细胞所依赖的大部分能量，并拥有自己的基因组，虽然是一个只有少数基因的小基因组。

Baker和Hittinger此前曾表明，啤酒酵母从S. eubayanus遗传了它们的线粒体。为了观察这些线粒体是否有助于啤酒酵母在寒冷的温度下茁壮成长，Baker 用一种破坏酵母线粒体DNA的化学物质处理了S. eubayanus或酿酒酵母菌株。

“一些酵母能够免除其线粒体基因组，”贝克说，他现在是俄勒冈大学的博士后研究员。“因此，您可以获得这种没有线粒体基因组的空白板岩菌株，并将其用于杂交。”

通过在有或没有线粒体完整的两种酵母物种之间进行杂交，Baker产生两组杂种：一组具有来自酿酒酵母的线粒体，另一组来自S. eubayanus。除了线粒体的起源，杂种是相同的。

当Baker在不同温度下测试这些杂种的生长时，差异立即显现出来。具有S. eubayanus线粒体的酵母耐寒，但在高温下枯萎; 酿酒酵母线粒体菌株无法治愈感冒。

“在最极端的温度下，它基本上是增长和不增长之间的差异，”Hittinger说，他也是能源部支持的大湖生物能源研究中心的成员，总部设在威斯康星大学麦迪逊分校。

“我们第一次可以重新制作具有酿酒酵母线粒体基因组的定制啤酒菌株。当你这样做时，你可以改变温度偏好，”Hittinger说。“这是一种新的酿造菌株，现在不属于任何人的武器库。我们认为它很可能在啤酒生产中具有新的特性。”

冷爱的啤酒酵母需要很长时间才能发酵并需要冷藏，这使得啤酒生产比酿造啤酒更加昂贵。Hittinger和Baker相信，通过定制的线粒体将较大的生产转移到略微温暖的温度可以产生巨大的成本节省 - 只要保持独特的啤酒味道。

但是一些酿酒商正在寻求超越传统的啤酒。自2011年发现S. eubayanus以来，酿酒商一直试图用野生酵母酿造啤酒，以期创造一个新的市场。喜力已发布限量版S. eubayanus啤酒，威斯康星州维罗纳的威斯康星酿酒公司正试图与Hittinger实验室合作。

然而，E。eubayanus不能发酵麦汁中的所有糖。大多数酵母菌株缺乏将糖麦芽三糖转运到细胞中以消化的能力。因为麦芽三糖是麦汁中第二常见的糖，用S. eubayanus酿造会产生过甜的啤酒。

所以Baker和Hittinger试图在S. eubayanus菌株中更好地利用麦芽三糖。几个月以来，研究人员用大量的麦芽三糖和少量其他易消化的糖种植了S. eubayanus，这足以让酵母慢慢繁殖。然后他们寻找任何能够运输和发酵麦芽三糖的酵母。

两千多代后，他们发现了一种可以在糖上生长的菌株。当他们观察酵母的基因组时，他们发现了一个新的基因。酵母结合了两个能够运输麦芽糖的基​​因 - 一种与麦芽三糖有关的糖，但更小，更容易运输。

“这一点特别有趣，因为这些基因都不能自己运输麦芽三糖，但这种新的嵌合基因是，”贝克说。

通过重新配置现有基因，酵母菌株能够快速进化出新的性状，而不必积累许多缓慢的随机突变。

“我们希望这将为降低最终产品中的糖含量提供一种方法，”Hittinger说。“它将使纯净的S. eubayanus啤酒不那么腻味和干燥，更像传统的啤酒，但仍将保留一些你期望从这种野生，耐寒菌株的野生特征。”

Hittinger的办公室拥有空瓶装喜力啤酒的S. eubayanus啤酒，他期待看到更多的野生啤酒。他的小组现在正与酿酒商合作，在现实条件下测试新的酵母菌 株。“这是一个非常有趣的基础科学故事，关于你如何利用数百万年前彼此分离的两个物种的不同能力，将它们混合在一起，并获得两全其美，最终创造一个价值数十亿美元的产业，”赫廷格说。