Prijaukintų mielių pastabos

Prijaukintų mielių pastabos

Natalija Резник
"Chemija ir gyvybė" № 12, 2016

Ar įmanoma pagauti tvarinį, kurio egzistavimą net neįtaria? Pasirodo, galite. Tai būtent taip atsitiko su mielėmis. Saccharomyces cerevisiae. Žmonės pradėjo gerinti savo sugebėjimą paversti cukrų į alkoholį ir aromatinius junginius kelerius šimtmečius iki šių mikroorganizmų atradimo, nors daug vėliau nei pasirodė pirmas alus. Ir šis procesas gali būti teisėtai vadinamas prijaukimu.

Domestizacija ar namų areštas?

Gyvūnų ir kultūrinių augalų prijaukinimo procesas yra pakankamai išsamus, žmogaus sąveikos su mikroorganizmais, dalyvaujančių gaminant produktus, istorija yra beveik nežinoma. Riebokšliai, naudojami alkoholiui, alui ir duonai gaminti, skiriasi nuo jų laboratorinių ir laukinių kolegų, taip pat vienas nuo kito. Tačiau šie skirtumai gali atsirasti ne tik taikant tikslinę žmogaus vertingų savybių atranką, bet ir geografinę mielių izoliaciją bei jų ribotą įvairovę kiekvienoje srityje. Jei Belgijos mielės, nukentėjusios į alaus daryklą, niekada nepaliks jos, tada jos laiku neišvengiamai skirsis nuo, tarkim, britų.Taigi kodėl pramoniniai mielės turi savo savybes? Deja, antikvariniai aludariai ir kepėjai nepalikdavo pastabų, bet galite skaityti mielių genomą, o geriau – keletą.

Domestizavimas – kryptinga atranka, pagal kurią žmogui reikia savybių ir prisitaikyti prie tam tikrų gyvenimo sąlygų, dažnai labai toli nuo natūralių. Bet kokia kryptimi (derlius, kailio spalva, kūno dydis) ši parinktis eina, ji visada lemia būdingus pokyčius, gerai žinomus daugelio prijaukintų gyvūnų ir augalų pavyzdžiuose. Jie turi tvirtus ženklus, kurie naudingi žmonėms, bet jų savininkams nereikia (bet kuriuo atveju, ne tiek). Jie pažeisti lytinę reprodukciją. Šie ženklai leidžia jums egzistuoti žmogaus sukurtoje aplinkoje, bet natūraliomis sąlygomis, prijaukintos rūšys, geriausiu atveju, nemano.

Gimdymas palieka būdingus ženklus genomoje: kai kurie DNR sluoksniai yra dvigubinami, kiti prarandami, pasikeičia genų kopijų skaičius ir kartais net visos chromosomos. Kitaip tariant, genomas blogėja. Jei genotipinės ir fenotipinės savybės, būdingos prijaukintoms rūšims, taip pat yra randamos pramoninių mielių veislėse, tai bus įrodymas, kad jie yra prijaukinti.

Riešo medis

Tokį tyrimą atliko Belgijos ir JAV mokslininkai, vadovaujami Kevino Vesterrepino, Leuveno katalikiškojo universiteto docento, ir Stepono Mare iš Gento universiteto (Ląstelė, 2016, 166, 1397-1410, doi: 10.1016 / j.cell.2016.08.020). Jie sekvenavo ir aprašė 157 mielių kamienų genomus. S. cerevisiaekurie naudojami gaminti tešlą, vyną, alų, alkoholį, sake ir bioetanolį, ir juos palygina su laukiniais ir laboratoriniais štamais, surinktais skirtinguose žemynuose. Mielės gali egzistuoti diploidinėje ir haploidinėje būsenoje; Tyrėjai dirbo su diploidais, kad įvertintų visas genomo struktūros ypatybes.

Genų analizė parodė, kad pramoninės mielės genetiškai skiriasi nuo laukinių giminaičių ir išsivysčiusios iš kelių protėvių padermių, pritaikytų žmogaus sukurtai aplinkai. Mokslininkai sukūrė filogenetinį pramoninių mielių medį, kuris yra padalytas į penkis lobius (1 pav.). (Biologų kaupimasis yra organizmų grupė, į kurią įeina bendras protėvis ir visi jo tiesioginiai palikuonys. Viena iš jų – Azijos atmainų gamintojų šakos, kita – daugiausia vyno mielės. Yra vienas mišrus turtasderinant visus kepinių štamus ir keletą alų, daugiausia tų, kurie naudojami stipriems Belgijos alams gaminti. Taip pat yra dvi didelės alaus mielių grupės "Alus 1" ir "Alus 2".

Pav. 1. Mielių industrializacija

Alkoholio padermės nesudaro specialios grupės ir išsibarsčiusios visame medyje. Akivaizdu, kad jie atsirado dėl atrankos rezultatų, kuriame dalyvavo įvairios įmonės, kurios pardavė mieles alkoholio gamybai. Be to, alkoholiniai mielės, skirtingai nuo alaus arba kepimo, nėra pakartotinai naudojami, todėl jie turėjo mažiau galimybių susikurti specialią grupę.

Pramonės padermių įvairovė iš dalies priklauso nuo geografinių skirtumų. Dauguma mielių yra iš Azijos, jie turi vieną bendrą protėvį, ir jie yra susiję su laukiniais ir bioetanolio štamais iš Kinijos. Šiaurės Amerikos mielės, skirtos etanolio gamybai, yra susijusios su tomis, kurios Brazilijoje naudojamos alkoholiui iš cukranendrių. Kladas "Alus 1" susideda iš trijų pogrupių: žemyninės Europos (Belgijos ir Vokietijos), Didžiosios Britanijos ir Jungtinių Amerikos Valstijų. Šiaurės Amerikos alaus mielės, skirtingai nei bioetanolis,aiškiai išvedamas iš Britanijos padermių, o ne iš vietos. Klada "Alus 1" greitai atsiskyrė nuo kitų grupių ir vystėsi savarankiškai. Vėliau atsirado klija "Alus 2", susijusi su vyno mielėmis, tai apima penktadalį visų vyno štamų. Ją sudaro mielės iš Belgijos, Jungtinės Karalystės, JAV, Vokietijos ir Rytų Europos, tačiau joje nėra aiškių geografinių dalių. Dviejų didelių, genetiškai skirtingų alaus mielių šaltinių buvimas rodo, kad jų prijaukinimas Europoje įvyko du kartus ir nepriklausomai, o vienas iš šių įvykių sukėlė tiek vyno, tiek alaus mielių (Alus 2).

Kiekvienoje alaus darykloje paprastai naudojama ta pati veislė įvairių rūšių alaus gamybai, taigi dar daugiau nesudarant alaus lobių. Išimtis yra mielės, skirtos kelių vietinių alų gamybai, pavyzdžiui, Belgijos seisonui ir Didžiosios Britanijos stoutui.

Alus – namas, vyno gatvė

Įvertinę fenotipines mielių savybes, mokslininkai nustatė neginčijamą prijaukinimo poveikį. Tai labiausiai pasireiškė alaus atmainuose, ir tai yra dėl alaus savybes.

Alus gamina ištisus metus, o senosios alaus daryklos su mielėmis nėra išmestos, bet naudojamos naujos partijos fermentacijai. Taigi, alaus mielės ilgą laiką ir be pertraukos buvo stabilios ir maitinančios aplinkos. Mokslininkai apskaičiavo, kad nuo atrankos pradžios praėjo ne mažiau kaip 75 tūkst. Mielių kartos. Atsidūrusi naujomis sąlygomis, alaus mielės, kaip nereikalingos, prarado daug ženklų, būtinų išlikimui sudėtingoje natūralioje aplinkoje. Visų pirma, didelė alaus rūšies dalis visiškai atsisveikino su seksualine reprodukcija.

Gamtoje S. cerevisiae reprodukuoti tiek asksualiai, tiek seksualiai. Palankioje aplinkoje jie pradeda vartoti: straipsnio pradžioje esančiame paveikslėlyje yra apvalių randus, kuriuos palieka jaunieji dukterys. Esant stresinei situacijai (šaltuoju, badu ar drėgmės trūkumu), mielės pereina į lytinę reprodukciją ir formuoja sporas, kurios leidžia jums išgyventi sunkiu laikotarpiu. Alaus darykloje, kurioje mielės visada vykdo verslą, jos labai gerai veikia be lytinės reprodukcijos, daugiau nei pusė "Beer 1" padermių yra tik pumpurai, kitose ginčai dažnai nėra perspektyvūs.Ši pramoninių lobynų savybė yra reta (ne daugiau kaip 21%), o apskritai nėra laukinių mielių.

Alkoholio ir vyno štamai negalima atsisakyti seksualinės reprodukcijos. Vynuogynai pradėjo naudoti grynąsias mielių kultūras tik nuo XX a. Pradžios, prieš tai jos buvo gydomos natūraliomis mielėmis kelerius tūkstančius metų. Vyno mielės auga tik vyną, o vyno sezonas trumpas. Jie daug metų praleidžia vynuogynuose ir vabzdžių žarnyne. Per šiuos alkanus laikotarpius vyno mielės vagiai pumpuri, bet gali atgaivinti lytiškai ir net susimaišiusi su laukiniais mielėmis. Be to, tik nedidelė dalis vyno mielių kito sezono vėl pateks į vynuogių misą, o tokiu būdu užvirinti yra tris milijonus ląstelių. Ne, tokio pobūdžio gyvenimas akivaizdžiai neleidžia mums apsiriboti jaunais žmonėmis. Kaip rezultatas, žmogaus įtaka vyno mielėms yra daug mažiau ryški nei alui. Dėl seksualinės reprodukcijos ir kryžminimo su laukinėmis rūšimis bei trumpalaikio buvimo antropogeninėje vyno aplinkoje jie vystosi daug lėčiau nei alus.

Alkoholiai, cukrūs ir gvazdikų skonio

Žmonės nesvarstė, ar mielės gali formuoti sporas. Kad jie greitai augtų, tai yra svarbu. (Reprodukcija, pradedant jauniems žmonėms, žinoma, yra greitesnė nei lytis). Be to, žmonės nori gauti skanų, gerai virškinamą, ilgalaikį ir raminantį produktą dėl etanolio. Visų pirma mielės reikalauja sintetinti etilo alkoholį, o dėl atrankos jie išmoko gaminti jį dideliais kiekiais ir egzistuoja gana koncentruotame alkoholio tirpale. Alaus štamai pagamina 7,5-10% tūrio etanolio, o mielės, vartojamos stipriems gėrimams – sake, alkoholis, vynas ir ypač bioetanolis, gali pagaminti 14,5% tirpalo. Gamtoje tokių sąlygų nėra ir šios savybės nereikalingos.

Pav. 2 Alus mielės turi aktyviai suskaidyti maltotriozę ir ne sintetinti 4-vinilo guajakolą

Alkoholis susidaro dėl cukraus skilimo ir mielės turi aktyviai jas virškinti. Alus atmainos buvo aiškiai parinktos intensyviam maltotriozės, vienos iš pagrindinių alaus cukraus, skilimui (2 pav.). Šis gebėjimas priklauso nuo konkretaus MAL11 geno AGT1 alelio, kuris yra tik "Aler 1" mielėse ir kai kuriose mišrios klodos padermėse. Vyno mielėse, MAL11 genas ir net MAL1 lūžis visiškai nėra.

Be alkoholio, mielės sintezuoja įvairias medžiagas, suteikiančias produktams malonų kvapą ir skonį. Tačiau kai kurie skonio, net labiausiai maloni, ne visada yra tinkami. Viena iš aromatinių medžiagų, 4-vinilo gvajakolo (4-VG), gvazdikių kvapai, ir šis kvapas yra nepageidaujamas dėl daugelio rūšių alaus ir vyno. 4-VG sintezę kontroliuoja du genai: PAD1 fenilakrilo rūgšties dekarboksilazė ir FDC1 ferulino rūgšties dekarboksilazė. Abi yra šalia kito IV chromosomos ir padeda neutralizuoti toksišką fenilakrilo rūgštį, kuri yra augalų ląstelių sienose. Taigi natūraliomis sąlygomis šių genų veikla yra gyvybiškai svarbi, tačiau dauguma pramoninių šakų, ypač alaus ir sake, prarado gebėjimą sintetinti 4-VG. Tyrėjai nustatė genomo mutacijas, pažeidžiančias PAD1 ir FDC1 funkcijas. Be to, skirtinguose subliniuose yra skirtingos mutacijos, kurios nepriklausomai pasirodė atsakant į atranką prieš 4-VG sintezę. Genų analizė parodė, kad abiejų genų mutacijos atsirado labai anksti, pačioje permainų pradžioje S. cerevisiae ir susijusios rūšys S. paradoksas iš bendro protėvio. Bakerio ir bioetanolio mielės išsaugojo PAD1 ir FDC1 genus nepažeistus: šiose pramonės šakose 4-SH nėra kliūtis.Kepimo proceso metu 4-VG kvapas išnyksta, o bioetanolis nėra skirtas vidiniam naudojimui, o gvazdikių aromatas niekam netrukdo.

Kai kurie alus mėgėjai vertina aštrų skonį. "Hefeweizen" nefiltruotas kviečių alus tradiciškai kvepia gvazdikėliais ir yra daug 4-VG. "Hefeweizen" mielės yra įtrauktos į "alaus 1" klodą, tačiau jos yra mozaikos. Šio štamo genomas susideda iš visų trijų subkladų, dažniausiai Belgijos-Vokietijos, atstovų fragmentų. Jie gavo nedidelę genomo dalį iš vyno mielių, tačiau šioje dalyje yra funkcinių genų PAD1 ir FDC1. Mokslininkai mano, kad Hefeweizen mielės buvo įvairių alaus ir vyno štamų kryžiaus rezultatas – pasirodė esąs hibridas, jungiantis feromalto riozės ir 4-VG sintezės genų, būdingų alaus mielėms, gebėjimą.

Pramoninių štamų genomose mokslininkai atrado visus naminių rūšių būdingus sutrikimus: poliploidiją ir chromosomų trūkumą, pertvarkymus, ištrynimus ir dubliavimą, genų kopijų skaičiaus pokyčius. Pavyzdžiui, daugelis maltotriozės apdorojimo genų yra sustiprinami alaus ir rauginimo mielėse, tačiau dažnai jie prarandami vynuose.Tačiau genų, atsakingų už pagrindinį anglies ir azoto metabolizmą, jonų transportavimą ir flokuliavimą, kopijų skaičius (fermentacijos pabaigoje mielių sugebėjimas susikaupti į gabalus ir nusėstyti į bako dugną, kur vyravo fermentacija).

Homogenizacija prieš atradimą

Taigi, mielės turi visas specifines prijaukinto organizmo savybes: sutrikęs genomas, ekonomiškai vertingi bruožai, prisitaikymas prie gyvenimo antropogeninėje aplinkoje ir seksualinės reprodukcijos praradimas (1 pav.). Jų įvairovę ir išskirtines ypatybes lemia daugiau dykumėjimo nei geografinė izoliacija. Kyla klausimas, kada šis prijaukimas įvyko.

Žmonės pagamino alų jau tris tūkstančius metų prieš Kristų. Jie pagamino vyną ir kepta duona, naudojant natūralias mieles, seną skonį ar alaus dumblą fermentacijai, tačiau jie nežinojo apie mielių egzistavimą. 1680 m. Mielės buvo įvertintos Anthony van Leeuwenhoek. 1837 m. Prancūzų mokslininkas Kanyar de la Tour pamatė juos ir suvokė, kad būtent jie sukūrė prieš jį gyvus organizmus ir alų. Jo hipotezė buvo patvirtinta tik 1857 m., Kai Louisas Pasteuras įrodė alkoholio fermentacijos mikrobiologinį pobūdį.Prieš tai fermentacija buvo laikoma chemine reakcija. 1881 m. Danijos mikrobiologas Emilis Hansenas, Karlsbergo įmonės darbuotojas, pirmą kartą gavo tik gryną alaus mielių kultūrą, o tai leido pastebimai pagerinti gėrimo kokybę. Ši kultūra buvo vadinama Saccharomyces carlsbergensis. Tik tada alaus daryklos, vyno gamintojai ir kepėjai žinojo, su kuo jie susidūrė, ir galėjo pradėti sąmoningą atranką. Tačiau genomo analizė parodė, kad mielių prijaukimas prasidėjo daug anksčiau (žr. 1 pav.).

Tyrėjai atsižvelgė į tai, kad Amerikos alaus atmainos kilo iš britų, o britų kolonistai pasirodė Amerikoje XVII a. Pradžioje. Alaus mielės dauginamos tik pradedant ir dalijant tris kartus per savaitę, todėl per metus pakeičiama apie 150 kartų. Atsižvelgdama į mutacijų dažnį, mokslininkai nustatė, kad neatitikimas tarp "Piva 1" subklavų įvyko 1573-1604 m. Įdomu tai, kad tais pačiais metais namuose gaminamas alus buvo palaipsniui pakeistas centralizuotai. Alus pradėjo gaminti baruose, vienuolynuose, o tada didelėse alaus daryklose. Čia alus buvo gaminamas ne namie, retkarčiais, bet nuolat. Be to, profesionalūs aludariai turėjo skirti ypatingą dėmesį savo produktų kokybei. Visa tai sukūrė mielių selekcijos sąlygas, tačiau be sąmonės, tai yra, prijaukinimo.Izoliavimas vaidino svarbų vaidmenį prijaukinimo procese – atsirado mielių linijos, kurios nuolat augo dirbtinėje aplinkoje, nes prarado ryšį su išoriniu pasauliu. "Beer 2" subclade buvo suformuota vėliau, 1645-1671 m., Bet vis tiek ilgai iki Pastero ir Hanseno darbų.

Sunku apskaičiuoti, kiek skirtingų štamų ir kokiais atvejais buvo prijaukinti, ribotas skaičius pramoninių mielių lobių ir jų aiškus atskyrimas nuo laukinių giminaičių rodo, kad šiuolaikinės pramoninės mielės išsivystė iš nedidelio protėvių atmainų arba iš jų artimų grupių.

Dabar, kai žmonės žino ne tik apie mielių egzistavimą, bet ir apie funkcijas, kurias atlieka jų skirtingi genai, ir apie skirtingų štamų genomų ypatybes, specialistai turi galimybę tęsti atranką "atviromis akimis" ir gauti naujų pramoninių mielių, kurių sudėtyje nėra precedento.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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