啤酒涼爽，干爽，全球價(jià)值約五萬億美元。世界上最受歡迎的酒精飲料背后是一種適應(yīng)寒冷的酵母，對糖類來說它會變成泡沫和酒。酵母是一種混合，馴養(yǎng)的面包酵母的合并釀酒酵母和最近發(fā)現(xiàn)的野生物種，釀酒eubayanus。數(shù)百年前，這兩個物種將它們的優(yōu)勢結(jié)合到一種冷發(fā)酵菌株中，這種菌株很容易產(chǎn)生清脆，輕盈的味道，這種味道在接下來的幾個世紀(jì)中一直占據(jù)著啤酒市場的主導(dǎo)地位。

在一篇新論文中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校遺傳學(xué)教授Chris Todd Hittinger，他的研究生EmilyClare Baker和其他人展示了現(xiàn)代啤酒酵母如何采用對他們成功至關(guān)重要的冷愛和糖 -亨特特性。

在一篇將于2月1日在Science Advances上發(fā)表的論文中，研究小組證明，當(dāng)冷愛的S. eubayanus將其線粒體 - 細(xì)胞的發(fā)電部分 - 捐贈給新的雜交種時，它賦予了對它的耐寒性。應(yīng)變。今天，所有工業(yè)啤酒菌都保留了S. eubayanus線粒體并在寒冷的溫度下發(fā)酵。

在第二篇論文中，Baker和Hittinger調(diào)查了S. eubayanus發(fā)酵麥芽汁中所有糖的能力，麥芽汁是發(fā)酵成啤酒的大麥麥芽提取物。大多數(shù)S. eubayanus菌株不能發(fā)酵麥芽三糖，麥芽糖是麥汁中第二常見的糖。但是研究人員能夠開發(fā)出一種能夠?qū)Ⅺ溠咳禽斔偷郊?xì)胞中的全新蛋白質(zhì)，揭示了所有可用糖類更具侵略性發(fā)酵的潛在途徑，這是生產(chǎn)干燥，脆爽啤酒的關(guān)鍵特性。該論文在PLOS Genetics期刊上發(fā)表之前發(fā)表在預(yù)打印服務(wù)器bioRxiv上。

這項(xiàng)新研究是第一個確定啤酒生產(chǎn)中最具特色的兩個特征 - 冷耐受性和完全發(fā)酵 - 的遺傳基礎(chǔ)在S. eubayanus及其雜交后代中的進(jìn)化。Hittinger和Baker已經(jīng)根據(jù)他們的工作申請了專利，這可以為改變工業(yè)啤酒菌株的溫度范圍和糖代謝能力提供新的機(jī)會。

2011年，Hittinger成為該團(tuán)隊(duì)的一員，該團(tuán)隊(duì)首先從巴塔哥尼亞的森林中分離出野生的S. eubayanus。從那時起，他的實(shí)驗(yàn)室一直致力于揭開如何S. eubayanus與面包和酒度啤酒酵母聯(lián)合釀酒酵母大約500年前的kickstart巨獸啤酒啤酒行業(yè)。他們在釀酒行業(yè)和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校食品科學(xué)系的合作伙伴幫助他們研究了兩個關(guān)鍵特性的起源：冷卻的增長和麥汁中所有糖的攪拌。

最近研究表明，大范圍物種的溫度耐受性至少部分與線粒體有關(guān)，因此對啤酒酵母的冷偏好提出了一個線索。這些細(xì)胞成分產(chǎn)生了細(xì)胞所依賴的大部分能量，并擁有自己的基因組，雖然是一個只有少數(shù)基因的小基因組。

Baker和Hittinger此前曾表明，啤酒酵母從S. eubayanus遺傳了它們的線粒體。為了觀察這些線粒體是否有助于啤酒酵母在寒冷的溫度下茁壯成長，Baker 用一種破壞酵母線粒體DNA的化學(xué)物質(zhì)處理了S. eubayanus或釀酒酵母菌株。

“一些酵母能夠免除其線粒體基因組，”貝克說，他現(xiàn)在是俄勒岡大學(xué)的博士后研究員。“因此，您可以獲得這種沒有線粒體基因組的空白板巖菌株，并將其用于雜交。”

通過在有或沒有線粒體完整的兩種酵母物種之間進(jìn)行雜交，Baker產(chǎn)生兩組雜種：一組具有來自釀酒酵母的線粒體，另一組來自S. eubayanus。除了線粒體的起源，雜種是相同的。

當(dāng)Baker在不同溫度下測試這些雜種的生長時，差異立即顯現(xiàn)出來。具有S. eubayanus線粒體的酵母耐寒，但在高溫下枯萎; 釀酒酵母線粒體菌株無法治愈感冒。

“在最極端的溫度下，它基本上是增長和不增長之間的差異，”Hittinger說，他也是能源部支持的大湖生物能源研究中心的成員，總部設(shè)在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校。

“我們第一次可以重新制作具有釀酒酵母線粒體基因組的定制啤酒菌株。當(dāng)你這樣做時，你可以改變溫度偏好，”Hittinger說。“這是一種新的釀造菌株，現(xiàn)在不屬于任何人的武器庫。我們認(rèn)為它很可能在啤酒生產(chǎn)中具有新的特性。”

冷愛的啤酒酵母需要很長時間才能發(fā)酵并需要冷藏，這使得啤酒生產(chǎn)比釀造啤酒更加昂貴。Hittinger和Baker相信，通過定制的線粒體將較大的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到略微溫暖的溫度可以產(chǎn)生巨大的成本節(jié)省 - 只要保持獨(dú)特的啤酒味道。

但是一些釀酒商正在尋求超越傳統(tǒng)的啤酒。自2011年發(fā)現(xiàn)S. eubayanus以來，釀酒商一直試圖用野生酵母釀造啤酒，以期創(chuàng)造一個新的市場。喜力已發(fā)布限量版S. eubayanus啤酒，威斯康星州維羅納的威斯康星釀酒公司正試圖與Hittinger實(shí)驗(yàn)室合作。

然而，E。eubayanus不能發(fā)酵麥汁中的所有糖。大多數(shù)酵母菌株缺乏將糖麥芽三糖轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中以消化的能力。因?yàn)辂溠咳鞘躯溨械诙Ｒ姷奶?，用S. eubayanus釀造會產(chǎn)生過甜的啤酒。

所以Baker和Hittinger試圖在S. eubayanus菌株中更好地利用麥芽三糖。幾個月以來，研究人員用大量的麥芽三糖和少量其他易消化的糖種植了S. eubayanus，這足以讓酵母慢慢繁殖。然后他們尋找任何能夠運(yùn)輸和發(fā)酵麥芽三糖的酵母。

兩千多代后，他們發(fā)現(xiàn)了一種可以在糖上生長的菌株。當(dāng)他們觀察酵母的基因組時，他們發(fā)現(xiàn)了一個新的基因。酵母結(jié)合了兩個能夠運(yùn)輸麥芽糖的基??因 - 一種與麥芽三糖有關(guān)的糖，但更小，更容易運(yùn)輸。

“這一點(diǎn)特別有趣，因?yàn)檫@些基因都不能自己運(yùn)輸麥芽三糖，但這種新的嵌合基因是，”貝克說。

通過重新配置現(xiàn)有基因，酵母菌株能夠快速進(jìn)化出新的性狀，而不必積累許多緩慢的隨機(jī)突變。

“我們希望這將為降低最終產(chǎn)品中的糖含量提供一種方法，”Hittinger說。“它將使純凈的S. eubayanus啤酒不那么膩味和干燥，更像傳統(tǒng)的啤酒，但仍將保留一些你期望從這種野生，耐寒菌株的野生特征。”

Hittinger的辦公室擁有空瓶裝喜力啤酒的S. eubayanus啤酒，他期待看到更多的野生啤酒。他的小組現(xiàn)在正與釀酒商合作，在現(xiàn)實(shí)條件下測試新的酵母菌 株。“這是一個非常有趣的基礎(chǔ)科學(xué)故事，關(guān)于你如何利用數(shù)百萬年前彼此分離的兩個物種的不同能力，將它們混合在一起，并獲得兩全其美，最終創(chuàng)造一個價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，”赫廷格說。