Вчені дослідили пивні дріжджі, виділені з традиційних молочних продуктів ягнобців — ізольованої етнічної групи, що має власну мову та живе у віддалених високогірних районах Таджикистану. Виявилося, що ці дріжджі знаходяться в основі еволюційної гілки молочних штамів дріжджів та мають незвичайний набір генів, який допомагає їм ефективно використовувати галактозу — один із продуктів розщеплення молочного цукру. Науковці сподіваються, що подальше вивчення ферментованих продуктів з віддалених регіонів дозволить дізнатися більше не лише про культуру, а і про історію одомашнення мікроорганізмів та пов'язані з цим перебудови їх геному та обміну речовин. Статтю опублікували в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Пивні дріжджі з високогірних районів Таджикистану пристосувалися ферментувати молоко. GIPHY
Чому науковців зацікавили пивні дріжджі з ягнобських молочних продуктів?
Хоча пивні дріжджі (Saccharomyces cerevisiae) використовуються переважно у випічці, виноробстві та виробництві пива, вони можуть зустрічатися і у молочних продуктах. Раніше проведені дослідження вказували, що деякі гілки пивних дріжджів могли рано спеціалізуватися на проживанні у середовищі ферментованих молочних продуктів. Оскільки дріжджі безпосередньо не здатні використовувати молочний цукор лактозу, у молочних культурах вони співіснують з молочнокислими бактеріями та іншими мікроорганізмами, які розщеплюють лактозу на доступні для дріжджів глюкозу й галактозу. Відповідно, для того, щоб спеціалізуватися на молочних продуктах, дріжджам потрібно мати пристосування для використання галактози. У новій роботі італійські вчені вирішили дослідити наявність таких пристосувань у штамів пивних дріжджів, виділених із маловивченого середовища: ферментованого козячого молока та традиційного сиру, зібраних під час етнолінгвістичних експедицій у долині Ягноб у верхів'ях річки Зеравшан.
Як вивчали пристосування пивних дріжджів до ферментації молока?
Щоб з'ясувати, які особливості мають штами дріжджів, що тривалий час культивувалися у відносній ізоляції та адаптувалися до молочних продуктів, дослідники проаналізували десять ягнобських штамів пивних дріжджів, докладно вивчили ДНК шести із них та порівняли їх з 1053 уже опублікованими геномами дріжджів, виділених із вина, пива, ґрунту, рослин, комах, клінічних зразків та різних ферментованих продуктів.
Виявилося, що за походженням ягнобські штами пивних дріжджів належать до однієї групи з молочними дріжджами, з кластеру, до якого відносять штами з камамберу, масла, сирого молока, розсолу, козячого сиру та інших продуктів. При цьому ягнобські мікроорганізми походили одночасно від кількох різних предкових ліній, зокрема споріднених із молочними, європейськими винними та малайзійськими дріжджами. Найбільш помітними були відмінності у генах, пов'язаних із використанням галактози. Зокрема, у ягнобських пивних дріжджів не знайшли типових генів, необхідних для шляху Лелуара — основного механізму використання галактози, натомість, у них виявили сильно змінені або альтернативні версії цих же генів.
Клітини дріжджів, забарвлені за допомогою флюоресцентних зондів. Duccio Cavalieri
Такими ж нетиповими за амінокислотним складом, хоча й зі збереженою просторовою структурою, були і необхідні для засвоєння галактози їхні білки-ферменти. Одночасно ягнобські штами дріжджів виявилися ефективнішими за типові у використанні галактози. Зокрема, у багатому на галактозу середовищі фаза адаптації для ягнобських штамів дріжджів тривала в середньому 2,63 години, тоді як для штамів з інших джерел — 6,98 години, що вказує на більш швидкий запуск процесів обміну речовин, а час подвоєння кількості клітин становив приблизно 1,11 години проти 2,05 години відповідно. У середовищі з глюкозою фаза адаптації у ягнобських дріжджів також проходила швидше: 1,81 проти 3,58 години, але істотних відмінностей у швидкості подвоєння майже не було.
Крім того, ягнобські дріжджі загалом мали більше структурних перебудов геному, ніж штами з багатьох інших середовищ. У них знайшли десятки унікальних кодуючих послідовностей і сотні характерних однонуклеотидних мутацій, зокрема у ділянках, відповідальних за адаптацію до нових джерел живлення.
Що зробило ягнобські штами дріжджів такими унікальними?
Автори пов'язують виявлені особливості з тривалим життям пивних дріжджів у середовищі, де домінують бактерії, які розщеплюють лактозу. Раніше уже було показано, що принаймні один із ягнобських штамів краще росте в спільній культурі з лактобактерією Lactobacillus delbrueckii, ніж окремо. Водночас, ізольованість Ягнобської долини могла сприяти збереженню давніх генетичних рис, які в інших популяціях дріжджів були змінені внаслідок міграцій, промислового виробництва та схрещування між штамами, що, можливо, робить ягнобські пивні дріжджі своєрідним «живим реліктом» стародавньої популяції дріжджів і свідчить на користь їхньої початкової спеціалізації на молочних продуктах.
Що відомо про використання мікроорганізмів у виготовленні продуктів
🍺🧫 Ірландські науковці вперше знайшли на території Європи в природі дріжджі, які колись посприяли появі сучасного пива лагера.
⛏️🍺 Вивчення мікробіому решток показало, що європейські шахтарі залізної доби їли блакитний сир і пили пиво, для виготовлення якого використовували пивні дріжджі.
🐜🥛 Мікробіологи приготували йогурт з мурах за традиційним турецьким рецептом - для ферментації використали молочнокислі та оцтовокислі бактерії, мурашину кислоту та ферменти.
🦠🥛 А про виготовлення молока та інших тваринних продуктів шляхом ферментації ми розповідали у нашому матеріалі «Мікробна ферма. Як отримують молоко та інші тваринні продукти із мікроорганізмів?».
