История дрожжей: от скрытых ферментов до синтетической биологии

Первое брожение произошло, когда дикие дрожжи приземлились в чаны с сахаросодержащими напитками за тысячи лет до того, как кто-либо догадался, что ферментация — это биологический процесс. Археологические данные указывают на поздний каменный век как на одно из самых ранних свидетельств преднамеренного брожения напитков. Но только в 1680 году Антони ван Левенгук наблюдал дрожжи под микроскопом, а в 1800-х годах Теодор Шванн и Луи Пастер расшифровали микробную природу брожения.

С тех пор пивовары экспериментируют с гибридными штаммами дрожжей или подвергают их мутации, чтобы получить нужный продукт. Например, пивные дрожжи Saccharomyces pastorian являются гибридом между Saccharomyces cerevisiae и дикими дрожжами Saccharomyces eubayanus. С их помощью можно варить пиво при низких температурах.

Хотя дрожжи стали промышленным источником энергии для пивоварения, существует много применений ферментации помимо продуктов питания и напитков. Метаболические циклы были модифицированы для оптимизации производства этанола из кукурузы, маниокового крахмала и других культур, а дрожжи использовались для получения большого количества рекомбинантных (искусственно полученных) белков. Ученые стремились перепроектировать геном дрожжей, чтобы создать новые штаммы с усиленным ростом и более эффективным производством.

Этим усилиям способствовало секвенирование пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae, о котором стало известно в 1996 году. Первоначальный толчок к секвенированию всех 12 миллионов пар базовых видов разделенных между 16 хромосомами был дан в 1989 году. Этим параллельно и независимо занимались лаборатории из Европы, Северной Америки и Азии. На момент завершения работы этот геном дрожжей был самым крупным полностью секвенированным геномом, а через 7 лет состоялось завершение проекта секвенирования генома человека.

Двадцать лет спустя, в 2016 году, был опубликован полный проект синтетического генома эукариот Sc2.0. Целью проекта было упорядочить и «распутать» геном этого высоко изученного вида дрожжей. Конструкция Sc2.0 представляет собой сильно модифицированный геном Saccharomyces cerevisiae, размер которого уменьшен примерно на 8%, причем 1,1 фрагмента ДНК были удалены или изменены.

Существует несколько причин для оптимизации генома. Самая очевидная из них — это позволить микроорганизму расти активнее. Более быстрая репликация означает экономию времени и затрат для исследователей или промышленного применения. Но под поверхностью скрывается более простой и удобный для работы геном. Представьте себе компьютерщика, совершающего отладку проблемного фрагмента кода. Если бы код был простым и содержал только фрагменты, необходимые для запуска скрипта, программисту было бы легче найти источник проблемы. То же самое синтетические биологи пытаются сделать в отношении генома дрожжей.

Это не первый организм, для которого ученые заменили естественную хромосому на химически синтезированную. Это была бы Synthia, бактерия Mycoplasma mycoides, геном которой был лихо заменен синтетическим в 2010 году. Впоследствии Synthia 3.0 была получена путем удаления генов, признанных несущественными для создания минимального бактериального генома из 473 генов, меньшего, чем 525-генный геном Mycoplasma genitalium, самый маленький для автономно реплицирующейся клетки в природе. Из этих исследований ученые смогли узнать о клеточной репликации, основных генах и наиболее эффективных способах построения хромосом, которые могут включать очень длинные и тонкие кусочки ДНК, которые должны оставаться неповрежденными во время обработки. Однако бактерия, подобная Synthia, имеет только один круглый фрагмент ДНК, который составляет ее геном; S. cerevisiae с его 16 линейными хромосомами имеет геном примерно в 12 раз больше.

В том же 2010 году исследователи из Китайской академии наук опубликовали статью, описывающую создание функциональных однохромосомных дрожжей. 16 линейных хромосом из генома дикого типа Saccharomyces cerevisiae были последовательно слиты вместе. Это первый случай создания эукариота с одной линейной хромосомой в лабораторных условиях.

Кого волнует количество хромосом в дрожжах? Манипулирование числом хромосом может помочь нам ответить на некоторые из самых фундаментальных вопросов биологии: почему почти все известные виды эукариот имеют несколько хромосом? Почему число хромосом меняется от вида к виду? Почему так много несущественных генов?

Исследователи были удивлены тем, что слияние хромосом существенно не замедляет время размножения, предполагая, что количество геномных фрагментов может быть менее важным в определении видов, чем считалось ранее.

Построение химически синтезированных геномов дрожжей и слияние хромосом относится к области синтетической биологии — междисциплинарной отрасли биологии, которая применяет биологические принципы для построения искусственных биологических систем. В дополнение к решению фундаментальных биологических процессов, связанных с построением хромосом, синтетическая биология помогает ученым разрабатывать лучшие решения. Эти решения могут ускорить производство сложных молекул, для производства лекарственных средств.

Вместо того, чтобы формировать и развивать микроорганизмы путем отбора благоприятных признаков в течение многих поколений микробов, синтетическая биология позволяет нам создавать организмы, которые делают именно то, что мы от них требуем.

Еще статьи по теме

Полный гид по консервации, хранению и оживлению хлебной закваски

Полный гид по консервации, хранению и оживлению хлебной закваски

Идеально, если вы будете кормить свою закваску регулярно (каждый день). Если вы редко печёте хлеб, поддержание жизненной активности закваски-стартера может быть трудозатратным процессом. Однако, совершенно необязательно каждый день оживлять закваску и тратить муку и время на эту задачу. Если вы печёте нечасто или вынуждены уехать в командировку или отпуск, существуют способы правильного хранения и восстановления хлебной закваски без потери её свойств.

читать далее
Закваска — инкубатор для симбиоза полезных бактерий

Закваска — инкубатор для симбиоза полезных бактерий

Хлеб на закваске и другие ферментированные продукты были рядом с человеком в течение многих веков. Самый древний хлеб на закваске был найден на раскопках в Швейцарии. Его возраст датируется 3500 годом до н.э.
Самое древнее свидетельство того, что люди ферментировали хлеб, было записано древними египтянами на стенах гробницы и пирамид. Исследователи обнаружили тесто для лепёшек, которое содержало в составе дикие дрожжи и бактерии.

читать далее
Итальянская закваска бига

Итальянская закваска бига

Бига — это разновидность префермента (опары), которая не содержит соли в своем составе, а только муку, воду и дрожжи. Это густая смесь с влажностью 50-60%. Бига для итальянцев-то же самое, что закваска “пулиш” для французов.

читать далее