Издание Good Beer Hunting рассказывает о том, как секвенирование влияет на развитие основных пивных ингредиентов.
В начале XX века Эрнест Станли Салмон, профессор Уайского колледжа, расположенного неподалеку от Лондона, в отличие от своих коллег, был уверен, что американские сорта хмеля принадлежат к одному виду, а европейские — к другому. «Все книги твердят о том, что разновидности хмеля, культивируемые по всему миру, произошли от Humulus lupulus, – писал он в 1917 году. — Я убежден, что это не так».
В 1906 году Салмон возглавил зарождающуюся в Уайе программу разведения хмеля. Ссылаясь на принципы наследственности Грегора Менделя, он уверял, что смолы и аромат — это «устойчивые качества», присущие определенному сорту хмеля, и не зависят от региона выращивания. Его целью было создание гибридных, трансатлантических сортов хмеля, которые имели бы ароматический профиль, который предпочитали британские пивовары, и повышенное содержание смол, присущее американскому хмелю.
Профессор садоводства Канады Уильям Тиррелл Макоун предоставил необходимый Салмону сорт северо-американского хмеля. Хмель был собран в городке Морден, расположенном к югу от Виннипега, в провинции Манитоба. Вдоль ручья, протекавшего через город, произрастал дикий хмель. «Старожилы города уверяли меня, что в районе никогда не высаживались культурные сорта хмеля», – писал Макоун. Хмель высаживали на территории города, чтобы облагородить невзрачные участки.
В 1917 году Салмон посадил в питомнике в Уайе хмель, который он обозначил как BB1. Он опылился пыльцой неизвестного сорта английского хмеля. Осенью 1918 года Салмон собрал семена, в 1919 году вырастил сотни дочерних растений BB1, а в 1922 году пересадил самые сильные экземпляры в питомник. Двум из них спустя два десятилетия испытаний в пивоварении он присвоил имена и представил их обществу.
Ни пивовары, ни фермеры Соединенного Королевства не оценили эти два первых сорта, получивших название Brewer’s Gold («Золото пивоваров») и Bullion («Золотой слиток»), но основа грядущих изменений была заложена. Когда Салмон начинал работу в Уайском колледже, хмель содержал в среднем 4% альфа-кислот, максимум — 6%. С тех пор селекционеры создали сорта хмеля, шишки которых содержат более 20% альфа-кислот, и практически во всех случаях они являются потомками двух первых сортов Салмона. Относительно недавно определение того, что представляет собой приятный хмелевой вкус и аромат, расширилось, добавились фруктовые и экзотические характеристики. Популярные сорта, такие как Citra, Mosaic, Centennial и Sorachi Ace, в той или иной степени являются потомками Brewer’s Gold.
В конечном счете, утверждение Салмона о том, что хмель из Америки отличается от хмеля из Англии или Европы, оказалось верным. Ученые пришли к единому мнению о том, что эти рода растений разделены более чем миллионом лет эволюции. Недавно путем химического и молекулярно-генетического анализа было установлено, что американский дикий хмель более разнообразен, чем европейский.
Сбор данных
Век назад Салмону найти дикий хмель, доказывавший правильность его теории, помогла удача. Сегодня же ученые, занимающиеся изучением хмеля, имеют ряд инструментов, позволяющих определить, произрастало ли растение в северной части штата Нью-Йорк или на юго-западе страны, или же оно родом с другого континента, или, быть может, оно является гибридом американского дикого и европейского хмеля. Использование секвенирования нового поколения стимулирует развитие хмелеводства, а следовательно, и эволюцию самого хмеля. И актуально это не только в случае хмеля. Данная технология изменит и два других основных ингредиента пива: дрожжи и ячмень.
— Секвенирование помогает нам понять, откуда берутся различные штаммы дрожжей (или сорта хмеля и солода) и как они связаны; и, возможно, что более важно, оно помогает вывести более совершенные сорта и штаммы, сочетающие в себе лучшие качества исходных образцов, – говорит Кевин Верстрепен, генетик дрожжей из университета Лёвена и Фландрского института биотехнологии.
Технология секвенирования нового поколения зародилась в США, вытеснив старую технологию, появившуюся в 1977 году. Новая технология более быстрая, точная и, как следствие, более экономичная.
«Сегодня даже студент в одиночку, с минимальными затратами, может за секунды получить результаты, на которые раньше у ученых уходили годы», – пишут в своей книге A Natural History of Beer («Естественная история пива») Роб Десаль и Айан Таттерсолль.
Секвенирование начинается с упорядочения строительных блоков, называемых нуклеотидными основаниями (их существует четыре вида), внутри небольшого отрезка ДНК. Фрагменты сопоставляются для поиска совпадающих участков, чтобы секвенировать более крупные участки ДНК и, в конечном итоге, целые хромосомы. Геном – совокупность генов, содержащихся в ДНК организма. Метод Сэнгера, разработанный в 1970-х годах британским биохимиком Фредериком Сэнгером, позволяет секвенировать по одному фрагменту ДНК за раз. Платформы секвенирования нового поколения способны одновременно сопоставлять миллионы фрагментов.
Ученые впервые секвенировали штаммы дрожжей, используемые пивоварами и пекарями, в 1996 году, выявив свыше 12 млн химических субъединиц. Это был шаг на пути к секвенированию человеческого генома, проекту, который занял более десяти лет и обошелся в 3 млрд долларов (секвенирование первого человеческого генома само по себе стоило около 1 млрд долларов). Сегодня лаборатории за ту же работу берут от 300 до 1500 долларов. Секвенирование стало настолько дешевым, что в 2012 году биотехнологическая компания Illumina, расположенная в Сан-Диего, неподалеку от White Labs, бесплатно секвенировала 96 штаммов дрожжей, чтобы протестировать новое оборудование cеквенирования нового поколения.
Вскоре после этого руководитель отдела исследований и разработок в White Labs Троэльс Праль узнал, что группа бельгийских исследователей во главе с Верстрепеном также изучает фенотипический ландшафт дрожжей, то есть связывает то, что было выявлено генетически, с наблюдаемыми признаками. Совместно эти две команды секвенировали геномы 157 штаммов дрожжей, большая часть которых используется в пивоварении. Опубликованная в 2016 году книга Domestication and Divergence of Saccharomyces cerevisiae Beer Yeasts («Одомашнивание и дивергенция пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae») представляет собой реконструкцию истории эволюции дрожжей на протяжении веков, описывает их генеалогическое древо и предоставляет карту размножения и развития штаммов в будущем.
Геном растений зачастую длиннее человеческого, потому что в нем гораздо больше повторяющихся элементов. В период с 2000-го по 2008 год ученые секвенировали геномы лишь 10 растений. Открытие маркеров — однонуклеотидных полиморфизмов, впервые обнаруженных в геноме человека, — облегчило составление генетических карт и позволило использовать их для сопоставления с признаками. Геномы ячменя (Hordeum vulgare L.) и хмеля (Humulus lupulus) входят в число 600 собранных с тех пор геномов растений.
77 ученым из 10 стран потребовалось 10 лет, чтобы собрать воедино упорядоченную последовательность генома ячменя, которая была опубликована в 2017 году. Исследователи выявили, что ген альфа-амилазы, фермента, расщепляющего до сахаров крахмал в соложёном ячмене, повторяется несколько раз.
— Это расширяет наши знания о том, как можно увеличить содержание фермента. Имея несколько копий, мы можем выбрать те, что хотим размножить, – сказал Гэри Ханнинг, директор по глобальным исследованиям ячменя для Anheuser-Busch InBev, когда исследование было опубликовано.
Впервые о выявлении молекулярных маркеров в хмеле было заявлено в 1995 году. За последующие четыре года было обнаружено всего 224 маркера. Сегодня в тысячах сортов хмеля по всему миру обнаружено более миллиона однонуклеотидных полиморфизмов. Однако сопоставление маркеров и выявление необходимых признаков – будь то устойчивость к болезням или уникальные ароматы — может в некоторых случаях занимать много времени.
— Мы пока что не добились желаемого результата. Это новый рубеж, – поясняет Пол Мэттьюс, работающий старшим научным сотрудником в Hopsteiner, международной компании, занимающейся торговлей хмелем и имеющей селекционные программы в Соединенных Штатах и Германии. — Мы все ещё пребываем на стадии утверждения концепции.
Сокращение цикла
Сегодня селекционеры — независимо от того, специализируются ли они на выращивании хмеля, гороха или кур — задают себе тот же вопрос, что и Грегор Мендель более 150 лет назад: «Могу ли я предсказать, как тот или иной признак передастся следующему поколению?» Принципы наследования Менделя часто служат им руководством. До того, как работа Менделя получила широкое признание, считалось, что черты характера появляются у потомства в результате сочетания родительских характеристик. Мендель установил, что упомянутые Салмоном «устойчивые признаки» (теперь понимаемые как гены) могут быть доминантными или рецессивными.
Процессы перекрестного опыления сортов при образовании семян ячменя и хмеля различны, но в обоих случаях для выведения новых сортов требуется пройти долгий путь. Селекционеры должны продумывать план на десятилетия вперед.
— Нужно запастись большим ассортиментом ароматов и дождаться, когда придут со своими идеями пивовары, – говорит Антон Лутц, селекционер Немецкого исследовательского центра хмеля. — Тогда можно будет сказать: у меня есть то, что тебе нужно.
Комментировать