Российские ученые описали метагеном российского крафтового пива и сидра

logo

Сотрудники Института биологии гена Российской академии наук и исследовательской компании «Кномикс» совместно с Университетом ИТМО, Курчатовским институтом и Центром Биотехнологии при поддержке Российского научного фонда проанализировали ДНК микробиома — сообществ дрожжей и бактерий — в российском крафтовом пиве и сидре спонтанного брожения. Секвенирование метагенома — геномов всех микробов в образце — в перспективе может помочь повысить предсказуемость и воспроизводимость вкусовых и ароматических качеств напитков и усовершенствовать микробиологический контроль на производстве.

Подробнее о проведенном исследовании порталу Profibeer рассказал Александр Тяхт, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биологии гена РАН и директор по технологиям «Кномикс».

— Мы анализируем «большие данные» в биологии, помогаем их визуализировать  и интерпретировать, — поясняет Александр Тяхт. — В основном мы занимаемся микробиотой человека, конкретно — кишечника. Наша компания проводит исследования для фармацевтических и пищевых компаний, изучает, что происходит с сообществом кишечных микробов, когда человек употребляет определенные лекарства или продукты, и как это влияет на здоровье. Помимо человеческой, мы исследуем и всевозможные другие микробиоты, в том числе пищевые. У нас есть опыт работы с производителями кисломолочных продуктов. В какой-то момент возник факультативный интерес по поводу пива и сидра. Понятно, что в 99% сортов на полках магазинах используются лишь Saccharomyces cerevisiae, но есть отдельные стили, которые интересно исследовать: спонтанного и смешанного брожения.

Что и как?

Исследователи подобрали более 20 сортов российского крафтового пива: сауэр-эли, американские дикие и фламандские эли, а также несколько образцов сухого сидра спонтанного брожения.

В Институте биологии гена Российской академии наук при поддержке Российского научного фонда развивается проект по разработке продвинутых способов ДНК-анализа микробиомов. Пока они слишком сложны для широкого коммерческого применения, но ученые на небольшом числе образцов разрабатывают методики: отрабатывают экспериментальную часть, алгоритмы анализа данных, правильную интерпретацию результатов, объясняют, как с ними работать биологам, в чем их смысл для биомедицины, пищевой промышленности и биотехнологии.

С целью отбора наиболее подходящих для проекта образцов, ученые отсеквенировали последовательности бактериального гена 16S рРНК и дрожжевого региона ITS в образцах напитков. Это дало возможность понять полный бактериальный и дрожжевой состав каждого образца в процентах.

— В чем преимущество по сравнению с тем, что обычно получают в микробиологической лаборатории? — поясняет Александр Тяхт. — Там делается посев на какие-то конкретные микроорганизмы. Если что-то не выросло, просто остается незамеченным. В данном случае мы анализируем всю совокупность генетического материала. Мы видим как все виды бактерий и дрожжей, так и относительную представленность каждого вида.

Полученные данные обработали на онлайн-платформе «Кномикс-биота», специальном «движке» компании для исследования микробиотных данных. Он позволяет любому исследователю без навыков биоинформатики — врачу, микробиологу, биотехнологу — получить интерпретируемые результаты из «сырых» микробиомных данных.

Интерактивная карта состава микробиома пива позволяет сопоставлять присутствие каждого вида (столбцы) с рецептурой и химическим составом образцов (строки).

— Для каждого отсеквенированного образца получается файл с текстовыми последовательностями ДНК (прочтениями), каждое из прочтений мы можем «пробить по базе» и понять, какого рода или вида эти бактерии или дрожжи. Например, мы можем увидеть, что в определенном сорте содержатся микроорганизмы Dekkera, а затем углубиться и более детально узнать, что это Dekkera bruxellensis – причем в разных сортах, похоже, содержатся разные группы штаммов, — рассказывает Александр Тяхт.

В итоге ученым удалось установить корреляции в составе микробиоты по стилям, а также выделить наиболее интересные для детального изучения составы. Поскольку на практике интересен не только состав сообщества, но и как оно влияет на химический состав, в качестве «пробного шара» ученые также измерили уровни коротких органических кислот в напитках (уксусной, молочной и других).

Предсказуемость непредсказуемого пива

В перспективе исследования коллектива могут принести большую практическую пользу для индустрии ферментированных напитков. В частности, новые технологии позволят более четко понять влияние различных микроорганизмов на вкус и аромат и сделать технологию производства таких сложных стилей более предсказуемой. Например, возможно создание метаболической модели сорта, которая позволит по составу генома нескольких основных видов микроорганизмов понять, как они вместе повлияют на продукт.

Если у какого-либо сорта проявились определенные свойства, которые пивоварам захочется как-то воспроизвести, метод российских ученых позволит выявить и показать возможные микробные причины, а дальше уже работать с этим более направленно, более эффективно.

— Например, в некоторых диких сидрах мы обнаружили Oenococcus oeni — микроб, который преобразует яблочную кислоту (малат) в лактат, — рассказывает Александр Тяхт. — Малат более терпкий. Общение с сидроделами подтвердило, что сидры, в которых мы нашли эту бактерию, менее кислые, с более мягким вкусом. Соответственно, мы понимаем, что Oenococcus oeni способен улучшать органолептические свойства сидра. А в дальнейшем можно изолировать этот штамм из образца и создавать из нее препараты для добавления к ферментации. Мы благодарны пивоварам и сидроделам из пивоварен Zavod, On the bones/«Токсовской сидрерии», Double A,  Big Village Brewery и Salden’s, которые охотно откликнулись на нашу просьбу помочь с интерпретацией составов конкретных сортов. Полученные находки относительно того, как тот или иной шаг рецептуры отражается в присутствии специфических видов, подкрепили нашу уверенность в том, что мы на правильном пути.

Технологии секвенирования генома могут вывести на новый уровень микробиологический контроль на производстве. Секвенирование — довольно дорогой и долгий анализ, его пока что сложно проводить рутинно. Но выявив виды и рода бактерий и дрожжей, которые воспроизводятся из сорта в сорт, можно разработать более прицельные, оперативные и дешевые виды анализа. Например, на основе привычного уже в медицине ПЦР в режиме реального времени или даже более перспективных, таких как петлевая изотермическая амплификация (LAMP, Loop-mediated Isothermal Amplification).

ДНК-анализ микробиоты может помочь и в разработке слабоалкогольных и безалкогольных сортов пива, и даже в создании пробиотического пива или производстве биотоплива.

— Понятно, что для более всеобъемлющего анализа микробиома спонтанного пива нам нужны временные серии, повторности, больше стилей, — рассуждает Александр Тяхт. — Но мы уже поняли, что открыли потенциальные микробные сигнатуры, которые имеют значение для производства и науки.

Подробнее об исследовании можно прочитать в журнале Food Microbiology.

Чрезмерное употребление пива вредит вашему здоровью