Naukowcy z Uniwersytetu Wrocławskiego nawarzyli piwa
Biotechnolodzy UWr wraz z naukowcami z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu oraz Politechniki Wrocławskiej nawarzyli piwa… Od razu uspokajamy jednak, że w dosłownym oraz pozytywnym tego słowa znaczeniu i to w dodatku dla dobra nauki.
Zespół naukowców zbadał wewnętrzny metabolom i profil lotnych związków organicznych występujących w drożdżach piwowarskich i ich mutantach produkujących piwo o ulepszonym aromacie. Efektem analiz jest publikacja artykułu w wysoko punktowanym czasopiśmie Scientific Reports wydawnictwa Nature Springer. O badaniach zespołu opowiada nam dr Sławomir Jan Jabłoński z Wydziału Biotechnologii UWr, współautor artykułu.
Związki lotne odpowiadają za przyjemny aromat
– Lotne związki organiczne to związki o dużej prężności pary w temperaturze pokojowej, prościej mówiąc związki, które łatwo parują. Często są również słabo rozpuszczalne w wodzie, więc łatwo jest je wydostać z roztworu wodnego co ma znaczenie w przypadku produkcji artykułów spożywczych, na przykład piwa – wyjaśnia dr Jabłoński. Jest to dość szeroka klasa związków o różnej strukturze chemicznej. Niektóre z nich mają ładny zapach i ich obecność w produktach spożywczych albo kosmetykach jest pożądana, inne wręcz przeciwnie, pachną nieprzyjemnie. Duża część tych związków jest produkowana przez organizmy żywe, w tym rośliny. Związki lotne odpowiadają za przyjemny zapach kwiatów i ziół. Są wytwarzane także przez drożdże, których badaniem zajmują się autorzy publikacji.
Drożdże podszywają się pod kwiaty
Naturalnym środowiskiem życia drożdży są skórki owoców i powierzchnie roślin. Jedna z teorii mówi, że drożdże produkują związki lotne, bo ułatwia im to zasiedlenie nowych miejsc. Oczywiście drożdże nie mogą się same poruszać i wymagają pomocy owadów, które są przyciągane za pomocą zapachu związków lotnych. – Drożdże próbują zwabić owady na podobnej zasadzie jak robią to kwiaty, następnie przyczepić się przykładowo do ich odnóży i z nimi przenieść się dalej – opowiada naukowiec.
Człowiek zaadaptował drożdże do produkcji przetworów fermentowanych. Na przestrzeni wieków piwowarzy, nie zdając sobie nawet sprawy z procesów biologicznych zachodzących podczas produkcji piwa, prowadzili selekcję – przykładowo pozbywając się partii piwa o nieprzyjemnym zapachu, a zostawiając te o atrakcyjnym aromacie – dzięki czemu otrzymali szczepy drożdży piwnych wytwarzające bardzo intensywnie lotne związki organiczne o przyjemnym zapachu.
Mutageneza a modyfikacja genetyczna
Zespół, którego członkiem jest dr Jabłoński, zbadał szczepy drożdży piwnych powstałe pod wpływem promieniowania UV w procesie mutagenezy z dwóch naturalnych szczepów drożdży.
Proces mutagenezy polega na wywołaniu uszkodzeń DNA u organizmów żywych, w tym wypadku drożdży. Na płynną zawiesinę drożdży działamy czynnikiem, który będzie powodował uszkodzenia materiału genetycznego. W tym przypadku było to promieniowanie UV, którego użycie jest stosunkowo bezpieczne dla osoby wykonującej doświadczenie. – Proces mutagenezy przeżywa tylko część komórek i nie potrafimy określić, jaki dokładnie da wynik. – opowiada biotechnolog. – Celem tej części badań było wybranie mikroorganizmów, które nabyły określonych cech, a konkretnie szczepów produkujące związki lotne o przyjemnym zapachu.
Jest bardzo prawdopodobne, że w organizmach, które przeżyły mutagenezę obecne będą mutacje, czyli zmiany sekwencji DNA. Jeżeli interesuje nas tylko to, czy dany organizm nabył pożądaną cechę, w tym przypadku przyjemną woń, bo chcemy go użyć na przykładowo do produkcji piwa, to w zasadzie możemy na tym etapie poprzestać. – Nas jako naukowców interesowało jednak to, z czego ta cecha wynika, jakie związki i w jakich proporcjach są obecne w zmutowanych szczepach – podkreśla dr Jabłoński.
W przypadku mutagenezy losowej (np. indukowanej promieniowaniem UV), dopiero w wyniku przeprowadzenia szeregu analiz jesteśmy w stanie stwierdzić, jakie zmiany nastąpiły w sekwencji DNA oraz co tak naprawdę leży u podstaw mechanizmu, który doprowadził do zmiany właściwości danego mikroorganizmu. W przypadku inżynierii genetycznej jest odwrotnie. Wiemy, jaki fragment sekwencji DNA chcemy zmienić i jak chcemy to zrobić. Mamy nadzieję, że wprowadzenie tej modyfikacji doprowadzi do powstania cechy, która jest dla nas pożądana, czyli np. do zwiększenia czy zmniejszenia produkcji danego związku. Podczas modyfikacji genetycznej używamy narzędzi, które dają nam efekty dużo bardziej precyzyjne niż promieniowanie UV.
Naukowiec podkreśla, że korzyści ze stosowania mutagenezy losowej wynikają głównie z polskich uwarunkowań prawnych: – W Polsce mamy bardzo restrykcyjne prawo dotyczące wykorzystywania przemysłowego organizmów modyfikowanych genetycznie. Mutageneza to proces zachodzący również w warunkach naturalnych. Drożdże naturalnie żyją na skórkach roślin, są oświetlane promieniami słonecznymi. Światło słoneczne również zawiera komponent promieniowania ultrafioletowego, więc drożdże podlegają naturalnej mutagenezie. Stąd ten sposób uzyskania cech korzystnych dla przemysłu nie jest przez nasze ustawodawstwo dyskwalifikujący z obrotu.
Drożdże zastąpią chmiel?
W zmutowanych szczepach drożdży naukowcy z Wrocławia zidentyfikowali znaczną ilość terpenoidów – lotnych związków aromatycznych, które w tradycyjnej produkcji piwa pochodzą głównie z chmielu. Odkrycie to może mieć istotne implikacje zarówno dla przemysłu browarniczego, jak i kosmetycznego. Zmiany klimatyczne mają wpływ na uprawy chmielu, modyfikując ich parametry organoleptyczne, co może negatywnie wpłynąć na jakość produktów. Alternatywą może być pozyskiwanie terpenoidów z drożdży. Szlak metaboliczny prowadzący do biosyntezy terpenoidów jest złożony i obejmuje wiele etapów. Służy do syntezy lipidów, kluczowych składników błon komórkowych. Jednak produkty pośrednie tego szlaku mogą być prekursorami związków lotnych, w tym takich, które charakteryzują się pożądanymi właściwościami aromatycznymi – wyjaśnia biotechnolog. Badania, opisane w literaturze naukowej, wykazały, że takie związki można uzyskać z drożdży za pomocą metod inżynierii genetycznej przez wprowadzenie genu kodującego enzym, który umożliwia syntezę związków aromatycznych typowo występujących w chmielu.
Piwo o smaku sernika waniliowego
Wiedząc, że w Polsce wprowadzenie organizmu genetycznie modyfikowanego do obrotu byłoby problematyczne, wrocławscy naukowcy zaczęli zastanawiać się nad tym, czy możliwe jest uzyskanie szczepów drożdży wytwarzających terpenoidy za pomocą mutagenezy losowej. Przeprowadzone przez nich analizy potwierdziły, że rzeczywiście niektóre zmutowane szczepy produkują tego rodzaju związki lotne. Szczepy, które opisali w artykule wytwarzają terpenoidy charakteryzujące się zapachem kwiatowym oraz owocowym, więc użycie ich do produkcji piwa, sprawiłoby, że taki napój byłby raczej produktem niszowym. – Nie każdemu konsumentowi smakowałoby piwo pachnące sernikiem waniliowym, ale terpenoidy o takim zapachu na pewno można wykorzystać w przemyśle kosmetycznym. Ponadto jeśli prowadzilibyśmy tę selekcję dalej, jest szansa, że uzyskalibyśmy nową pulę mutantów, które rzeczywiście wyprodukowałyby terpenoidy o bardziej standardowym dla piwa zapachu, do tej pory pozyskiwane z chmielu – przypuszcza biotechnolog.
Szlak metaboliczny, czyli cukry bez ustanku wchodzą w związki
Zespół przeprowadziłanalizę chemiczną substancji zapachowych wytwarzanych przez drożdże uzyskane w wyniku mutagenezy. Naukowcy analizowali również co w wyniku mutagenezy zmieniło się w szlakach metabolicznych wybranych szczepów drożdży. Szlak metaboliczny to kilka reakcji chemicznych katalizowanych najczęściej przez enzymy w organizmie żywym, które prowadzą do przekształcenia jednego związku chemicznego w drugi. Aby cukier przekształcić w terpenoid komórka musi przeprowadzić po drodze wiele reakcji chemicznych. – Mamy pewien model, który nam to opisuje. Zadaliśmy sobie pytanie, jakie zmiany zaszły na szlaku metabolicznym w wyniku działania mutacji wprowadzonych w procesie mutagenezy, że nagle pojawił się związek chemiczny, którego wcześniej nie było lub też że dany związek zniknął? – relacjonuje biotechnolog. Metabolity to związki wytwarzane przez organizmy żywe. Niektóre z nich są przez komórkę wydalane, a inne przekształcane przez nią w wyniku szeregu następujących po sobie reakcji chemicznych w inne związki. Cukier (np. glukoza) jest przekształcany w jeden związek, a następnie w drugi, trzeci, czwarty, itd. Na końcu dostajemy związek, który może być wydalany przez komórkę. Żeby stwierdzić czy coś w danym szlaku metabolicznym się popsuło albo dowiedzieć się co się zmieniło, można spróbować zmierzyć, jakie są stężenia substancji pośrednich dla tego szlaku metabolicznego. I to był nasz następny krok – dodaje. Ta część badań została wykonana we współpracy z Politechniką Wrocławską, z zakładem profesora Piotra Młynarza. Analizy przeprowadzono wykorzystując spektroskopię NMR ( z ang. Nuclear Magnetic Resonance czyli spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego). Spektroskopia pozwala zidentyfikować pojedyncze substancje w mieszaninie, dzięki czemu można ustalić, jakie jest stężenie związków pośrednich w uszkodzonych w wyniku mutagenezy komórkach. – Zmutowane szczepy drożdży posiadają inne stężenia związków lotnych (metabolitów), może ich być mniej lub więcej, pojawiają się nowe, a inne znów są nieobecne. Posiadając już informacje o stężeniu metabolitów pośrednich, możemy zacząć zastanawiać się, co się tak naprawdę zadziało dalej.
To nie marnotrawstwo, a wybór komórki
Część związków lotnych powstaje w szlaku metabolicznym, który jest również używany przez komórkę do produkcji aminokwasów hydrofobowych. Aminokwasy to składniki białek. Komórka dokonuje wyboru: może z cukru stworzyć aminokwas i następnie użyć go do budowy białek albo może metabolit pośredni przekształcić w związek lotny, który będzie ładnie pachnieć – wyjaśnia dr Jabłoński. Wydawać by się mogło, że tworzenie związku lotnego to dla komórki niepotrzebna rozrzutność, ale jeżeli ma jej to zapewnić przeniesienie w nową niszę ekologiczną, to wcale nie musi być oceniane jako marnowanie zasobów.
Jakie wnioski wyciągnęli naukowcy po zmierzeniu stężenia substancji pośrednich? – W naszym artykule opisujemy, że zaobserwowana przez nas zwiększona produkcja związków lotnych uzyskiwanych na drodze wspólnej z aminokwasami może wynikać prawdopodobnie z tego, że mechanizm syntezy aminokwasów uległ rozregulowaniu. Dzięki temu większy strumień metabolitów jest przekształcany w związki lotne – podsumowuje dr Jabłoński.
Plany badawcze zespołu
To jeszcze nie koniec analiz. Następny krok to sekwencjonowanie DNA powstałych szczepów drożdży. Kiedy zostanie poznana sekwencja genomowa, do obrazu szlaku metabolicznego dojdzie informacja dotycząca enzymów, czyli elementów, które katalizują poszczególne reakcje. Na podstawie sekwencji genomowej naukowcy będą w stanie stwierdzić, które enzymy uległy uszkodzeniu, czy też których może być wytwarzanych więcej, co da nam pełny obraz tego co się stało w zmutowanych komórkach.
Po co my w ogóle tych informacji szukamy? Dr Jabłoński wyjaśnia: – Jeżeli udoskonalimy model metaboliczny drożdży, to znaczy będziemy wiedzieli lepiej, w jaki sposób metabolizm jest regulowany, to za pomocą inżynierii genetycznej będziemy mogli zmodyfikować drożdże tak, aby użyć ich do produkcji związków zapachowych m.in. na potrzeby przemysłu kosmetycznego. Przy produkcji surowców do wytwarzania kosmetyków ograniczenia dotyczące GMO nie mają zastosowania, ponieważ do kosmetyków nie trafiają drożdże w całości, a jedynie wyprodukowany przez nie związek zapachowy – odzyskany i poddany procesowi oczyszczania.
Czy jest szansa na komercjalizację szczepów?
Zmutowane szczepy drożdży powstałe w wyniku mutagenezy mają znaczący potencjał komercjalizacyjny. Piwo o unikalnym profilu aromatycznym, łączącym nuty kwiatowe i owocowe, wyprodukowane przez wrocławskich naukowców w celach badawczych, mogłoby stanowić interesującą innowację na rynku piwowarskim, zdominowanym obecnie przez lagery. Wprowadzenie takiego produktu mogłoby znacząco poszerzyć ofertę rynkową, przyciągając konsumentów poszukujących nowych wrażeń sensorycznych. Aromatyczne związki lotne wytworzone przez szczepy drożdży uzyskane w trakcie badań mogłyby znaleźć również zastosowanie w przemyśle kosmetycznym. Biotechnolog nie ukrywa jednak, że bardziej niż komercjalizacją, zespół jest zainteresowany badaniami podstawowymi w dziedzinie biochemii i wypełnianiem luk na tym polu, czyli dalszymi badaniami nad szlakami metabolicznymi drożdży.
Autorzy publikacji:
- dr Sławomir Jan Jabłoński, Zakład Biotransformacji, Wydział Biotechnologii UWr
- prof. dr hab. Marcin Łukaszewicz, Zakład Biotransformacji, Wydział Biotechnologii UWr
- dr inż. Karolina Anna Mielko-Niziałek, Katedra Biochemii, Biologii Molekularnej i Biotechnologii, Wydział Chemiczny PWr
- prof. dr hab. Piotr Młynarz, Katedra Biochemii, Biologii Molekularnej i Biotechnologii, Wydział Chemiczny PWr
- dr Przemysław Leszczyński, Katedra Technologii Fermentacji i Zbóż, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności UPWr
- mgr inż. Alan Gasiński, Katedra Technologii Fermentacji i Zbóż, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności UPWr
- prof. dr hab. inż. Joanna Kawa-Rygielska, Katedra Technologii Fermentacji i Zbóż, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności UPWr
Linki do publikacji:
https://doi.org/10.1038/s41598-024-64899-4
https://www.nature.com/articles/s41598-024-64899-4
Rozmawiała: Ewelina Kośmider
Data publikacji: 2.10.2024 r.
