Пивная наука: как химики и генетики делают вечер пятницы приятным

В 1920 году пивоваренная компания Carlsberg подарила будущему нобелевскому лауреату Нильсу Бору дом с трубопроводом, по которому все его обитатели бесплатно получали пиво прямо с завода. Да что там! Бор основал свой Институт теоретической физики Университета Копенгагена, ведущий центр изучения атомной физики и квантовой механики, на деньги того же производителя пива. И это не единственная тесная связь хмельного напитка с наукой.

Пивоварам приходится постоянно решать химико-биолого-генетические вопросы. В какой части ферментёра должны плавать дрожжи? Что добавить в пиво, чтобы оно имело запах дыма или шоколада? Современная наука позволяет легко дать на них ответ.

Ингредиенты

В пиве четыре основных составляющих. Первое — это, конечно, вода. Без неё пиво не было бы напитком. Второе — солод. Это зёрна злаков, которые намочили и прорастили. В результате этих процедур в зёрнах активизируются ферменты — диастазы, которые разлагают крахмал на более простые сахара. Этими сахарами питаются дрожжи — третий важный компонент пива. Дрожжи — это микроскопические одноклеточные грибы, которые получают энергию по большей части не за счёт дыхания, как мы, а посредством брожения. Во время брожения дрожжи перерабатывают сахар в спирт. Наконец, четвёртая составляющая пива — хмель (кстати, близкий родственник конопли). "Шишки" (женские цветки) этого растения используют для получения лупулина — смеси веществ, придающей пиву горечь и желтовато-бурый цвет.

Всё на дрожжах

Из четырёх составляющих пива важнее всего дрожжи. Это они обеспечивают взаимосвязь остальных ингредиентов. Дрожжи отвечают почти за все вкусовые аспекты пива. И именно на них чаще всего и влияют учёные, ведь эти грибы — единственный по-настоящему живой компонент напитка. Дрожжи, в отличие от своих ближайших родственников, умеют и предпочитают обитать в жидкостях, а не на твёрдой почве, и состоят не из мицелия (нитей микроскопической толщины, в которых между клетками часто отсутствуют перегородки), а из отдельных клеток.

Вообще говоря, дрожжи — популярный объект исследований генетиков и биохимиков и безо всякого пива. Эти грибы удобны тем, что при достаточном количестве ресурсов размножаются чаще всего почкованием, поэтому каждая новая клетка похожа на предыдущую как две капли воды не только по своему строению, но и по генам. (Впрочем, в дикой природе, когда условия для жизни далеко не идеальны, дрожжи могут использовать половое размножение, так как оно чаще даёт более жизнестойких потомков, которые быстрее приспосабливаются к меняющимся условиям среды.) Кроме того, у дрожжей активно идёт процесс спиртового брожения, в результате которого из сахара образуются этанол и углекислый газ (последний обеспечивает пузырьки пены в пиве). Как правило, брожение — прерогатива бактерий, а организмы посложнее, вроде тех же грибов, им не пользуются.

Как и все живые организмы, дрожжи в одних условиях чувствуют себя хорошо, а в других — не очень. Например, в жёсткой воде с большим количеством ионов кальция и магния брожение (ещё говорят "ферментация") сусла замедлится. Для приготовления светлых сортов пива лучше брать мягкую воду, где кальция и магния меньше. А тёмное пиво требует воду пожёстче. Повышенное содержание ионов гидрокарбоната — HCO₃ — изменяет кислотность воды. Это, в свою очередь, тоже влияет на скорость ферментации, а следовательно, на брожение и окончательный вкус пива.

Родоначальник пивной науки

Хотя при слове "пиво" в первую очередь вспоминают Германию, пожалуй, больше всего для науки пивоварения сделали вовсе не немцы, а датчане. Точнее, один — Эмиль Христиан Хансен. Этот химик и микробиолог, работая на компанию Carlsberg, научил пивоваров пользоваться "правильными" дрожжами. До него никто особенно не контролировал, что за микроорганизмы попадают в чан для ферментации. Оказалось, что "дикие" дрожжи дают напитку излишнюю кислинку, но из тех грибов, что попали в чан, можно отобрать те, которые будут придавать пиву нужный вкус. Эти дрожжи можно целенаправленно размножить и получить так называемые штаммы — что-то вроде пород у животных, только для грибов. Каждый штамм даёт пиву свой определённый вкус. Хансен впервые выделил отдельные штаммы пивных дрожжей ещё в 1883 году.

Кроме всего прочего, Эмиль Хансен выяснил, что в зависимости от расположения дрожжей в ферментёре получаются разные сорта пива. Как оказалось, важно, в какой части этой ёмкости находятся клетки дрожжей. С древности люди использовали так называемое верховое брожение, когда дрожжи концентрировались в верхней части чана и находились там при сравнительно высокой температуре, 14—25°C. Аппаратура для такого пивоварения чуть проще, чем требующаяся для низового брожения, которое проходит фактически на холоде — при 6—10°C. В результате верхового брожения получаются эли, а в результате низового — лагеры.

Дрожжи для низового брожения вывел тоже Хансен. Им даже присвоили статус отдельного вида: "обычные" пивные дрожжи — Saccharomyces cerevisiae, а "низовые" дрожжи Хансена — Saccharomyces сarlsbergensis. Впрочем, все штаммы дрожжей могут обеспечивать оба вида брожения, просто одни лучше подходят для верхового, другие — для низового.

Хотя заслуги Хансена перед пивоварением однозначно не забыты, сейчас многие предпочитают идти по более простому пути. С ростом числа крафтовых пивоварен увеличилась популярность верхового брожения. Его проще осуществлять, чем низовое. Так что Saccharomyces сarlsbergensis и подобные штаммы дрожжей стали несколько менее распространёнными.

Пиво и гены

Дрожжи используют не только для пивоварения и теоретических исследований: они полезны и в других областях практики. Например, в их ДНК сравнительно просто вставлять чужие гены и таким образом заставлять клетки дрожжей вырабатывать нужные вещества.

Если не углубляться в экзотику, будет достаточно лишь изменить гены, отвечающие за вкус и запах пива. Гены кодируют белки, а запах самих белков люди редко способны ощущать. Зато запахом обладают летучие вещества, которые клетки дрожжей теоретически могут произвести за счёт белков-ферментов. Например, эфир под названием изоамилацетат пахнет как банан, этилбутират по запаху похож на ананас, а этилгексаноат отдаёт яблоком или даже анисом. Синтез одного или нескольких из этих веществ в дрожжах можно усилить или ослабить, управляя генетикой грибов.

Большая группа исследователей из лаборатории Кевина Верстрепена в Бельгии (Kevin Verstrepen; некоторое время он также работал в Гарварде и Массачусетском технологическом институте) исследовали тысячи штаммов дрожжей и определили, какие гены определяют содержание алкоголя в будущем пиве. Дело в том, что для дрожжей спирт — это побочный продукт процесса брожения, и сами они не извлекают из него сколь-либо значимую пользу. Мы ведь тоже стараемся не попадать в собственные экскременты и уж тем более не стали бы жить в них. Так вот, концентрация этилового спирта, в которой может жить дрожжевая клетка, тоже ограничена. Однако устойчивость дрожжей к этанолу можно немного поднять за счёт тщательного искусственного отбора, а также генной инженерии. Например, датские учёные уже приспособили нашумевшую технологию "ДНК-ножниц" CRISPR-Cas к быстрому редактированию генома пивных дрожжей.

Коллекция штаммов дрожжей у Кевина Верстрепена и его коллег весьма обширная. Например, у них есть грибы с генами, позволяющими им производить 4-винилгуакамол — вещество, обеспечивающее пиву запах гвоздики (или дыма, в зависимости от концентрации). Гены PAD1 и FDC1, которые позволяют пивным дрожжам вырабатывать это вещество, взяли у их винных собратьев.

Совсем недавно работники лаборатории Верстрепена в ходе очередного анализа геномов своих "подопечных" дрожжей выяснили, что одомашнить можно даже грибы. Они сравнили варианты нескольких генов у 157 различных штаммов Saccharomyces cerevisiae и показали, что все дрожжи, используемые в пивоварении, произошли от одной небольшой группы организмов. Кроме того, геномы всех этих штаммов несут в себе признаки одомашнивания. Они проявляются в том, что у дрожжей для варки пива почти не изменяются гены, отвечающие за механизмы полового размножения и другие функции, которые обеспечивают выживание в дикой природе. То есть отбора наиболее приспособленных по этим признакам почти нет. Зато гены таких физиологических процессов, как устойчивость к стрессам, способность вырабатывать спирт и пахучие вещества, явно подвергались в последнее время отбору. Меж тем все эти признаки имеют большое значение для пивоварения.

Сбежавшие мухи — спиртовые ищейки

Грибы-дрожжи и мухи-дрозофилы связаны друг с другом не только тем, что их очень любят использовать в своих экспериментах генетики. Оказывается, они эволюционировали вместе, и благодаря дрозофилам запах и вкус пива стал приятнее. А те же бельгийские учёные, которые отбирали самые удачные штаммы дрожжей для пивоварения, смогли вывести дрозофил, определяющих содержание того или иного вещества в пиве.

Дело в том, что для развития личинкам дрозофил нужно некоторое количество этилового спирта. Поэтому взрослые насекомые откладывают яйца на подгнивших фруктах, в которых уже начался тот же процесс брожения, что и в чане-ферментёре. Для дрозофил крайне важно понимать, сколько алкоголя содержится в том или ином фрукте. У этих насекомых есть специальная сеть из нервных клеток, которая обеспечивает "правильное" поведение в ответ на обнаружение этанола в окружающей среде. Интересно, что нейроны этой сети выделяют нейромедиатор дофамин, который у зверей отвечает в том числе за ощущение удовольствия. По всей видимости, у насекомых активация этих клеток тоже вызывает приятные ощущения.

Естественно, дрозофилы могут "чуять" спирт не только в яблоках и сливах, но и в жидкой питательной среде, где плавают дрожжи. Правда, как случайно выяснили пивовары из лаборатории Верстрепена, в поиске питательной среды для личинок эти мухи ориентируются не на сам запах этанола. Учёные экспериментировали со штаммами дрожжей, которые почти не выделяют летучих веществ во время ферментации из-за мутации в гене ATF1, в результате чего пиво, произведённое с помощью таких дрожжей, почти не пахнет. Сусло оставили на выходные. По случайности, которая оказалась счастливой, в те выходные из соседней генетической лаборатории "сбежало" довольно много дрозофил. Все они прилетели в комнаты к Верстрепену, но распределились по чанам неравномерно. Почти все мухи проигнорировали сусло без запаха и облюбовали напиток с нормальным пивным духом. Интерес дрозофил к пиву от дрожжей-мутантов можно было разжечь, если специально добавить в сусло изоамилацетат или этилацетат. Таким образом, Верстрепен и его сотрудники поняли, что мух можно использовать для поиска тех или иных пахучих веществ в пиве.

Вероятно, описанное поведение дрозофил выгодно не только для самих мух, но и для дрожжей. Дрозофилы переносят на лапках клетки дрожжей, а раз их не привлекают дрожжи с определёнными мутациями, клетки таких грибов не будут широко распространяться. Зато количество мест, доступных для "нормальных" дрожжей, будет расти, так как мухи невольно разносят их всё дальше и дальше. Таким образом, непривлекательность "неправильных" дрожжей для мух мешает распространению бесполезных или потенциально вредных мутаций.

Пиво под кайфом?

Одну из женщин-учёных, которая занимается генетической инженерией пивных дрожжей, научный журнал Nature назвал одним из десяти лучших исследователей 2015 года наравне с главным специалистом по ядерной политике Ирана, исследователем сверхпроводников, палеогенетиком и редактором геномов человеческих зародышей. Эта женщина, Кристина Смолке (Christina Smolke), вывела штамм дрожжей, способных производить опиоиды, а конкретно тебаин и гидрокодон. Эти вещества обладают обезболивающими свойствами, но в РФ входят в перечень наркотических веществ.

Лаборатория Смолке в Стэнфордском институте ввела в состав ДНК дрожжей более 20 генов, обеспечивающих производство этих веществ из обычного сахара, который в достатке содержится в солоде. Гены искали в нескольких видах мака, а потом их последовательности воссоздавали "буква за буквой", нуклеотид за нуклеотидом. Работа стоила немалых денег, и статья о ней вышла в одном из самых престижных научных журналов — Science. Однако на момент выпуска научной статьи в сентябре 2015 года исследователи признавались, что их грибы пока производят недостаточно тебаина и гидрокодона, чтобы их можно было использовать для промышленного синтеза этих веществ.

Впрочем, о пиве с опиоидами в составе можно особенно не мечтать. Во-первых, тебаин и гидрокодон в первую очередь нужны как сильнодействующие лекарства, и пиво с ними вряд ли будут производить: слишком дорого. Во-вторых, речь всё-таки идёт о наркотических веществах, и их производство и распространение точно будет строго контролироваться. В-третьих, небольшое количество алкоголя усиливает действие опиатов и подобных им веществ, поэтому во избежание передозировки их лучше не смешивать.