Геномы бактерий и грибков, используемых в производстве продуктов питания, несут на себе следы одомашниванияГеномы бактерий и грибков, используемых в производстве продуктов питания, несут на себе следы одомашнивания
Яркий вкус первой летней сладкой кукурузы и гордая осанка выставочной собаки свидетельствуют о силе одомашнивания.
Но и микробная алхимия, превращающая молоко в сыр, зерно в хлеб, а сою в мисо, тоже свидетельствует о силе приручения. Как и предки кукурузы и собаки, грибы и бактерии, которые способствуют этим преобразованиям, были модифицированы для использования человеком. Их геномы приобрели многие из классических признаков одомашнивания, сообщили исследователи в двух докладах, сделанных в этом месяце на конференции Microbe 2022, ежегодном собрании Американского общества микробиологии.
Микроорганизмы не могут быть "выведены" в обычном смысле этого слова, потому что, в отличие от гороха или свиней, отдельные микробы с желаемыми признаками не могут быть выбраны и скрещены. Но люди могут выращивать микробы и отбирать варианты, которые наилучшим образом служат нашим целям. Исследования показывают, что этот процесс, повторявшийся на протяжении тысячелетий, оставил генетические признаки, сходные с теми, что имеются у одомашненных растений и животных: микроорганизмы потеряли гены, эволюционировали в новые виды или штаммы и стали неспособны к существованию в дикой природе.
По словам Бенджамина Вулфа, микробиолога из Университета Тафтса, эти исследования "добираются до механизмов" одомашнивания микробов. Выяснение того, какие гены являются ключевыми для ценных признаков микробов, а какие могут быть утрачены, может помочь в дальнейшем совершенствовании организмов, которые создают большую часть нашей пищи и напитков, "особенно [в связи с] растущим интересом к ферментированным продуктам", - говорит микробиолог Ариан Перальта из Университета Восточной Каролины.
Дрожжи, используемые для приготовления хлеба, уже давно считаются одомашненными, поскольку они утратили генетические вариации и не могут жить в дикой природе. Но для других микробов ученым "не хватает четких доказательств одомашнивания... отчасти потому, что их микробные сообщества трудно изучать", - говорит Винсент Сомервиль из Университета Лозанны.
Сомервиль и Джон Гиббонс, специалист по геномике из Массачусетского университета, независимо друг от друга сосредоточились на пищевой ферментации, которая помогала древним фермерам и скотоводам превращать свежие продукты и молоко в продукты, которые могут храниться месяцами или годами. Гиббонс внимательно изучил геном Aspergillus oryzae, грибка, который запускает производство саке из риса, соевого соуса и мисо из соевых бобов. Когда фермеры выращивают A. oryzae, гриб - эукариот, ДНК которого заключена в ядре, - воспроизводится сам по себе. Но когда люди берут немного готового саке и переносят его в рисовое сусло, чтобы начать ферментацию заново, они также переносят клетки грибковых штаммов, которые развились и сохранили лучшие качества во время первого раунда ферментации.
Гиббонс сравнил геномы нескольких штаммов A. oryzae с геномами их дикого предка, A. flavus. Он обнаружил, что со временем отбор, проводимый людьми, повысил способность A. oryzae расщеплять крахмал и толерантно относиться к спирту, образующемуся при брожении. "Перестройка метаболизма, похоже, является отличительной чертой одомашнивания грибов", - сообщил он на конференции. Например, одомашненные штаммы Aspergillus могут иметь в пять раз больше копий гена для метаболизма крахмала, чем их предки - "блестящий способ эволюции включить этот фермент", - говорит Вулф. Гены одомашненного A. oryzae также мало изменяются, а геном утратил некоторые ключевые гены, включая гены токсинов, которые убивают дрожжи, необходимые для завершения ферментации, и которые могут вызвать заболевание у человека. Одомашнивание, очевидно, сделало A.oryzae более дружелюбным к человеку, так же как оно устранило горький привкус из многих пищевых растений.
Сомервилл сообщил на конференции, что он наблюдал примерно такую же картину у прокариот, или организмов без ядра, в том числе у бактерий, используемых для изготовления сыра. Первые сыроделы создали "стартовые" культуры бактерий, которые в Швейцарии используют для приготовления Грюйера и других сыров. С 1970-х годов сыроделы хранят образцы своих стартовых культур, чтобы оценивать свой сыр и поддерживать его качество на высоком уровне. Сомервиль секвенировал геномы более чем 100 образцов. "Самое интересное в этой работе то, что образцы хранятся в течение долгого времени", - говорит Вулф. "Вы можете увидеть, как формируется разнообразие", причем изменения за последние 50 лет указывают на траекторию изменений в течение прошлых столетий.
Все образцы имели низкое генетическое разнообразие, всего несколько штаммов двух доминирующих видов, сообщил Сомервилл. Эти несколько устойчивых штаммов, вероятно, важны для качества сыра, отметил Гиббонс. С 1970-х годов культуры также потеряли гены, в том числе некоторые, необходимые для производства определенных аминокислот, которые требуются для сборки белков. Но производство аминокислот требует больших затрат, а эти микробы живут в молоке, богатом белком. "Они смогли избавиться от множества ненужных им генов", - говорит Вулф. Сомервилл также обнаружил обширный обмен генами между микробами - один из способов приобретения новых генов.
Объединив результаты исследований, Гиббонс пришел к выводу, что геномы "одомашненных прокариот и микробных эукариот очень похожи" друг на друга и на многоклеточные одомашненные организмы. Аналогия с сельскохозяйственными культурами и животными не идеальна, так как микробы могут развиваться гораздо быстрее, и поэтому их легче "одомашнить". Тем не менее, по мере того, как исследователи будут совершенствовать одомашненные микробы, саке и сыр будут становиться еще вкуснее.
