Микроорганизмы тесно связаны с сельским хозяйством и пищевой промышленностью как в положительном, так и в отрицательном смысле.
Что касается полезного использования микроорганизмов, то люди воспользовались их деятельностью для сохранения, ароматизации и обогащения сельскохозяйственных продуктов путем ферментации. С ранних веков выращивания сельскохозяйственных культур и для переработки использовались дрожжи и грибки, обитающие в окружающей среде, что привело к появлению местных пищевых культур с уникальными вкусами и запахами. Несмотря на долгую историю использования традиционного брожения, только в середине 19 века, когда Луи Пастер выяснил химические процессы, связанные с жизнью и структурной целостностью дрожжевых клеток, алкогольное брожение стало признаваться результатом деятельности микроорганизмов.
В отличие от положительного воздействия брожения, метаболическая деятельность некоторых микроорганизмов может негативно влиять на здоровье человека, отравляя сельскохозяйственную продукцию. Описание такого негативного воздействия было сделано Луи Рене Туласне еще в 1853 году, в той же эпохе, когда Пастер сформулировал концепцию ферментации. Туласне показал, что токсичные спорыньевые склероции были произведены грибком, а не самой рожью. Позже было показано, что патогенный грибок Claviceps синтезирует в склероциях алкалоидные микотоксины спорыньи, после чего контроль микотоксинов в сельскохозяйственной продукции стал важным вопросом для обеспечения безопасности пищевых продуктов. В свете важности такого обоюдоострого метаболизма микроорганизмов, в рамках данного обзора представлено пять оригинальных научных работ и одна обзорная статья, которые расширяют научные знания о соответствующих микроорганизмах с помощью передовых современных технологий.
Саке - это традиционное японское рисовое вино, изготовленное путем усовершенствованной параллельной двойной ферментации, которая включает осахаривание крахмала из пропаренных рисовых зерен с помощью Aspergillus oryzae (известной как грибок коджи; твердые сорта риса также называются коджи) и одновременное спиртовое брожение с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Помимо обычных эукариотических ферментирующих микроорганизмов, используемых в производстве саке, бактерии, обитающие в винодельнях (по-японски их называют курацуки), были идентифицированы с помощью массивного параллельного секвенирования ДНК, что позволило выявить разнообразие микробной флоры во время производства саке в разных винодельнях. Это открытие привело к гипотезе, что специфический аромат и вкус продуктов саке, возможно, возник в результате взаимодействия между специфическими для винодельни курацуки бактериями и грибками. Действительно, функциональные исследования таких недавно выделенных и охарактеризованных бактерий курацуки позволили понять их участие в формировании аромата и вкуса саке в процессе изготовления напитков.
В тесной связи с этой теорией, Ito et al. описывают разнообразие и динамику микробиома в процессе производства саке на местной винодельне в деревне Каваба, относительно изолированном горном районе, граничащем с севером равнины Канто в Японии. Сравнивая варианты последовательности ампликонов гена 16S рРНК в ферментационной закваске и внешней среде, они продемонстрировали, что автохтонные бактерии из окружающей среды, поверхностей оборудования и сырья перешли в закваску на пивоварне. Также следует отметить, что относительная численность микробов из внешней среды изменилась во время ферментации.
Помимо метагеномных исследований традиционного процесса производства саке, данный обзор включает две статьи, в которых авторы пытались улучшить ферментацию и микробные продукты для промышленного применения. Liu et al. описывают свои усилия по улучшению качества сидра - широко распространенного алкогольного напитка, получаемого путем ферментации яблочного сока. Известно, что дикие микроорганизмы, присутствующие в околоплодниках и плодоножках, часто мешают естественной ферментации автохтонными дрожжами, тем самым препятствуя производству высококачественного сидра в промышленных масштабах.
С конечной целью улучшения качества и совершенствования вкуса сидра авторы провели скрининг и отобрали стартовые штаммы дрожжей с различными характеристиками с помощью обычного обонятельного теста. Несколько штаммов-кандидатов были охарактеризованы с точки зрения утилизации сахаров, производства спиртов и профилей летучих веществ, что можно объяснить относительными уровнями транскрипции генов, связанных с метаболизмом сахаров, стрессоустойчивостью и/или производством аромата. Ожидается, что применение новых штаммов, дополняющих традиционную естественную ферментацию автохтонными дрожжами, удовлетворит потребительский спрос и будет способствовать развитию сидровой промышленности.
Другое исследование Wang et al. посвящено полиненасыщенным жирным кислотам (ПНЖК), таким как эйкозапентаеновая кислота и докозагексаеновая кислота, которые имеют многочисленные преимущества для здоровья человека на протяжении всей жизни. Для производства ПНЖК Schizochytrium рассматривается как один из альтернативных источников рыбьего жира, поскольку эта эукариотическая гетеротрофная микроводоросль может производить высокие уровни таких функциональных пищевых ингредиентов. В качестве первого шага к достижению промышленного уровня производства ПНЖК Schizochytrium авторы изучили возможность использования химических модуляторов. В результате они обнаружили увеличение соотношения ПНЖК к насыщенным жирным кислотам, а также увеличение производства ПНЖК при добавлении 1,3-пропандиола. В культурах Schizochytrium, дополненных различными дозами и соотношениями пропанола и 1,3-пропандиола, общий синтез жирных кислот синергетически усиливался при оптимальных концентрациях.
Помимо прикладных аспектов микроорганизмов, используемых для производства ферментированных продуктов и напитков, два фундаментальных исследования клеточной структуры и функций генов A. oryzae расширили знания об этом важном грибке для ферментации пищевых продуктов. Одной из проблем, затрудняющих культивирование грибка коджи, является его неспособность к генетическому скрещиванию, поскольку половое размножение у него не обнаружено. Чтобы расширить возможности ее применения в промышленности, важно разработать методы селекции и увеличить генетическое разнообразие, чтобы можно было отбирать штаммы с полезными признаками.
С этой целью Katayama и Maruyama исследовали регуляторные механизмы образования склероций, поскольку эта структура служит хранилищем для полового развития близкородственного Aspergillus flavus. Авторы показали ингибирование образования склероциев и индукции конидий следовыми количествами меди и выяснили, что этот механизм опосредован транскрипционной активацией AobrlA, гена критического транскрипционного фактора конидификации. Молекулярно-генетический анализ установил эпистатические отношения между генами, кодирующими AoSod1 (медь-зависимая супероксиддисмутаза), AoCcsA (шаперон меди, который вводит ионы меди в AoSod1) и EcdR (транскрипционный фактор для экспрессии AobrlA) в регуляции медью этих репродуктивных структур.
Помимо молекулярного механизма, лежащего в основе полового размножения, предполагаемое наличие галактофуранозы (Galf )-содержащих гликанов в клеточных стенках A. oryzae привело к исследованиям Kadooka et al., которые идентифицировали соответствующий ген UDP-галактофураноза мутазы (ugmA) и показали UgmA-зависимый синтез Galf-содержащих гликопротеинов в грибке коджи. Хотя количество Galf-содержащих гликопротеинов во фракции клеточной стенки было значительно меньше, чем у других видов Aspergillus, встраивание боковых цепей Galf в основу маннана было необходимо для поддержания целостности клеточной стенки, что подтверждается чувствительностью A. oryzae ΔugmA к температуре и калькофлюоровому белому.
Учитывая, что такой галактоманнан грибкового типа (FTGM) является остатком предкового патогенного вида Aspergillus и антигенным для человека, интригующе предположить, что некоторые полезные для здоровья свойства, такие как иммуностимулирующее действие и кишечный эубиоз, появляются в результате привычного употребления ферментированных продуктов коджи. Эти выводы создают теоретическую основу для инновационных промышленных разработок.
Fusarium graminearum и другие близкородственные фитопатогенные грибы Fusarium заражают пшеницу и ячмень и накапливают в зерне трихотеценовые микотоксины. Эта группа микотоксинов ингибирует трансляцию белков в эукариотах и вызывает токсикозы при употреблении в пищу зараженных сельскохозяйственных продуктов. Недавно было обнаружено, что эти виды Fusarium обладают потенциальной способностью к глюкозилированию боковых цепей трихотеценовой оболочки, что повышает возможность получения различных вариаций "замаскированных" микотоксинов.
Таким образом, механизм регуляции биосинтеза трихотеценов F. graminearum стал предметом интенсивных исследований, и было предложено несколько гипотез и моделей. Liew et al. обсуждают ряд вопросов, на которые предыдущие исследователи не обратили внимания, представляют оригинальные неопубликованные результаты и предлагают пересмотреть текущее понимание механизма регуляции биосинтеза трихотеценов. Наконец, в данной статье представлена стратегия создания регуляторной модели транскрипции Tri6 и Tri10 у F. graminearum, которые являются генами трихотеценового фактора транскрипции и регуляторного белка, соответственно, расположенными в сердцевинной области генного кластера. В целом, эта информация является весьма показательной для исследования роли различных генетических и экологических факторов, участвующих в регуляции вторичного метаболизма.
В целом, данный обзор посвящен последним достижениям, изучающим прикладные аспекты использования микроорганизмов для производства ферментированных продуктов питания и напитков, а также фундаментальным исследованиям генетических и биохимических механизмов, лежащих в основе роста, развития и метаболизма микроорганизмов, которые влияют на качество, безопасность и функциональность сельскохозяйственной продукции.
