Regreso a lo básico 2 Artículo 1B Genómica de levadura

Se cree que la levadura se originó en China hace unos 400 millones de años alrededor del tiempo del desarrollo de las plantas de floración (fructificación). Hace unos 100 millones de años hubo un aumento dramático en la cantidad de material genético (duplicación del genoma) que fue crucial para aumentar la variabilidad genética produciendo una proliferación de especies de levaduras que fueron capaces de adaptarse rápidamente para colonizar nuevos ambientes (ver la Figura 1 a continuación).

Figura 1. Filogenia de cepas de cerveza de fermentación superior de S. cerevisiae basadas en secuencias de genoma completo2

Figura 1. Filogenia de cepas de cerveza de fermentación superior de S. cerevisiae basadas en secuencias de genoma completo2

Las cepas de levadura en la elaboración de cerveza (Saccharomyces cerevisiae) han sido "domesticadas" (adaptadas al entorno de elaboración de la cerveza) y son más diversas que la levadura de vino y son polifiléticas, lo que significa que han evolucionado a partir de más de un ancestro evolutivo o grupo ancestral común.

Levadura Ale, Saccharomyces cerevisiae

La levadura tiene dos métodos de reproducción, el primero y principal es el asexual.

Figura 2A Reproducción asexual en levadura (mitosis)

Figura 2A Reproducción asexual en levadura (mitosis)

La levadura hace una copia completa del material genético y esto, junto con algunos citoplasmas, mitocondrias y vacuola, pasa a la yema en crecimiento para formar una célula completamente nueva. Una vez que el nuevo capullo ha alcanzado un cierto tamaño, puede comenzar a florecer. Esta es una forma muy efectiva de colonizar rápidamente un buen medio de crecimiento como el mosto.

En la mitosis, cada nueva célula es un clon de sus padres con muy poca variación genética, excepto por mutaciones o errores de transcripción del ADN.

El otro método es la reproducción sexual (meiosis) con la formación de esporas que genera una mayor variación genética. S. cerevisiae tiene 16 cromosomas separados y existen cepas de levadura salvaje en dos formas con un solo conjunto de cromosomas (estado haploide) y conjuntos duplicados de cromosomas (estado diploide).

Figura 2B La levadura puede brotar (sufrir mitosis) como células haploides o diploides, esto generalmente ocurre en condiciones de alto estrés para producir esporas estables.

Figura 2B La levadura puede brotar (sufrir mitosis) como células haploides o diploides, esto generalmente ocurre en condiciones de alto estrés para producir esporas estables.

La reproducción sexual (meiosis) solo ocurre entre células haploides de atracción opuesta denotadas por  Alfa. Las células producen feromonas que señalan la presencia de ambos tipos de apareamiento y producen una proyección de crecimiento hacia la célula opuesta en un proceso llamado "shmoo" (un personaje cómico ficticio creado por Al Capp a fines de la década de 1940, para su tira cómica Lil 'Abner) antes de fusionarse para producir una célula diploide con genes de ambos socios. Estas nuevas células pueden brotar o en condiciones adversas producen cuatro esporas haploides que pueden liberarse cuando las condiciones se vuelven más favorables. Aunque las esporas son haploides durante la meiosis, hay una mezcla de material genético que produce células únicas y aumenta la variabilidad genética.

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Existe una desventaja evolutiva en tener un genoma grande, ya que requiere mucha energía para mantenerlo, por lo tanto, con el tiempo, las levaduras se han especializado y eliminado genes innecesarios, lo cual es una parte importante en su camino hacia la "domesticación" de la elaboración de cerveza. Las cepas de levadura de cerveza, Saccharomyces sp., Se han seleccionado durante miles de años para absorber la glucosa y producir niveles más altos de alcohol en las fermentaciones y se han aclimatado a las condiciones constantes (una forma de "domesticación"). Como resultado, han evolucionado a partir de las especies de levadura salvaje para producir Saccharomyces cerevisiae, una nueva cepa particularmente adaptada al ambiente más estable que se encuentra en el mosto de los cerveceros y estas variedades ya no crecerían en la naturaleza.

Esto ha resultado en varios cambios de sus ancestros "salvajes".

  • El azúcar principal que se encuentra en la naturaleza es la sacarosa (una combinación de glucosa y fructosa), pero en el mosto, los azúcares principales son la maltosa y la maltotriosa. Las cepas de levadura de cerveza se han adaptado al producir una serie de genes no solo para absorber maltosa y maltotriosa, sino también para poder metabolizarla dentro de la célula. En ocasiones, a través de cambios y mutaciones, la levadura puede perder esta facilidad para utilizar los azúcares de malta que producen atenuaciones más bajas. Hay una especie de Saccharomycodes ludwigii que no puede metabolizar la maltosa y la maltotriosa y se puede usar en la preparación de cervezas con bajo contenido de alcohol.

  • Las cepas que elaboran cerveza han perdido el gen que se encuentra en las cepas de levadura salvaje a menudo descritas como los genes POF compuestos por PAD1, la descarboxilasa del ácido fenilacrílico y / o FDC1, la descarboxilasa del ácido ferúlico, que regula la conversión del ácido ferúlico de la pared celular de la cebada en 4 vinilos. Guaiacol (4VG), que le da a la cerveza un sabor fenólico. Se han seleccionado muchas cepas de ale y todas las levaduras lager para excluir este gen, pero todavía está presente en las cepas de levadura que producen cerveza de trigo y ciertos estilos de cerveza belga.

La domesticación ha dado lugar a dos clados distintos (figura 1) conocidos como Cerveza 1, que comprende principalmente cepas de levadura que se encuentran en el Reino Unido y Estados Unidos y Cerveza 2 que se encuentran comúnmente en el resto de Europa. Esto ha dado como resultado una gran variedad de levadura ale adaptada a las condiciones de fermentación de cada cervecería. También debido a la redundancia de genes, la levadura de cerveza ha perdido o duplicado diferentes genes y ahora tiene un genoma complejo que a menudo es poliploide (con más de 2 juegos de cromosomas) o aneuploide (con un número anormal o desigual de cromosomas) que dificulta la reproducción sexual y la mayoría de las manchas de elaboración no se reproducen sexualmente de forma natural.

En 1487, Duke Albert IV aprobó la Reinheitsgebot (Ley de Pureza de Alemania) que rige los ingredientes que podrían usarse en la elaboración de cerveza en Munich y esto se extendió a toda Baviera en 1516. Además de los ingredientes, posteriormente se restringió la elaboración de cerveza a los meses de noviembre. Hasta marzo, que son estaciones frías en Alemania y esto llevó a que se desarrollaran estilos específicos de cerveza con una fermentación y maduración más frías.

Levadura lager, Saccharomyces pastorianus

Una consecuencia del cambio a una temperatura de fermentación más fría fue desfavorecer la levadura tradicional que está mal adaptada para prosperar en condiciones de frío, dando la oportunidad de que una nueva cepa de levadura Saccharomyces pastorianus o la levadura lager evolucione. Se sabe que la levadura lager tiene un genoma más grande que la levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae), pero durante mucho tiempo no se conocía la fuente del ADN adicional.

En 2011, el Dr. Diego Libkind encontró una nueva especie de levadura, Saccharomyces eubayanus, que crece en bosques templados en la Patagonia en Nothofagus Beech Trees, que se parece mucho al componente genético no cerevisiae en la levadura Lager. Desde entonces, se han encontrado especies de S.eubayanus en América del Norte (Peris y Hittinger 2014) y China (Bai y Bing et al. 2014). Pero hasta ahora, no se han encontrado aislamientos de S. eubayanus en Europa.

Ahora se cree que la levadura lager es un híbrido natural entre Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces eubayanus para producir una nueva especie de Saccharomyces pastorianus que puede crecer y fermentar sucesivamente a temperaturas más bajas y solo se encuentra en el mosto y la cerveza.

La tabla 1 muestra el crecimiento de diferentes cepas de levadura a diferentes temperaturas.

La tabla 1 muestra el crecimiento de diferentes cepas de levadura a diferentes temperaturas.

Dado que las especies de levadura de cerveza no se esporulan fácilmente y no viajan fácilmente entre diferentes lugares, excepto principalmente en el estómago de los insectos, esto deja una pregunta intrigante sobre cómo S. eubayanus encontró su camino a Europa y entró en una bodega alemana de Lager en la 16ª. Siglo para formar un híbrido con S. cerevisiae.

Figura 7 Distribución geográfica actual de las poblaciones de S.eubayanus.

Figura 7 Distribución geográfica actual de las poblaciones de S.eubayanus.

Esto ha dado lugar a varias teorías para explicar cómo podría ocurrir la hibridación y cómo S. Eubayanus encontró su camino en una bodega de cerveza de Munich. Algunos de los más entretenidos.

Las ideas basadas en la distribución actual de S.eubayanus incluyen:

  • El genoma de S.eubayanus del Tíbet (Feng-Yan Bai y Jian Bing 2014) muestra la mejor correlación con el contenido genético no S.cerevisiae de S.pastorianus en 99.82% y es posible que haya encontrado su camino para Europa en la caravana de Marco Polo por la Ruta de la Seda cuando estaba explorando y abriendo China y el Imperio mongol para comerciar.

  • El primer aislado de S.eubayanus fue descubierto en la Patagonia por Diago Libkin en 2011, quien especuló que la levadura podría haber encontrado su camino a Europa en barriles de madera tras los descubrimientos de Magallanes cuando circunnavegaba el mundo. Esta levadura tiene una correlación de 99.56% con el contenido genético no S.cerevisiae de S.pastorianus

  • S.eubayanus también ha sido descubierto en Norteamérica por Peris y Hittinger en 2014 y se ha especulado que Cristóbal Colón fue el portador involuntario de esta levadura del Nuevo Mundo a Europa y esta levadura muestra una correlación de 99.79% con la no S .cerevisiae contenido genético de S.pastorianus

  • S.eubayanus también ha sido aislado en Nueva Zelanda, por Gayevskiy y Goddard 2016.

A pesar de que estas historias son muy románticas y no se ha encontrado ninguna especie de S.eubayanus en Europa, parece más probable que haya una cepa local involucrada que aún esté aislada o que se haya extinguido posteriormente.

La hibridación de la levadura es bastante común y exitosa, el profesor Chris Hittinger y sus colegas de la Universidad de Wisconsin-Madison descubrieron una forma rápida y eficiente de fusionar diferentes cepas de levadura para hacer híbridos similares al híbrido de cerveza lager.

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La hibridación de levadura lager produjo dos cepas distintas, Grupo 1 - Saaz y Grupo II - Frohberg, que llevan el nombre de las áreas en las que se aislaron. Saaz tiene una mayor capacidad para crecer a bajas temperaturas, pero es menos eficiente en la atenuación en comparación con las cepas Frohberg, esto se debe en parte a su menor utilización de maltosa y maltotriosa, que comprenden el 45–65% y el 16–26% de todos los azúcares disponibles, respectivamente. Frohberg también produce ésteres superiores, lo que lo convierte en el antecesor dominante de la mayoría de las variedades modernas de Lager.

S. Eubayanus ha sido adoptado por muchos cerveceros argentinos para producir nuevos estilos de cerveza, con Heineken produciendo una gama de "Wild Lagers" utilizando aislamientos de la Patagonia, el Tíbet y América del Norte.

Figura 8 Lager "salvaje" elaborado con S.eubayanus. (reproducido con amable permiso de Heineken)

Figura 8 Lager "salvaje" elaborado con S.eubayanus. (reproducido con amable permiso de Heineken)

S. eubayanus es una levadura silvestre que no ha sido domesticada por su propiedad de elaboración de cerveza y produce una cerveza distintiva. Todavía tiene los genes POF y todas las cervezas tienen aromas de clavo / fenólico (4-vinil guayacol) y la levadura no es eficiente en la metabolización completa de la maltosa y en particular la maltotriosa que proporciona cervezas atenuadas más pobres.

La levadura lager (S.pastorianus) solo prospera en la fermentación y se ha seleccionado para expresar los genes útiles de sus dos híbridos progenitores. Dado que es una especie relativamente reciente (alrededor de 500 años) y la selección natural se suspendió en gran parte luego de la adopción de cultivos puros y la propagación de levaduras hace 100 años, ha habido poco tiempo para la selección y la levadura lager muestra poca variación genética en comparación con las especies grandes. Gama de levaduras Ale.

Los efectos de agregar material genético crean diferencias entre las levaduras Ale y Lager, principalmente en lo que respecta a la tolerancia a la temperatura y la capacidad de utilizar diferentes azúcares.

Tabla 2 Comparación entre las características de la levadura Ale y la levadura Lager

Tabla 2 Comparación entre las características de la levadura Ale y la levadura Lager

En la actualidad, muchas cervezas nuevas se lanzan hacia adelante, utilizando el carácter de aroma a lúpulo para diferenciar entre diferentes marcas. Se pueden utilizar nuevas cepas de levadura y bacterias para proporcionar una complejidad adicional al sabor de la cerveza y producir una nueva gama de texturas y sabores en la cerveza.

·     S. eubayanus ha sido adoptado como levadura de cerveza por muchos cerveceros en América del Sur y al menos un cervecero internacional lo ha encontrado lo suficientemente interesante como para producir la edición limitada de "Wild" Lager (figuras 8)

·     Dekkera / Brettanomyces se ha utilizado durante mucho tiempo para dar un carácter único a las cervezas especiales de Bélgica, y se usaba tradicionalmente para proporcionar fermentación secundaria (acondicionamiento) a la cerveza de barril. Más recientemente Brett. se ha utilizado más ampliamente para producir sabores nuevos que a menudo se describen como "mantas de caballos sudorosas" o "patio de granja" en una variedad de cervezas artesanales.

·     Hay un interés renovado en producir cervezas bajas y sin alcohol, y esto puede lograrse parcialmente utilizando varias especies de levaduras que tienen una capacidad limitada para utilizar algunos o todos los azúcares del mosto, por ejemplo Saccharomycodes ludwigii: tiene una actividad limitada para metabolizar maltosa y maltotriosa; Torulaspora delbrueckii: no puede fermentar maltosa y maltotriosa; Zigosaccharomyces rouxii: tiene una capacidad limitada para metabolizar la maltosa; y Pichia kluyveri: que tiene una capacidad limitada para fermentar la glucosa.

·     Los ésteres generalmente se reconocen como uno de los principales componentes del sabor producidos por la levadura y existen varias cepas de levadura capaces de producir ésteres altos, como Wickerhamomyces anomalus: que es un productor prolífico de acetato de etilo, propanoato de etilo, feniletanol y 2-feniletilo. Acetato (aroma afrutado) y Torulaspora delbrueckii: que produce 2-feniletanol y alcoholes amílicos (aroma afrutado y floral)

Además de las cepas naturales de levadura "salvaje" que se pueden lanzar directamente para producir cervezas novedosas, se han realizado investigaciones considerables para producir cepas de levadura modificadas genéticamente (OGM); los ejemplos más interesantes incluyen:

·     La primera recombinación genética llevada a cabo en la levadura de cerveza fue en 1995 en BRi cuando el gen STA2 que codifica para la glucoamilasa extracelular, una enzima que descompone las dextrinas para producir un mosto más fermentable y una menor gravedad final, se introdujo en la levadura ale. El gen está disponible en una levadura silvestre de S.cerevisiae (var. Diastaticus) y la nueva cepa de cerveza fue capaz de fermentar directamente la cerveza baja en carbohidratos o "lite" sin la adición habitual de amiloglucosidasa.

·     Un sabor importante, particularmente en Lagers, es el diacetilo que se produce durante la fermentación por la descomposición química del alfa acetolacato y un oxiácido producido como un subproducto de la síntesis de proteínas. Una vez producido, el diacetilo se reduce fácilmente por levadura para reciclar NADH a NAD a los compuestos activos con menos sabor acetoína y 2,3 butanodiol. Una enzima alfa acetolacato descarboxilasa (ALDC, por sus siglas en inglés) puede reducir el acetolacato a acetoína directamente, evitando así el diacetilo activo de mucho más sabor. Este gen se ha transferido de una especie modificada genéticamente de Bacillus subtilis subespecie brevis para proporcionar esta capacidad en la elaboración de levadura.

La ingeniería genética implica la introducción de genes extraños de otras especies y se ha aplicado extensivamente en la agricultura, particularmente en los principales cultivos de cereales utilizados para alimentar al mundo. Sin embargo, existe una considerable resistencia de los consumidores contra el uso de productos modificados genéticamente en la elaboración de cerveza debido a los temores sobre posibles riesgos para la salud y el impacto ambiental. No hay relatos publicados de levaduras modificadas genéticamente que se utilizan en la elaboración de cerveza comercial.

Un enfoque alternativo sugerido por Hittinger es la hibridación de levadura, que se produce naturalmente y se puede utilizar para generar nuevos híbridos de levadura de cerveza a partir de la hibridación de novo evitando el OGM.

La levadura de cerveza está excepcionalmente bien adaptada para utilizar los azúcares de mosto y puede fermentar completamente en pocos días en comparación con la cerveza de estilo lambic o agria, que suele tardar entre 1 y 2 años en desarrollarse por completo. La producción de híbridos puede permitir que las mejores características de ambas cepas se incluyan en el organismo que entrega los sabores requeridos pero que conserva la eficiencia del proceso de fermentación. Un ejemplo natural es la hibridación de Saccharomyces cerevisiae con Saccharomyces eubayanus para producir la nueva especie Saccharomyces pastorianus, la levadura Lager.

Reconocimiento:Me gustaría agradecer al profesor Chris Todd Hittinger de la Universidad de Winsconsin-Madison, al Dr. Diego Libkind de la Universidad Nacional del Comahue y al Dr. Niels Kuijpers de Heineken y Heineken Brewers por su permiso para reproducir la fotografía de Wild Lager.

 Recuento de palabras - 2720

Citas y lecturas adicionales

1 Shen XX, Opulente DA, Kominek J, Zhou X, Steenwyk JL, Buh KV, Haase MAB, Wisecaver JH, Wang M, Doering DT, Boudouris JT, Schneider RM, Langdon QK, Ohkuma M, Endoh R, Takashima M, Manabe RI, Čadež N, Libkind D, Rosa CA, DeVirgilio J, Hulfachor AB, Groenewald M, Kurtzman CP, Hittinger CT, Rokas A-Tempo y modo de evolución del genoma en la célula de subfilo de levadura en ciernes. 2018 29 de noviembre; 175 (6): 1533-1545.e20. doi: 10.1016 / j.cell.2018.10.023. Epub 2018 8 de noviembre

2 Margarida Gonc¸ alves, Ana Pontes, Pedro Almeida, ..., Mathias Hutzler, Paula Gonc¸ alves, Jose´ Paulo Sampaio - Distintas trayectorias de domesticación en las principales levaduras de fermentación y levaduras de vino Current Biology 26, 2750–2761, 24 de octubre 2016

"Cerveza para las mujeres" es una mierda, ¿verdad?