一杯杯地发掘啤酒中的科学
原文以Tapping genetics for better beer为标题
发布在2016年7月26日的《自然》新闻特写上
原文作者：Ewen Callaway
比利时的一间实验室正在使用遗传学，制造完美的啤酒酵母。
Ewen Callaway参观了啤酒实验室，并加入到研究人员的品酒会中。
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Kevin Verstrepen 的实验室组会可以让人醉醺醺的。每周两次，他在比利时鲁汶大学和佛兰德斯生物技术研究所的几个组员都会围坐在桌边，桌上放满了郁金香形的黑色啤酒杯，还有痰盂和饼干。
Kevin Verstrepen（中）和同事们在鲁汶大学的实验室内品尝啤酒。
Justin Jin for Nature
Verstrepen举起酒杯闻了闻。“我觉得这就像个乙酸乙酯炸弹。”他宣布道。乙酸乙酯经常用在梨子味的甜食中，在高浓度下散发着一股指甲油味儿。实验室里的一位研究生，Brigida Gallone 还闻到了另一种味道。“乙酸乙酯和4-VG。”她说的是4-乙烯基愈创木酚，它闻起来像烟雾、丁香和牙医办公室——她在面前的那张品尝分析表上是这么写的。“我喜欢4-VG，但这对我来说都太多了，”另一位学生 Stijn Mertens 闻到了湿硬板纸的味道，这种味道在陈啤酒中很常见。“我闻到了反-2-壬烯醛，”他说。小组结束了对这种啤酒的分析，开始了对第九杯、也是最后一杯啤酒的品尝。时间还没到上午11点。
“在注意力涣散之前，你只能做那么多。”博士后 Miguel Roncoroni 说。他主持这些品酒会已经四个多月了。他们所属的项目旨在描述市场上200多种比利时啤酒的特点。他们的评价，加之对产生口味和香气的几十种化学物质的精确测量，让消费者能够将自己喜爱的啤酒与实验室介绍对比，挑选出想要尝试的新啤酒。
但Verstrepen的梦想不止于帮啤酒爱好者选出佳酿。他想培养出完美的酵母。他的实验室正在把他们学到的有关啤酒风味的化学和遗传基础的知识运用到培育酵母菌株上，以培育出独特的风味和其他受酿酒人和饮酒人追捧的品质。
他实验室里的啤酒极客们横跨两界，既从事受好奇心驱使的科学研究，也参与工业酿造。他们通过酵母来研究演化、生物化学，甚至还有神经科学，但他们也与来自全世界的啤酒制造商——从跨国集团到引领潮流的手工小啤酒厂——签订合同。在一篇发表于《细胞》期刊的论文中（DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.020），他们的实验室报告了150个用于酿造啤酒、清酒以及其他发酵制品的酵母菌株的基因组。这一项目是与一家向啤酒制造商提供酵母的顶级供应商，以及一家合成生物公司合作完成的。
Verstrepen 实验室的冷库里有三万多种酵母菌株，包括野生菌株、工业用菌株以及新制造的品种。
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对啤酒这个价值5000亿美元，产品依赖于化学与微生物学间复杂反应的行业来说，高级酵母菌株可是抢手货。“你总想知道Kevin的实验室都在做些什么，” Peter Bouckaert 说。他是一家位于美国科罗拉多州科林斯堡的顶尖手工啤酒厂—— New Belgium 啤酒厂的酿酒师。“人们都关注着他的动态。”
啤酒的风味来自寥寥几种原料（见下图“生物学改善酿造”）。谷物（主要是大麦麦芽）提供了糖和酒体，但也能影响风味，比如常见于黑啤的巧克力调。啤酒花带来了苦味和一些手工啤酒中的热带水果调。溶解在水中的矿物质会影响来自谷物和啤酒花的风味。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）提供了酒精、气泡和上百种香味化合物。发酵过程生成了其它一切，从乙酸异戊酯（这是德国维森小麦白啤香蕉味的来源）到带来丁香味的4-VG。
啤酒制造商曾经是酵母科学的领军者。丹麦的嘉士伯酒厂在1875年建立了全世界最早的酵母生物学实验室之一，就在那里，Emil Christian Hansen 于1883年首次分离出了酿酒酵母的纯菌株。在20世纪30-40年代，另一位就职于嘉士伯的科学家 Øjvind Winge 发现酵母既能有性生殖，也能无性生殖，并利用这一特点来培育具有实用酿造性状的新菌株。
Winge 的工作让酵母从酿酒厂走进了生物学实验室，现在，许多科学家使用酿酒酵母作为探索复杂细胞内部运作机制的模型。尽管酵母与生命科学的结合由来已久且成果卓著，Verstrepen 仍然认为，许多啤酒制造商在酵母使用上还停留在19世纪。“啤酒制造商，尤其是传统的啤酒制造商，使用的往往不是最理想的酵母。”大多数啤酒商在他们所有的啤酒中只使用一种菌株，要么分离自自己的酿酒厂，或者是几十年前从其他酿酒厂借来的菌株。
Verstrepen 想要改变这一点。起初，他在南非的一家葡萄酒酵母菌实验室工作，然后在1999年加入了鲁汶大学的啤酒实验室攻读博士学位。但他失望地发现，研究的大部分内容都是在为酿酒商解决问题。“没人真的在做生物学研究，”他说。梦想破灭后，他来到了美国马萨诸塞州剑桥市的怀特黑德生物医学研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research），跟随 Gerald Fink 从事博士后研究。Gerald Fink 在上世纪70年代开创了酵母菌基因工程研究。
研究员们品酒时，会根据香气、口味和酒体等指标，以及啤酒花味道不新鲜之类的缺点来打分，满分6分。
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然而，尽管那里的科学家喜欢酵母，但没人对啤酒有兴趣——至少白天没有兴趣—— Verstrepen 说。因此，他的研究重点是致病性酵母菌黏连在人体组织上所使用的蛋白质。他发现，酵母菌的“黏性”取决于某个特定基因上的DNA序列重复次数。“这就好比尼龙搭扣越长就越容易黏住东西一样，”他解释道。这种蛋白质还与酵母菌的絮凝有关，即酵母菌细胞在啤酒中凝聚成团、从溶液中析出的过程。不同菌株的絮凝特性不同，还会影响啤酒的风味、澄清度和酒精含量。
2005年，Verstrepen 搬到了剑桥市的另一头，在哈佛大学设立了自己的实验室，着重研究不同DNA序列重复在产生多样性方面的作用。他也在哈佛大学给本科生教授生物学，并在这门课程中融入了酿酒——“那门课挺难的，”他说。但在他2009年回到鲁汶大学前，啤酒一直没有成为他的研究课题。
Verstrepen 希望能将自己的研究与他对啤酒和葡萄酒的兴趣结合起来。但他与业界的合作始于一家来自瑞士的巧克力公司打来的一个电话。总部位于苏黎世的百乐嘉利宝公司是全世界最大的可可生产商之一，他们需要把苦味的可可豆转化成可可粉（这在传统上是由环境中的酵母菌完成的）。“而我回答他们，‘巧克力也是发酵的吗？’这并不是最聪明的回答。” Verstrepen 说。
尽管如此，百乐嘉利宝公司还是成为了 Verstrepen 实验室的第一位咨询客户。现在，他的实验室每年的收入大约在50万欧元（55.5万美元）左右。在实验室的25位科学家中，有一半人从事有关啤酒、生物燃料和其他发酵产品的应用研究，其他人则从事表观遗传学、分子演化和其他基础研究。
拉格啤酒实验室
乍一看来，Verstrepen 的实验室和其他实验室没什么两样，实验桌上摆放着离心机、培养皿和移液器，还有一个装满了小玻璃瓶的培养箱。如果瓶子里装着的不是浓浓的大麦麦芽、糖和啤酒花的话，这个孵化器在任何微生物学实验室都不会显得突兀。冷藏室提供了更多线索。“这里的啤酒现在不是很多，” Verstrepen 说，指了指几个满满的箱子。储藏室里存放了上百个用于盲品的黑色玻璃杯；它们是不透明的，所以品尝者看不到自己在喝的东西。
他的实验室冰箱存放了约三万种酵母菌，包括在全世界范围内用于酿酒、烘培和其他用途的1000种菌株，以及从水果、花卉、昆虫，甚至人类身上分离出来的1000种野生菌株。其中许多品种都已经根据影响口味以及啤酒制造商关注的其他性状的基因归类出来了。实验室正与酵母供应商，位于加州圣地亚哥的怀特纯酵母发酵实验室（White Labs），和其附近拉荷亚的 Craig Venter 建立的合成基因组公司（Synthetic Genomics）合作，构建工业用酵母菌的系谱。
冰箱里的其他菌种则是实验室的发明创造：拥有独特性状组合的全新菌株。团队通过让不同的菌株配种并筛选后代的香气来制造新菌种，最近，实验室也开始筛选这些性状背后的基因。后一种方法被称为遗传标记辅助育种，常用于农业中，Verstrepen 认为它将改变酿造业。
一家加拿大啤酒制造商订制了其中一种菌株，他们想要一种口感饱满、酒精含量较低的比利时三倍风格啤酒。另一家啤酒制造商想要更具巧克力香气的酵母；实验室至今还没能在这方面取得进展。
实验室从一家酿酒厂取得标准的麦汁——啤酒发酵之前的原料——用以进行研究工作。
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大规模配种
实验室使用了一种一天能完成上百次酵母配种的机器人，生产出的菌株根本来不及分析品尝。为了解决生产过剩问题，研究者们正在研发一种同时能酿造两千多种不同酵母菌、每种20皮升的微流控芯片，每种酵母都只含有一个酵母单细胞。它们可以自动检验这些微量酿造产物的酒精含量，并希望最终能测量产生的香味化合物。在大型设备方面，实验室很快会接收一套每次能酿造500升啤酒的装置，以更好地应对工业规模酿造的挑战。
Verstrepen 的酵母存档让他的实验室成为了啤酒制造商寻找特定风味的一站式商店。比方说，Bouckaert 想要“奇怪”的香气——比如谷仓或者马毯的味道，但不带通常与之相伴的水果调时，他尝试了实验室里四种可能有希望的菌株。没有一种能用在 New Belgium 啤酒上——至少现在还不能。“Kevin 的研究有点超过啤酒制造商的应用范畴，” Bouckaert 说。“但这并不意味着它们不能在未来转化为巨大的商机。”
Verstrepen 表示，酿酒酵母的自然变异为风味和其他性状的调整提供了空间，但这种方法也有局限。基因改造工具可以在此基础上改进。“使用传统育种方法，我们能把风味加强10倍，但使用基因改造方法，我们能加强100倍或1000倍，而且我们已经尝试过了，” Verstrepen 说，“这样制造出来的啤酒更像香蕉奶昔。这真的是我们想做的事吗？”啤酒制造商对他们的成果很激动，但转基因食品的污名意味着实验室生产供给业界的菌株时使用的一直都是更为传统的技术，比如传统育种和定向演化。
诸如CRISPR之类的基因编辑技术也能将自然发生、能带来风味的变异型引入生长良好、但没有什么风味的酵母菌株，更快完成与传统育种方法相同的目标。食品监管者已经在争执用这种方式生产的植物和牲畜算不算转基因食品了，所以，CRISPR啤酒的诞生迫使他们对这一问题作出定论并非无法想象。
一些手工啤酒厂曾向实验室索要过转基因酵母（被拒绝了），但 Bouckaert 表示酿造业中的大多数企业对此并无兴趣。“美国的手工啤酒厂正在挑战极限，但基因改造是个禁区，”他说。跨国啤酒制造商更是十分害怕对自己与转基因啤酒联系在一起。
位于鲁汶的百威英博是全球最大的啤酒制造集团，也是百威啤酒和时代啤酒的制造商，他们承认与 Verstrepen 有合作。百威英博公司酵母与发酵部门的高级科学家 Philippe Malcorps 说，百威英博有兴趣利用野生酵母菌的多样性，发掘传统酿酒菌株中无法得到的风味和其他性状。
Verstrepen 与这些企业的大多数合作内容都签署了严格的保密条约。“我们一些最优秀的应用研究既不能发表，也不能谈论，”他说，“作为一个科学家，这一点很让人难受，因为你会想要分享。”
但小一些的酿酒厂一般更为自由。Orval 是比利时六家由熙笃会修士管理的啤酒厂之一，事实上，它就拒绝签署保密协议，他们让 Verstrepen 为他们的私藏菌株测序时甚至不愿意签合同。“如果你连修士都不能相信了，那你还能做什么呢？” Verstrepen 说（他自己的个人冰箱里放满了 Orval 啤酒，他最喜欢的啤酒之一）。Bouckaert 说，实验室曾提议把他们公司试用的一种酵母菌株设置成这家公司独家享有的，但他拒绝了。“我说，‘我是个手工酿酒者，我不想要独家菌株。我希望你能把菌株送给更多的人！’”
研究员在检验果蝇。有些酵母会产生让啤酒具有特定风味的成分，这会吸引果蝇。
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应用研究也带来了科学上的新见解。Verstrepen 的团队仍在试图解决一个最初从啤酒制造商那里听来的问题。啤酒制造商常常重复使用酵母来节省成本，但每隔一段时间，他们就会做新的菌株培养，首先用葡萄糖（酵母菌偏爱的食物），然后将酵母菌放进主要由麦芽糖组成的未发酵啤酒。酵母菌有时会对新的食物来源反应冷淡，因此，啤酒完全发酵起来可能需要几天时间（这使得啤酒暴露在了受污染的危险下）。“酵母不仅记得自己之前吃的是什么，还知道它们五六代前的曾曾祖母吃的是什么。” Verstrepen 说。这一机制似乎与DNA或蛋白质的表观遗传修饰继承有关，目前是实验室的研究重点之一。
实验室常常发现，上好的啤酒和优质的科学携手并进。Mertens 的博士课题是发明一种用于制作拉格啤酒的新酵母菌株。拉格啤酒的酿造温度比其他啤酒更低，使用的是一种几个世纪前出现的酵母，这种酵母是酿酒酵母（S. cerevisiae）与一个有亲缘关系的耐寒物种真贝酵母（Saccharomyces eubayanus）杂交的产物。
尽管占啤酒销量的绝大多数，但拉格啤酒的风味范围十分有限。为了制造出扩大其风味范围的酵母，Mertens 让这两个物种的多种菌株配种。用这些酵母酿出的啤酒有的尝起来有洋葱味，还有许多发酵得不好，但其中一种将上好比尔森啤酒（一种淡拉格啤酒）令人振奋的清爽口感，与拉格啤酒中不常见的淡淡水果调味结合了起来。这种啤酒在实验室成员中大受欢迎，已经从冷藏室销声匿迹。一些酿酒厂正在测试这种被称为H29的菌株。
Mertens 很乐意看到自己的发明被制成商业啤酒，但他也希望能为他发明的其他菌株的基因组测序，以理解不同物种如何杂交——或许甚至能找出最初的拉格啤酒酵母产生的条件。“我们研制出了新的酵母，啤酒制造商们很喜欢它，”他说，“但我们研究的是杂交的运作基础。这比啤酒科学更进一步。”
在上午的啤酒品尝结束之际，桌上的痰盂已经吐满了。Verstrepen 与一家DNA测序公司有个会议，Mertens 和其他学生都有研究工作要做。实验室或许吸引了许多啤酒极客，但并不是狂饮派对。
“没错，你研究的产品很有趣，但这归根结底还是遗传学工作，” Mertens 说，“我们喝酒不是为了取乐。”至少下班前不是。ⓝ
Nature|doi:10.1038/535484a
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