尹宁博士遗作 | 纪念一位英年早逝的朋友
尹宁博士
编者按：
今天刊登的文章，为《知识分子》编译小组成员尹宁博士遗作。尹宁在北京大学完成本科和博士研究，后在以色列理工学院生物系做博士后研究。2017年2月，尹宁在以色列不幸去世，年仅30岁。尹宁生前爱好阅读科幻、科普、传记等，喜欢跑步、游泳。他不仅热爱科学，而且热心科普事业，曾参与“《自然》快速评审：‘基因魔剪’家族添新成员”一文的编辑。《知识分子》特刊发尹宁生前作品，以纪念这位英年早逝的年轻人。
撰文 | 尹宁 （以色列理工学院博士后、《知识分子》编译小组成员）
责编 | 陈晓雪
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图片来自Pixabay
悠久的啤酒酿造历史
啤酒是世界上历史最悠久，范围最广的酒精饮料之一。考古学家推测，苏美尔人和巴比伦人早在 8000 多年前开始种植大麦之后不久，就已经开始酿造啤酒【1】。2016年4月，发表在《美国科学院院刊》（PNAS）的一项考古研究报道，来自中美两国的考古人员在一个出土于西安米家崖遗址、5000年前的陶器中发现了用于酿造啤酒的大麦、黍米等作物的残留物【2】，表明中国人酿造啤酒的历史同样非常悠久。
►图1 米家崖遗址出土的陶器，可见其中的黄色残留物。
来源：http://www.pnas.org/content/113/23/6444.full
要酿造啤酒，酵母菌是必不可少的。这种单细胞的真菌可以将大麦等作物中来源于淀粉的糖类发酵为酒精，并且能够产生丰富的代谢产物，包括不同的酯类，给啤酒带来多层次的香味以及口感；另外，酵母菌代谢过程中产生的大量的二氧化碳又为啤酒添加了丰富的泡沫和诱人的视觉效果。根据啤酒的种类不同，发酵啤酒使用的酵母种类也不同。如今我们喝到的啤酒绝大多数都是拉格啤酒（Lager，又称窖藏啤酒），它是在19世纪德国起源的一种底层发酵（bottom-fermenting）啤酒。这种啤酒主要由一种杂交酵母巴氏酵母（Saccharomyces pastorianus）发酵而成，发酵过程在低温完成，随着酒精的产生酵母菌会沉积到桶底。另一类啤酒艾尔酒（Ale，又称麦酒，麦芽酒）是一种上层发酵（top-fermenting）啤酒。这一类啤酒历史较为悠久，也被认为和人类早期生产的啤酒比较接近。生产艾尔酒的酵母即是生物学上的一类重要模式生物 —— 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）——正是本文的主角。
相比拉格啤酒，艾尔酒发酵过程温度较高，时间较短，酵母也主要活动在桶的上部。艾尔酒中酵母菌产生的丰富酯类使其具有浓烈的水果香味，这也是拉格啤酒所不具备的一个特点。《细胞》（Cell）和《当代生物学》（Current Biology）分别在2016年9月和10月刊登了两篇论文【3, 4】，来自比利时和西班牙的两项研究对工业上使用的酿酒酵母菌株进行了基因组测序和比较基因组学分析，揭示了酵母菌是如何在人类的长期酿造过程中被“驯化”，以及啤酒的美味背后的生物学基础。
基因组学研究揭示啤酒酵母的驯化历程
来自比利时鲁汶大学的凯文·韦斯特里彭（Kevin Verstrepen）与同事搜集了157株工业用酿酒酵母菌株，并对它们进行了全基因组测序。通过比较这些基因组以及已经发表的酵母菌基因组——包括葡萄酒酵母和面包酵母等 ——他们构建了这些来源广泛，用途多样的酵母菌的系统发生树。这种描述种系间演化和传播关系的树是进化生物学家常用的一种分析手段，其中终端树杈代表一个酵母菌株，而树杈的长度近似代表了这个菌株与其祖先的差别大小。
从图2中可以看到，啤酒用酿酒酵母被聚集在一起（黄色及绿色），表明它们具有较为接近的基因组。与之对应的是葡萄酒用酿酒酵母（红色），它们聚集在另一个分支。比较这两类酵母的分支可以明显看出，啤酒用酿酒酵母有较长的“树杈”，而葡萄酒用酵母则“树杈”偏短。这表明相比葡萄酒酵母，啤酒酵母在人类手中经历了漫长的驯化过程（作者估计这个过程始于16世纪），相比它们的祖先已经相去甚远。韦斯特里彭等人的文章对这两类酵母的区别有个有趣的比喻：啤酒酵母是狗，被人类驯化得厉害；而葡萄酒酵母是猫，仍带有野性。其实，这个区别是和两种酒的酿造模式分不开的。啤酒的酿造条件受季节限制较少，一年四季都可以酿造。人们常常会用上一批啤酒使用过的酵母去酿造下一批啤酒，这无形中就完成了对啤酒酵母的人工进化——人们将产生美味啤酒的酵母留下，而淘汰了酿出味道欠佳啤酒的酵母。相比之下，葡萄酒只能在特定的季节生产。在生产季节外的时间里，尚未掌握微生物学原理和操作技术的中世纪酿造人员只能将酵母留在地窖中，而它们此时有大把机会和野生酵母交配，因此展示出的被驯化的痕迹也较少。支持这一观点的一个有意思的证据是，啤酒酵母几乎都失去了交配能力，而葡萄酒酵母则仍保存了有性生殖的形式。
►图2 工业用酵母菌的系统发生树
来源：http://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(16)31071-6
既然啤酒用酿酒酵母在人类的手中经过了几百年的驯化，那么这些人工选择出来的酵母相比它们的祖先是否确实能够产生口味更佳的啤酒呢？通过分析这些酵母菌携带的遗传突变，作者们通过一个例子对这个问题给出了肯定的答案。野生酵母能够产生的一种代谢物4-VG（4-乙烯基-愈创木酚）带有一种刺激性的丁香气味，而这种气味是人们在啤酒中所不希望闻到的。这种代谢物在酵母中由PAD1和FDC1两个基因所编码的酶合成，作者们于是对这些啤酒酵母的这两个基因进行了分析。结果表明在许多的工业用酵母中，这两个基因都带有特定的突变，使得这些酵母的这两个基因功能缺失（图3）。这也解释了大多数啤酒为什么不含有这种具有刺激性气味的化合物。有意思的是，在一类以拥有刺激性气味出名的德式小麦啤酒中，人们发现了4-VG的存在，而酿造这种啤酒的酵母相应地也带有功能完整的PAD1和FDC1基因。
►图3 PAD1和FDC1基因的系统发生树。图中饼状图里，蓝色代表功能缺失突变，红色代表功能完整的基因。德式小麦啤酒（Hefeweizen beer）采用的酵母菌株聚集在红色区域中。
来源：http://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(16)31071-6
用基因组学指导酿造更美味的啤酒！
葡萄牙新里斯本大学的进化生物学家学者José Paulo Sampaio等人2016年10月发表在《当代生物学》的研究也阐述了类似的发现。两篇文章的结论都表明在漫长的酿酒历史中，人们无意识地对酵母进行了人工进化选择，才使得今天的我们能够喝到美味的啤酒。这不禁让我们提出一个问题：在生物学早已进入基因组时代的今天，我们是否能够用这些全新的知识指导我们选择出更优的酿酒菌株，酿造出更加美味的啤酒呢？
实际上，凯文·韦斯特里彭正领导他的研究组从事这样的工作。笔者有幸在去年听过一场韦斯特里彭的学术报告，他在报告中提到他们正在大规模杂交及筛选新的酵母菌株，并用这些菌株酿造啤酒。他的实验室常常举办品酒会，学校同仁们可以一起对这些新品种啤酒品头论足（图4）。究竟他们是否能够利用现代生物学知识和高通量实验技术酿造出更加具有风味的啤酒，就让我们拭嘴以待吧！
►图4 凯文·韦斯特里彭（中）及他的研究组正在品酒
来源：http://www.nature.com/news/ale-genomics-how-humans-tamed-beer-yeast-1.20552
参考文献：
【1】 大英百科全书 – 啤酒 https://www.britannica.com/topic/beer
【2】 Wang J, Liu L, Ball T, et al. Revealing a 5,000-y-old beer recipe in China[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016: 201601465.
【3】 Gallone B, Steensels J, Prahl T, et al. Domestication and divergence of Saccharomyces cerevisiae beer yeasts[J]. Cell, 2016, 166(6): 1397-1410. e16.
【4】 Gonçalves M, Pontes A, Almeida P, et al. Distinct domestication trajectories in top-fermenting beer yeasts and wine yeasts[J]. Current Biology, 2016, 26(20): 2750-2761.
制版编辑：邓志英丨
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