紀念一位英年早逝的朋友

尹寧博士

編者按：

今天刊登的文章，為《知識分子》編譯小組成員尹寧博士遺作。尹寧在北京大學完成本科和博士研究，後在以色列理工學院生物系做博士後研究。2017年2月，尹寧在以色列不幸去世，年僅30歲。尹寧生前愛好閱讀科幻、科普、傳記等，喜歡跑步、游泳。他不僅熱愛科學，而且熱心科普事業，曾參與「《自然》快速評審：『基因魔剪』家族添新成員」一文的編輯。《知識分子》特刊發尹寧生前作品，以紀念這位英年早逝的年輕人。

撰文 | 尹寧 （以色列理工學院博士後、《知識分子》編譯小組成員）

責編| 陳曉雪

圖片來自Pixabay

悠久的啤酒釀造歷史

啤酒是世界上歷史最悠久，範圍最廣的酒精飲料之一。考古學家推測，蘇美爾人和巴比倫人早在 8000 多年前開始種植大麥之後不久，就已經開始釀造啤酒【1】。2016年4月，發表在《美國科學院院刊》（PNAS）的一項考古研究報道，來自中美兩國的考古人員在一個出土於西安米家崖遺址、5000年前的陶器中發現了用於釀造啤酒的大麥、黍米等作物的殘留物【2】，表明中國人釀造啤酒的歷史同樣非常悠久。

圖1米家崖遺址出土的陶器，可見其中的黃色殘留物。

來源：http://www.pnas.org/content/113/23/6444.full

要釀造啤酒，酵母菌是必不可少的。這種單細胞的真菌可以將大麥等作物中來源於澱粉的糖類發酵為酒精，並且能夠產生豐富的代謝產物，包括不同的酯類，給啤酒帶來多層次的香味以及口感；另外，酵母菌代謝過程中產生的大量的二氧化碳又為啤酒添加了豐富的泡沫和誘人的視覺效果。根據啤酒的種類不同，發酵啤酒使用的酵母種類也不同。如今我們喝到的啤酒絕大多數都是拉格啤酒（Lager，又稱窖藏啤酒），它是在19世紀德國起源的一種底層發酵（bottom-fermenting）啤酒。這種啤酒主要由一種雜交酵母巴氏酵母（Saccharomyces pastorianus）發酵而成，發酵過程在低溫完成，隨著酒精的產生酵母菌會沉積到桶底。另一類啤酒艾爾酒（Ale，又稱麥酒，麥芽酒）是一種上層發酵（top-fermenting）啤酒。這一類啤酒歷史較為悠久，也被認為和人類早期生產的啤酒比較接近。生產艾爾酒的酵母即是生物學上的一類重要模式生物 —— 釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）——正是本文的主角。

相比拉格啤酒，艾爾酒發酵過程溫度較高，時間較短，酵母也主要活動在桶的上部。艾爾酒中酵母菌產生的豐富酯類使其具有濃烈的水果香味，這也是拉格啤酒所不具備的一個特點。《細胞》（Cell）和《當代生物學》（Current Biology）分別在2016年9月和10月刊登了兩篇論文【3, 4】，來自比利時和西班牙的兩項研究對工業上使用的釀酒酵母菌株進行了基因組測序和比較基因組學分析，揭示了酵母菌是如何在人類的長期釀造過程中被「馴化」，以及啤酒的美味背後的生物學基礎。

基因組學研究揭示啤酒酵母的馴化歷程

來自比利時魯汶大學的凱文·韋斯特里彭（Kevin Verstrepen）與同事搜集了157株工業用釀酒酵母菌株，並對它們進行了全基因組測序。通過比較這些基因組以及已經發表的酵母菌基因組——包括葡萄酒酵母和麵包酵母等 ——他們構建了這些來源廣泛，用途多樣的酵母菌的系統發生樹。這種描述種系間演化和傳播關係的樹是進化生物學家常用的一種分析手段，其中終端樹杈代表一個酵母菌株，而樹杈的長度近似代表了這個菌株與其祖先的差別大小。

從圖2中可以看到，啤酒用釀酒酵母被聚集在一起（黃色及綠色），表明它們具有較為接近的基因組。與之對應的是葡萄酒用釀酒酵母（紅色），它們聚集在另一個分支。比較這兩類酵母的分支可以明顯看出，啤酒用釀酒酵母有較長的「樹杈」，而葡萄酒用酵母則「樹杈」偏短。這表明相比葡萄酒酵母，啤酒酵母在人類手中經歷了漫長的馴化過程（作者估計這個過程始於16世紀），相比它們的祖先已經相去甚遠。韋斯特里彭等人的文章對這兩類酵母的區別有個有趣的比喻：啤酒酵母是狗，被人類馴化得厲害；而葡萄酒酵母是貓，仍帶有野性。其實，這個區別是和兩種酒的釀造模式分不開的。啤酒的釀造條件受季節限制較少，一年四季都可以釀造。人們常常會用上一批啤酒使用過的酵母去釀造下一批啤酒，這無形中就完成了對啤酒酵母的人工進化——人們將產生美味啤酒的酵母留下，而淘汰了釀出味道欠佳啤酒的酵母。相比之下，葡萄酒只能在特定的季節生產。在生產季節外的時間裡，尚未掌握微生物學原理和操作技術的中世紀釀造人員只能將酵母留在地窖中，而它們此時有大把機會和野生酵母交配，因此展示出的被馴化的痕迹也較少。支持這一觀點的一個有意思的證據是，啤酒酵母幾乎都失去了交配能力，而葡萄酒酵母則仍保存了有性生殖的形式。

圖2 工業用酵母菌的系統發生樹

來源：http://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(16)31071-6

既然啤酒用釀酒酵母在人類的手中經過了幾百年的馴化，那麼這些人工選擇出來的酵母相比它們的祖先是否確實能夠產生口味更佳的啤酒呢？通過分析這些酵母菌攜帶的遺傳突變，作者們通過一個例子對這個問題給出了肯定的答案。野生酵母能夠產生的一種代謝物4-VG（4-乙烯基-愈創木酚）帶有一種刺激性的丁香氣味，而這種氣味是人們在啤酒中所不希望聞到的。這種代謝物在酵母中由PAD1和FDC1兩個基因所編碼的酶合成，作者們於是對這些啤酒酵母的這兩個基因進行了分析。結果表明在許多的工業用酵母中，這兩個基因都帶有特定的突變，使得這些酵母的這兩個基因功能缺失（圖3）。這也解釋了大多數啤酒為什麼不含有這種具有刺激性氣味的化合物。有意思的是，在一類以擁有刺激性氣味出名的德式小麥啤酒中，人們發現了4-VG的存在，而釀造這種啤酒的酵母相應地也帶有功能完整的PAD1和FDC1基因。

圖3 PAD1和FDC1基因的系統發生樹。圖中餅狀圖裡，藍色代表功能缺失突變，紅色代表功能完整的基因。德式小麥啤酒（Hefeweizen beer）採用的酵母菌株聚集在紅色區域中。

來源：http://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(16)31071-6

用基因組學指導釀造更美味的啤酒！

葡萄牙新里斯本大學的進化生物學家學者José Paulo Sampaio等人2016年10月發表在《當代生物學》的研究也闡述了類似的發現。兩篇文章的結論都表明在漫長的釀酒歷史中，人們無意識地對酵母進行了人工進化選擇，才使得今天的我們能夠喝到美味的啤酒。這不禁讓我們提出一個問題：在生物學早已進入基因組時代的今天，我們是否能夠用這些全新的知識指導我們選擇出更優的釀酒菌株，釀造出更加美味的啤酒呢？

實際上，凱文·韋斯特里彭正領導他的研究組從事這樣的工作。筆者有幸在去年聽過一場韋斯特里彭的學術報告，他在報告中提到他們正在大規模雜交及篩選新的酵母菌株，並用這些菌株釀造啤酒。他的實驗室常常舉辦品酒會，學校同仁們可以一起對這些新品種啤酒品頭論足（圖4）。究竟他們是否能夠利用現代生物學知識和高通量實驗技術釀造出更加具有風味的啤酒，就讓我們拭嘴以待吧！

圖4 凱文·韋斯特里彭（中）及他的研究組正在品酒

來源：http://www.nature.com/news/ale-genomics-how-humans-tamed-beer-yeast-1.20552

參考文獻：

【1】大英百科全書 – 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】Gon?alves 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.

製版編輯：鄧志英丨

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