科学家开发更好酵母酿造更美味啤酒

凯文·弗斯特雷朋(中)和他的同事正在实验室品尝啤酒。资料来源:金贾斯汀

使用传统的育种方法，我们可以提高风味10倍，但使用基因改造方法，我们可以提高风味100倍或1000倍。

凯文·弗斯特雷朋的实验室会议有时会让人喝醉。比利时鲁汶大学和佛兰德生物技术研究所的几名团队成员每周两次围坐在一张桌子旁，桌子上摆满了郁金香形的黑色啤酒杯、痰盂和饼干。

Verstrepen举起一个杯子闻了闻。"我认为它就像一个乙酸乙酯炸弹."这种化学物质经常用于梨味甜点，并在高浓度下散发出指甲油的味道。

实验室的研究生布里吉达·加洛恩也闻到了另一种气味。"乙酸乙酯和4-乙烯基愈创木酚."她说。后者闻起来像烟、丁香和牙科诊所。"我喜欢4-乙烯基愈创木酚，但这太浓了."

另一名学生Stijn Mertens闻到了湿纸板的味道，这在陈年啤酒中很常见。"我闻到反式-2-壬烯醛的味道."他说。

该小组完成了对啤酒的分析，并开始品尝第九瓶也是最后一瓶啤酒。时间还没有到上午11点

"在你失去注意力之前，你只能做这么多。"博士后研究员米格尔·朗科罗尼说。他主持这些品酒会已经超过4个月了。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。他们对产生味道和香味的几十种化学物质的评估和精确测量可以帮助消费者将他们喜欢的啤酒与实验室介绍进行比较，并选择新的啤酒来尝试。

但弗斯特雷朋的梦想不止于此。他想培养完美的酵母。他的实验室正在将啤酒风味的化学和遗传知识应用于酵母菌株的培养，以生产独特风味和受欢迎的美味饮料。

实验室里的“啤酒极客”跨越两个世界，既从事科学研究，又从事工业酿造。他们通过酵母研究进化、生物化学甚至神经科学，但他们也与来自世界各地的酿酒商签订合同。在将发表在《细胞》杂志上的一篇论文中，实验室报道了用于酿造啤酒、清酒和其他发酵产品的150种酵母菌株的基因组。

啤酒厂外

对于一个价值5000亿美元的啤酒行业来说，其产品依赖于化学和微生物之间的复杂反应，因此对高级酵母菌株的需求很大。“你总是想知道凯文实验室的新情况。”美国新比利时啤酒厂的啤酒酿造商彼得·布克凯特说，“人们正在关注他的发展。”

啤酒的味道来自几种配料。谷物(主要是大麦芽)提供糖和酒体，也能影响风味，如黑啤酒中常见的巧克力风味。啤酒花给一些手工啤酒带来苦味和热带水果味。可溶性矿物质影响谷物和啤酒花的味道。酿酒酵母提供酒精、气泡和数百种芳香化合物。发酵过程产生了其他一切，从乙酸异戊酯(德国威森小麦白啤酒的香蕉味来源)到4-乙烯基愈创木酚，它带来丁香味。

酿酒师曾是酵母科学的领导者。丹麦的嘉士伯啤酒厂在1875年建立了世界上最早的酵母生物学实验室。在那里，埃米尔·克里斯蒂安·汉森于1883年首次分离出一株纯酿酒酵母。在20世纪30年代和40年代，另一位在嘉士伯工作的科学家，杰温德·温格，发现酵母可以有性繁殖和无性繁殖，并利用这一特性培养出具有实际酿造特性的新菌株。

温格的工作将酵母从酿酒厂带到了生物实验室。现在，许多科学家用酿酒酵母作为模型来探索复杂细胞的内部机制。尽管酵母和生命科学的结合有着悠久的历史并取得了杰出的成果，但弗斯特雷朋仍然认为，许多酿酒人仍然保留着在19世纪对酵母的使用。"酿酒商，尤其是传统酿酒商，通常不使用最好的酵母."

Verstrepen想改变这一点。起初，他在南非的葡萄酒酵母实验室工作，然后在1999年他进入鲁汶大学的啤酒实验室攻读博士学位。然而，他失望地发现大多数研究都是为了解决酿酒商的问题。“没有人真正在做生物学研究。”他说。梦想破灭后，他来到马萨诸塞州的怀特黑德生物医学研究所，跟随杰拉尔德·芬克从事博士后研究。杰拉尔德·芬克在20世纪70年代发起了酵母基因工程的研究。

然而，尽管那里的科学家喜欢酵母，但没有人对啤酒感兴趣。他的研究集中于致病酵母用来粘附人体组织的蛋白质。他发现酵母的“粘性”取决于特定基因上的DNA序列重复的数量。“就像Velcro越长，就越容易粘东西。”他解释道。这种蛋白质也与酵母的絮凝作用有关，即酵母细胞在啤酒中聚集并从溶液中分离出来的过程。不同菌株具有不同的絮凝特性，这将影响啤酒的风味、澄清度和酒精含量。

啤酒实验室

2005年，Verstrepen在哈佛大学建立了自己的实验室，专注于不同DNA序列重复在产生多样性中的作用。他还在哈佛大学教本科生生物学，并将酿酒学融入课程。"那门课相当难。"他说。但是在2009年回到鲁汶大学之前，啤酒并不是他的研究课题。

Verstrepen一直想将研究与对啤酒和葡萄酒的兴趣结合起来。他与该行业的合作始于一家瑞士巧克力公司的电话。白乐嘉宝是世界上最大的可可生产商之一，它需要将苦可可豆转化成可可粉(传统上是通过酵母在环境中完成)。"我回答说，巧克力是发酵的吗？"Verstrepen说。

然而，该公司成为了Verstrepen实验室的第一个咨询客户。目前，他们实验室的25名科学家中有一半从事啤酒、生物燃料和其他发酵产品的应用研究，而其他人则从事表观遗传学、分子进化和其他基础研究。

乍一看，弗斯特雷朋的实验室和其他实验室没有什么不同。离心机、培养皿、移液器和装有小玻璃瓶的培养箱放在实验台上。如果瓶子里没有装满浓浓的大麦芽、糖和啤酒花，培养箱在任何微生物实验室都不会显得突兀。

然而，在实验室的冰箱中储存着大约30，000种酵母，包括全世界用于酿造、烘焙和其他目的的1，000种菌株，以及从水果、花卉、昆虫甚至人类中分离的1，000种野生菌株。这些品种中的许多已经根据影响口味的基因和啤酒制造商关心的其他特征进行了分类。该实验室正与加州的白色纯酵母发酵实验室和合成基因组公司合作建立一个工业酵母谱系。

冰箱里的其他菌株是实验室的发明:具有独特特征组合的全新菌株。该团队通过培育不同的菌株并筛选其后代的气味来生产新的菌株。最近，实验室也开始筛选这些特征背后的基因。Verstrepen相信这将改变酿酒业。

实验室还使用了一个机器人，该机器人一天可以完成数百次酵母繁殖。产生的菌株根本来不及分析和品尝。为了解决生产过剩的问题，研究人员正在开发一种微流控芯片，可以同时生产2000多种不同的酵母，每种酵母含有20微微升，每种酵母只含有一个酵母单细胞。他们可以自动检查这些微酿产品的酒精含量，并希望最终测量产生的芳香化合物。

寻找新口味

Verstrepen的酵母档案已经把他的实验室变成了寻找特殊口味的酿酒商的一站式商店。"凯文的研究超出了酿酒人的应用范围."布克凯特说，“但这并不意味着它们不能在未来变成巨大的商机。”

Verstrepen说，酿酒酵母的自然变异为风味和其他特性的调节提供了空间，但这种方法也有局限性。基因改造工具可以在此基础上得到改进。“使用传统的育种方法，我们可以提高风味10倍，但使用基因改造方法，我们可以提高风味100倍或1000倍。”Verstrepen说。酿酒商对他们的结果感到兴奋，但转基因食品的“耻辱”意味着实验室一直在使用更传统的技术，如传统育种和定向进化，来为行业生产菌株。

像CRISPR这样的基因编辑技术也可以将自然产生的变异体引入到生长良好但味道很少的酵母菌株中，从而更快地实现与传统育种方法相同的目标。

虽然一些手工酿酒厂已经向实验室要求转基因酵母，但布克凯特说，大多数酿酒厂对此不感兴趣。"美国手工酿酒厂正在挑战极限，但基因改造是一个禁区."他说。

然而，默顿斯很高兴看到他的发明被制成商用啤酒，但他也希望对他发明的其他菌株的基因组进行测序，以了解不同物种如何杂交——甚至可能找出原始啤酒酵母的生产条件。"我们开发了一种新的酵母，酿酒师非常喜欢它."他说，“但我们正在研究杂交的操作基础，这比啤酒科学更进一步。”

在早上的啤酒品尝结束时，桌上的痰盂已经满了。Verstrepen与一家DNA测序公司有一个会议，Mertens和其他学生有研究工作要做。实验室可能吸引了许多啤酒爱好者，但这不是一个狂欢派对。

“是的，你正在研究的产品非常有趣，但它最终是基因工作，”莫滕斯说。“我们不喝酒取乐。”至少在工作前不会。(张张)

《中国科学报》(国际版，第三版，2016年8月10日)