Любопытное превращение из ядовитого гриба в суперзвезду соевого соуса

Aspergillus oryzae относится к семейству грибов, входящих в более обширную группу, известную как сине-зеленые плесени. Около 40 % видов этого семейства относятся к роду Aspergillus, названному так потому, что стройные стебли и губчатые кончики спороносных структур напоминают аспергилл - кропило для святой воды, используемое в некоторых христианских конфессиях. Род имеет несколько выдающихся представителей, включая промышленно полезные виды, которые производят химические вещества, например лекарства, или ферментируют пищу, как A. oryzae. "Известный как плесень коджи, A. oryzae - мастер пищеварения. На первом этапе производства соевого соуса она перерабатывает исходные ингредиенты, обычно соевые бобы и пшеницу; при производстве сакэ она перерабатывает рис. Пищеварительные ферменты плесени - протеазы и амилазы - расщепляют белки и крахмал до более простых молекул, которые затем сбраживаются дрожжами. Эта плесень "пахнет удивительной смесью гриба и грейпфрута, а также немного кисловато", - говорит микробиолог Бенджамин Вулф из Университета Тафтса под Бостоном. "Другие виды Aspergillus представляют угрозу, включая Aspergillus flavus, мистера Хайда для доктора Джекила из A. oryzae". A. flavus производит сильнодействующие яды, называемые афлатоксинами, которые при попадании в организм превращаются в печени в соединения, повреждающие ДНК и изменяющие функции клеток. Он поражает различные культуры: кукурузу, пшеницу, маниоку, арахис, рис, кунжут, семена подсолнечника и другие. Он может заражать растения как до сбора урожая, так и после, при хранении или транспортировке. Токсины могут попадать даже в молоко животных, которые едят зараженный корм. Несмотря на различные меры контроля, спорадические вспышки афлатоксина отравляют и убивают людей и домашних животных по всему миру. "Ученые давно поняли, что опасный A. flavus и пищевой фермент A. oryzae - очень близкие родственники: они могут быть идентичны по цвету и текстуре, а могут сильно отличаться друг от друга, что делает их трудноразличимыми. Ранние исследования их ДНК выявили поразительное сходство, а проведенное в 1998 году изучение нескольких генов каждого гриба позволило сделать вывод, что A. oryzae произошел путем одомашнивания от A. flavus. "Однако A. oryzae не производит афлатоксинов и надежно использовался в качестве пищевого фермента на протяжении тысяч лет. Теперь ученые начали определять конкретные изменения, которые привели к серьезной перестройке метаболизма этой плесени. "Исследователи давно хотели генетически доказать, что A. oryzae не мог производить афлатоксин, отчасти для того, чтобы гарантировать, что плесень была и останется безопасной для ферментации пищи. В недавнем исследовании, например, ученые сравнили геном A. oryzae 14160, промышленного штамма из Китая, с геномом A. oryzae RIB40, штамма, который был секвенирован в 2005 году. В исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Microbiology в 2021 году, команда обнаружила, что у штамма 14160 удалено более половины кластера генов афлатоксина, а у штамма RIB40 есть мутации в ключевых генах. "Но от штамма к штамму в кластере генов афлатоксина постоянно появляется одна мутация, - говорит Гиббонс, который возглавил анализ 2021 года вместе с тогдашней аспиранткой Кэтрин Чакон-Варгас. Этот вывод позволяет предположить, что в какой-то момент штамм дикой плесени A. flavus приобрел эту мутацию, сделав ее безвредной. После этого в генах афлатоксина свободно накапливались другие генетические изменения, поскольку они больше не использовались. "Одомашнивание обеспечило бы сохранение безвредного признака, - говорит Гиббонс. Это связано с тем, что афлатоксин является защитным соединением, которое плесень использует для уничтожения других микробов. Поскольку другие микробы - а именно дрожжи - являются частью процесса брожения при изготовлении соевого соуса или рисового вина сакэ, единственными ферментами, которые могли бы работать, были бы те, в которых токсины Aspergillus не присутствовали бы, чтобы убить дрожжи. "Потеря способности производить афлатоксин, вероятно, открыла грибку путь к повышению его способности переваривать крахмал, добавляет Гиббонс. Это связано с тем, что химические вещества для защиты дорогостоящи в производстве. "Если они теряют способность производить эти токсины, то фактически экономят много энергии, которую они могут направить на первичный метаболизм, например, на переваривание крахмала, сахаров и белков", - объясняет он. "Исследования показывают, что способность переваривать крахмал развивалась снова и снова. Например, еще в 1989 году, задолго до того, как стали доступны геномные последовательности любого вида Aspergillus, несколько групп ученых использовали методы, показывающие, что A. oryzae имел несколько копий гена, кодирующего альфа-амилазу, фермент, который переваривает крахмал; два штамма гриба имели две копии, а два других - три. "С тех пор исследователи стали более внимательно изучать большее количество штаммов и обнаружили всевозможные вариации на эту тему. Например, штамм RIB40 имеет гены альфа-амилазы на хромосомах 2, 3 и 5, а команда Гиббона недавно сообщила, что промышленный штамм из Китая 14160 имеет две копии на хромосоме 2 и третью копию на хромосоме 6". "По словам Гиббона, вполне вероятно, что подобные изменения неоднократно происходили и в природе, хотя до одомашнивания они не сохранялись, поскольку не были полезны. "Но в пищевой среде, чем больше у вас генов альфа-амилазы, тем больше фермента вы производите, - говорит он. Поэтому люди должны были отбирать мощные микробы, переваривающие крахмал, при одомашнивании для ферментации". "Рассматривая этапы одомашнивания A. Например, легко представить, как ранние гоминины ели фрукты, на которых побывали дрожжи и перебродили в алкогольное сусло, а люди признали достоинства этих фруктов, как в плане их воздействия на разум, так и в плане их дезинфицирующих свойств", - говорит микробный генетик Кевин Верстрепен из VIB и Университета Левена, Бельгия. "В случае с Aspergillus споры постоянно находятся в воздухе - по данным исследователей, мы вдыхаем более 200 спор в день - и они растут, если оседают в теплом и влажном месте", - говорит Верстрепен. Недавняя реконструкция родословной Aspergillus, проведенная эволюционным биологом Антонисом Рокасом из Университета Вандербильта, предполагает, что A. flavus и некая версия его одомашненного аналога, A. oryzae, имели общего предка примерно 3,8 миллиона лет назад. A. oryzae от природы любит рис, и вполне вероятно, что не продуцирующие афлатоксин версии A. flavus присутствовали в диком рисе, который употребляли ранние люди. "С появлением сельского хозяйства в эпоху неолита, около 12 000 лет назад, одомашнивание стало гонкой на длинные дистанции. Когда люди поселились в общинах и начали регулярно выращивать урожай и разводить животных, возможно, впервые возникли излишки зерна, молока или мяса. Один из лучших примеров - сырое молоко, которое портится за день при комнатной температуре", - вспоминает Гиббонс. Но если вы заквасите его в твердый сыр, то сможете путешествовать с ним в кармане при комнатной температуре в течение месяца". "Ранний пример намеренной ферментации пищи - скорее всего, с помощью Aspergillus - происходит из неолитической деревни Цзяху в китайской провинции Хэнань, где найдены артефакты, свидетельствующие об одомашнивании риса и ранних музыкальных инструментах. В 2004 году группа исследователей сообщила, что керамические черепки с этого места содержат остатки ферментированного напитка из риса, меда и фруктов - по сути, рисового вина или "прото-саке", - говорит Гиббонс. С тех пор ученые исследовали остатки на горшках из двух других ранненеолитических стоянок в Китае и обнаружили остатки грибков, в том числе поразительно похожих на нашего героя - плесень кодзи. "Вначале люди, вероятно, полагались на спонтанную колонизацию A. oryzae и других микробов, но в какой-то момент возник процесс, при котором часть предыдущей закваски используется для начала новой, как закваска для хлеба. Преднамеренная ферментация с помощью A. oryzae, похоже, происходила уже 2300 лет назад: плесень упоминается в древнекитайском тексте "Чжоули" ("Обряды династии Чжоу"), который датируется 300 годом до н. э. Некоторое время спустя люди начали разводить A. oryzae на пропаренном рисе; споры отделяли от зерна с помощью шелкового сита и высушивали, чтобы использовать в случае необходимости. "Верстрепен любит говорить своим студентам, что пивные дрожжи, которые живут круглый год в чанах, где им тепло и хорошо кормят, похожи на собак, а винные дрожжи, которые выращиваются во время сбора урожая, но могут смешиваться с дикими видами в промежуточные месяцы, похожи на кошек. Сегодня, отмечает Рокас, A. oryzae похож на собаку. Существует множество улучшенных штаммов, которые люди могут заказать в соответствии со своими специфическими потребностями в ферментации. Но долгое время существовало неограниченное разнообразие, множество штаммов A. oryzae A. flavus с дефектными генами токсинов и различными способностями к перевариванию крахмала, и было вопросом удачи, какой из них окажется в соевом соусе или саке. По словам Рокаса, плесень древних "должна была быть более кошачьей". "Статья переведена Дебби Пончнер".