Menschen haben die Mikroben hinter Käse, Soja und mehr gezähmt | Wissenschaft

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Die Geschmacksexplosion des ersten Zuckermais des Sommers und die stolze Haltung eines Ausstellungshundes zeugen von der Macht der Domestikation. Aber auch die mikrobielle Alchemie, die Milch in Käse, Getreide in Brot und Soja in Miso verwandelt. Wie die Vorfahren des Maises und des Hundes wurden auch die Pilze und Bakterien, die diese Umwandlungen vorantreiben, für den menschlichen Gebrauch modifiziert. Und ihre Genome haben viele der klassischen Signaturen der Domestizierung erworben, berichteten Forscher diesen Monat in zwei Vorträgen bei einem Treffen in Washington, DC

Mikroben können nicht im herkömmlichen Sinne „gezüchtet“ werden, denn anders als Erbsen oder Schweine können einzelne Mikroben mit gewünschten Eigenschaften nicht ausgewählt und gepaart werden. Aber Menschen können Mikroben züchten und Varianten auswählen, die unseren Zwecken am besten dienen. Die Studien zeigen, dass der über Tausende von Jahren wiederholte Prozess ähnliche genetische Merkmale wie bei domestizierten Pflanzen und Tieren hinterlassen hat: Die Mikroben haben Gene verloren, sich zu neuen Arten oder Stämmen entwickelt und sind nicht mehr in der Lage, in freier Wildbahn zu gedeihen.

Die Studien „kommen zu den Mechanismen“, wie die mikrobielle Domestizierung funktioniert, sagt Benjamin Wolfe, Mikrobiologe an der Tufts University. Durch die Aufdeckung, welche Gene der Schlüssel zu den wertvollen Eigenschaften von Mikroben sind – und welche verloren gehen können – könnte die Arbeit dazu beitragen, die Organismen weiter zu verbessern, die einen Großteil unserer Nahrung und Getränke herstellen, „insbesondere [with] zunehmendes Interesse an fermentierten Lebensmitteln“, sagt die mikrobiologische Ökologin Ariane Peralta von der East Carolina University.

Die zur Herstellung von Brot verwendeten Hefen galten lange Zeit als domestiziert, weil sie ihre genetische Variation verloren haben und nicht in freier Wildbahn leben können. Aber für andere Mikroben fehlten den Wissenschaftlern „eindeutige Beweise für Domestikation … teilweise weil [their] mikrobielle Gemeinschaften können schwer zu untersuchen sein“, sagt der Doktorand Vincent Somerville von der Universität Lausanne.

Somerville und John Gibbons, ein Genomiker an der University of Massachusetts, Amherst, konzentrierten sich unabhängig voneinander auf die Fermentation von Lebensmitteln, die den frühen Landwirten und Hirten dabei half, frische Produkte und Milch in Produkte umzuwandeln, die Monate oder Jahre haltbar sind. Gibbons hat sich das Genom von genau angeschaut Aspergillus oryzaeder Pilz, der die Produktion von Sake aus Reis und Sojasauce und Miso aus Sojabohnen ankurbelt.

Wenn Bauern anbauen A. oryzae, reproduziert sich der Pilz – ein Eukaryot, dessen DNA in einem Zellkern eingeschlossen ist – von selbst. Aber wenn Menschen etwas fertiges Sake nehmen und es in eine Reismaische geben, um die Fermentation erneut zu beginnen, übertragen sie auch Zellen der Pilzstämme, die sich während der ersten Fermentationsrunde entwickelt und am besten überlebt haben.

Gibbons verglich die Genome von Dutzenden von A. oryzae Stämme mit denen ihrer wilden Vorfahren, A. flavus. Im Laufe der Zeit, so stellte er fest, hatte die Selektion durch Menschen zugenommen A. oryzaeFähigkeit, Stärke abzubauen und den bei der Fermentation entstehenden Alkohol zu tolerieren. „Die Umstrukturierung des Stoffwechsels scheint ein Kennzeichen der Domestikation bei Pilzen zu sein“, berichtete er letzte Woche auf der Microbe 2022, dem Jahrestreffen der American Society for Microbiology. Zum Beispiel domestiziert Aspergillus Stämme können bis zu fünfmal mehr Kopien eines Gens für den Stärkestoffwechsel haben als ihre Vorfahren – „ein brillanter Weg für die Evolution, dieses Enzym hochzutreiben“, sagt Wolfe.

Die Gene der Domestizierten A. oryzae zeigen auch wenig Variation, und das Genom hat einige Schlüsselgene verloren, einschließlich derjenigen für Toxine, die die Hefe töten würden, die für die vollständige Fermentation benötigt wird – und die Menschen krank machen können. Die Domestizierung hat offenbar stattgefunden A. oryzae menschenfreundlicher, genauso wie es aus vielen Nahrungspflanzen bittere Aromen hervorbrachte.

Somerville berichtete bei dem Treffen, dass er das gleiche Muster bei Prokaryoten oder kernlosen Organismen gesehen hat, einschließlich bei Bakterien, die zur Herstellung von Käse verwendet werden. Frühe Käser etablierten „Starter“-Bakterienkulturen, die die Menschen in der Schweiz zur Herstellung von Gruyère und anderen Käsesorten verwenden. Seit den 1970er Jahren haben Käsehersteller Proben ihrer Starterkulturen eingelagert, um ihren Käse zu bewerten und die Qualität hoch zu halten. Somerville sequenzierte die Genome von mehr als 100 Proben.

„Das Spannende an dieser Arbeit war, im Laufe der Zeit Muster zu haben“, sagt Wolfe. „Sie können die Formung der Vielfalt sehen“, wobei die Veränderungen in den letzten 50 Jahren auf den Verlauf der Veränderungen in den vergangenen Jahrhunderten hindeuten.

Alle Proben wiesen eine geringe genetische Vielfalt auf, mit nur wenigen Stämmen von zwei dominanten Arten, berichtete Somerville. Diese wenigen hartnäckigen Stämme sind wahrscheinlich wichtig für die Käsequalität, sagte Gibbons. Die Kulturen hatten seit den 1970er Jahren auch Gene verloren, darunter einige, die zur Herstellung bestimmter Aminosäuren benötigt wurden, die zum Zusammenbau von Proteinen erforderlich sind. Aber Aminosäuren sind teuer in der Herstellung – und diese Mikroben leben in proteinreicher Milch. „Sie konnten eine Reihe von Genen loslassen, die sie nicht brauchten“, sagt Wolfe. Somerville fand auch einen umfangreichen Genaustausch zwischen den Mikroben, eine Möglichkeit, neue Gene zu erwerben.

Gibbons fasst die Studien zusammen und kommt zu dem Schluss, dass die Genome von „domestizierten Prokaryoten und mikrobiellen Eukaryoten sehr ähnlich“ zueinander und zu vielzelligen domestizierten Organismen sind. Peralta warnt davor, dass die Analogie zu Nutzpflanzen und Tieren nicht perfekt ist. Mikroben können sich viel schneller entwickeln und können daher leichter „rewilded“ werden. Während die Forscher domestizierte Mikroben verfeinern, hofft sie dennoch, dass Sake und Käse noch besser schmecken.