BeerSci: ビールの主要成分が私たち自身のゲノムについて明らかにするもの

BeerSci の醸造活動の共同神である、謙虚なビール酵母、サッカロミセス・セレビシエをご紹介します。

人類は何千年もの間、 S. cerevisiaeの発酵能力を活用してきました。S. cerevisiae がなければ、ビール、パン、ワインは生まれなかったでしょう。食品生産における用途に加えて、 S. cerevisiaeは分子生物学や細胞生物学の素晴らしいツールでもあり、科学者が細胞の働きの法則を解明し、問題が起こったときに分子レベルで何が起こるかの手がかりを得るのに役立っています。

真核生物の細胞プロセスと真核生物の遺伝子発現について私たちが理解していることの多くは、S. cerevisiae を研究することによって学びました。

それは、 S. cerevisiaeが最も単純な真核細胞、つまりあなたの犬や観葉植物、近所のバーテンダーを構成する細胞の一つだからです。実際、1996 年にS. cerevisiae はゲノムの配列が決定された最初の真核生物となりました。サッカロミセス ゲノム データベースによると、 S. cerevisiaeのゲノムには約 12,100,000 塩基対と約 6,600 のオープン リーディング フレーム (つまり、ゲノム内で遺伝子を含む可能性のある場所) があります。

皆さんのほとんどは、細胞には原核細胞と真核細胞の 2 種類があることを覚えていると思います。つまり、「核がない」細胞と「核がある」細胞です。これはすべて事実ですが、2 種類の細胞の違いはそれよりもはるかに根深いものです。細菌 (原核生物) は、真核生物とはまったく異なる (そしてはるかに単純な) 方法で遺伝物質を構成します。原核生物は通常、ゲノム用の DNA の塊 (通常は環状) と、細胞質内に漂うプラスミドと呼ばれるいくつかの余分な塊だけを持っています。これらのプラスミドは、細菌間で遺伝子を共有するなどの目的で非常に役立ちます。また、このプラスミドにより、抗生物質耐性を持つ細菌株が、たとえば腸内のほぼ無関係な細菌株に抗生物質耐性を伝達することができます。細菌の遺伝子は、通常、DNA で見つかったとおりに読み取られます。この文章を読んでいるのと同じような方法です。混乱を招くような文字の塊が間に挟まることはありません。

一方、真核生物は、そのすべての DNA (その量は膨大) をクロマチンと呼ばれるタンパク質-DNA 複合体に束ね、そのクロマチンを個々の染色体に巻き付けます。さらに、遺伝子は、機能的なタンパク質を「コード化」する前に、徹底的に処理される必要があるような方法で構築されています。真核生物の細胞プロセスと真核生物の遺伝子発現について私たちが理解していることの多くは、 S. cerevisiaeの分子力学を研究することでわかりました。

なぜこんなことを言っているのか？/それは、たとえばイギリスのビール酵母のエステル生成特性やセゾン酵母の耐熱性や高減衰特性の原因となる遺伝子座やその他の要因を突き止めるためにS. cerevisiaeゲノムを研究していたとき、とても興味深いものを見つけたので、それについて書きたいと思ったからです。2010 年 5 月 20 日発行のNature誌の記事を見つけました。その記事では、ワシントン大学の生物学者とコンピューター科学者が、通常の酵母細胞における染色体の配列とその配列が遺伝子発現にどのような影響を与えるかを解明したと説明されていました。最終的には、これが人間の遺伝子発現の理解に影響を与える可能性があります。

背景を少し説明します。過去 10 年ほどで最も驚くべき発見の 1 つは、生物の物理的および化学的構成に影響を与えるのは遺伝子の内容だけではなく、それらの遺伝子がクロマチンにどのようにパッケージ化されているかが重要であるということです。遺伝子が王様であると 1 世紀以上考えられてきた分野にとって、これは驚くべき結果であり、最近の記憶の中で私のお気に入りの 1 つです。

しかし、遺伝子のパッケージングだけでなく、核内の染色体の配置も重要であることが判明しました。このように考えてみてください。ゼロックス機とある程度の時間があれば、遠くにあるものをコピーするためにオフィスの反対側までその機を運ぶよりも、最も近くにある文書を頻繁にゼロックスするでしょう。これが染色体の組織化の働きです。2 つの遺伝子が「ゲノム」の線状鎖上でいくらか近くにあっても、核の真ん中あたりにあれば問題ではありません。むしろ、2 つのまったく異なる染色体の領域が核内で互いに隣り合って居心地よくなることも重要です。互いに隣接する染色体領域から遺伝子産物のコピーがたくさん得られるのです。問題の論文では、研究者らが比較的新しい方法を使用してそれらの相互作用の DNA ライブラリを作成し、空間的に隣接する染色体座のすべてを調べ、 S. cerevisiae の核内の 16 本の染色体が互いにどのように相互作用するかをマッピングしてモデル化した方法が詳しく説明されています。

論文の著者の一人であるウィリアム・ノーブル氏に、その方法と結果について話を聞きました。この研究で最も意外だった（そして当初は心配だった）結果の1つは、染色体XIIが他の染色体とどのように異なるかということでした。データによると、他の染色体とは異なり、XIIには他のものとほとんど相互作用しない大きな帯状の領域がありました。ノーブル氏によると、分析を行った彼と彼の同僚は、データにアーティファクトがあり、実際にはそうではない染色体XIIが異なって見えるのではないかと心配していました。しかし、さらに精査すると答えが明らかになりました。他のすべての染色体とは異なり、XIIは核小体と呼ばれる大きな構造に部分的に位置しており、そこでリボソームRNAが作られています。核小体はバリアのような働きをするため、染色体の腕が互いに近づくことができません。ちょうど、伸縮式の腕がなければ力士にベアハグするのが難しいのと同じです。

研究者らはまた、染色体間の相互作用のほとんどがセントロメアに隣接する部位で起こることを発見した。そして、おそらく驚くことではないが、tRNA をコードすることが知られている部位は、染色体のどこにあってもクラスターを形成する傾向があり、そのようなクラスターの 1 つは核小体に局在していた。tRNA 遺伝子が、活発な翻訳とタンパク質合成が行われる領域にクラスターを形成するのは理にかなっている。

論文の調査結果について話をした後、ノーブルと私は、その影響の可能性について話し合いました。他の研究は、核の秩序、つまり核内で染色体が自ら組織化される方法が、生物の日々の生活の中で遺伝子がどのように発現するかに実際に影響することを示唆しています (そして、この研究はそれを裏付けています)。「あなたは遺伝子の産物か」という話の背景にある話は、月ごとに曖昧になっています。同様の研究は、ヒトを含む他のゲノムでも行われていますが、それらのゲノムは大きくて複雑なため、ワシントン大学のグループが出芽酵母で得たのと同じ解像度を得ることは不可能です。

これらはどれも醸造とはまったく関係ないことはわかっています。しかし、ウィキペディアの穴に落ちると時々興味深い発見につながるのと同じように、酵母ゲノムに関する数十の科学論文を掘り下げると、別の興味深い発見につながります。

話を醸造に戻しますと、ヨーロッパの科学者がグレゴール・メンデルの「離散的遺伝単位」に関する研究を再発見したのと同時期に醸造されたエールのレシピに似たレシピをご紹介します。私たちは、1901 年 11 月 15 日の KK by Pretty Things Ale Project をモデルにしました。このレシピは、ロンドンでその名の由来となった日に醸造されたビールのレシピに基づいています。これは部分マッシュ レシピです。なぜなら、Team BeerSci には 5 ガロンのオールグレイン バッチで目標比重 1.079 を達成するための設備がないためです。

材料
4ポンドのマリスオッター
ブラウンモルト 1ポンド
10オンス クリスタル 120
6オンス クリスタル 80
チョコレートモルト 1オンス
4ポンドの超軽量DME
2ポンド インバートNo.3

沸騰比重を低く保ち、ホップの利用率を高めるために、火を消すときに 2.5 ポンドの DME を追加します。
イーストケントゴールディング1.5オンスとセンテニアル0.15オンス — 90分
イーストケントゴールディング1.5オンスとブラムリングクロス0.5オンス — 60分
1.5オンスイーストケントゴールディングと1.5オンスブラムリングクロス — 30分
ワイイースト ロンドン III (1318)

説明書
2 週間後にラックに移し、二次発酵槽で EKG と Bramling Cross をそれぞれ 1 オンスずつ加えてドライホップします。

このビールは、このビールのインスピレーションとなった 1901 年 11 月 15 日の KK エールよりも明るい色 (濃い茶色というよりチョコレート色に近い) になりましたが、それでもアルコール度数 8.1% の美味しい冬ビールでした。

来週：大麦ゲノム解読！
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