미국 위스콘신 대학 매디슨 캠퍼스(UW-Madison; University of Wisconsin-Madison) 소속의 연구진은 단순하고, 견고할 뿐 아니라 효율적인 이종 이스트 하이브리드(interspecies yeast hybrids)를 생성하는 방법을 개발했다. Fungal Genetics and Biology 저널에 발표된 이 방법은 진화 유전학(evolutionary genetics)과 게놈 안정성(genome stability)에서의 기초 연구에 사용되는 사배체(tetraploids) 구축뿐 아니라, 음료와 바이오연료 생산(biofuel production)을 위한 새로운 합성 하이브리드를 위한 효과적인 수단을 제공한다.

약 500여 년 전, 에일(ale, 맥주의 일종), 와인 및 빵 등과 같은 제품을 만드는데 책임이 있는 이스트인 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)의 유연한 자연적인 교배와 멀리 떨어져 있는 이스트 가계는 라거 맥주(lager beer)의 생산을 가능하게 했다. 오늘날 저온 양조로 생산된 라거 맥주는 전 세계에서 가장 많이 소비되는 알코올 음료로 연간 2500억 달러 이상이 판매되고 있다.

사카로미세스 이종 하이브리드는 라거 맥주, 벨기에 에일(Belgian ales), 사이다 및 저온 발효 와인 등의 생산을 포함한 발효 음료 산업에서 중요한 생체촉매(biocatalyst)이다. 합성 이종 하이브리드를 만들기 위한 현재의 방법은 까다롭거나 게놈 변경(genome modification)을 필요로 한다.

최초의 라거 맥주는 사카로미세스 종(Saccharomyces species)의 유연한 교배에 의존했다. 그러나 결과는 엄청난 경제적 가치의 제품을 만들어 냈으며, 이종 이스트 하이브리드의 잠재적인 가능성을 증명했다. 자연에서, 유사한 교배 사건의 가능성은 거의 존재하지 않으며, 거의 불가능에 가깝다.

연구진은 천 개의 세포 중 하나의 비율로 하이브리드를 얻을 수 있었다. 이러한 하이브리드는 자연보다 훨씬 더 효율적이라고 이 논문의 주저자인 William Alexander는 밝혔다.

수많은 이스트 종이 알려져 있으며, 전 세계 상상할 수 있는 거의 모든 생태학적 지위를 차지하고 있다. 이스트는 미생물이 당을 알코올과 이산화탄소로 전환시키는 발효 공정에 필수적이다. 이스트는 맥주, 와인 및 빵 등을 만드는데 폭넓게 사용되고 있을 뿐 아니라, 사이다, 위스키, 치즈, 요거트, 간장 및 다른 발효 음식과 음료를 만드는데 사용되고 있다. 산업계에서, 이스트는 바이오연료를 제조하고, 효소, 향미료(flavors), 안료(pigment) 및 인간 인슐린과 같은 약품 등을 만드는데 사용되고 있다.

신속하고 효율적으로 대량 생산하는 새로운 이스트 이종 하이브리드의 능력은 이스트에 의존하는 산업은 더 많은 유기체가 완전히 새로운 제품을 생성하고 생성물을 강화하기 위하여 새로운 향미료를 만드는 실험을 거칠 수 있게 할 것이라고 UW-Madison 소속의 유전학 교수이며, 새로운 연구의 선임 저자인 Chris Todd Hittinger는 설명했다. Hittinger는 이스트 유전학에 대하여 전 세계적으로 저명한 학자이며, 라거 맥주 하이브리드를 형성하는 야생 파타고니아 이스트(Patagonian yeast)를 공동으로 발명했다.

예를 들면, 사카로마이세스 세레비시아와 이와 먼 가계인 자연에서 나무 혹병에 서식하는 사카로마이세스 유바야누스(Saccharomyces eubayanus)의 교배는 라거 맥주를 만드는 저온 발효를 허용한다.

연구진은 포자 형성(sporulation) 또는 핵의 게놈 촉진(nuclear genome manipulation) 없이 독립 영양의 사카로미세스(prototrophic Saccharomyces) 가계의 이질 사배체(allotetraploid)를 생성하는 단순하고, 견고하며 효율적인 방법을 개발했다.

새로운 이스트 교배 방법은 유기체에 유전적 품질을 부여하기 위하여 구축될 수 있는 DNA의 집단인 플라스미드(plasmids)를 사용한다. 실험실에서, 플라스미드는 세포에서 유전자를 조작하기 위하여 일상적으로 사용되고 있다. 플라스미드에 있는 유전자는 짝으로 두 개의 별개의 이스트 종을 허용하는 자연적으로 발생하는 이스트 단백질을 발현함으로써 이스트 교배를 촉진한다.

플라스미드는 두 개의 융합된 유기체의 게놈을 변화시키지 않고 남겨진 새로운 하이브리드 이스트로부터 제거될 수 있는 교배 공정을 촉진하는데 사용됐다.

이 기술의 장점은 속도, 효율 및 정밀성 등 이다. 일주일 이내에, 당신은 이전에는 결코 볼 수 없었던 형태를 생성하기를 원하는 두 가지 종의 다수의 하이브리드를 생성할 수 있다고 Chris Todd Hittinger는 밝혔다.

새로운 연구는 네 가지 새로운 하이브리드에 대하여 기술하고 있다. Hittinger와 그의 동료 연구진은 파타고니아(Patagonia)의 알프스 지방에서 라거 이스트 모계에서 처음으로 발견한 후, 4개의 하이브리드 중 하나는 미국 위스콘신 주 셰보이건(Sheboygan) 인근에서 발견됐던 사카로마이세스 유바야누스의 가계를 이용하여 만들어졌다. 새로운 하이브리드는 UW-Madison 식품과학부에서 새로운 맥주 레시피로 테스트될 예정이다.

S. cerevisiae × S. eubayanus, S. cerevisiae × S. kudriavzevii, 및 S. cerevisiae × S. uvarum 등의 하이브리드 가계가 합성 라거, 벨기에 에일 및 사이다 가계로 각각 생성됐다. 가계의 배수성(ploidy)과 하이브리드 특성은 각각 유동 세포 분석법(flow cytometry)과 PCR-RFLP 분석을 이용하여 확인됐다.

또 새로운 기술은 포자를 생성할 수 없는 수많은 이스트의 산업용 가계로 관련 산업이 장애를 극복하는데 도움을 줄 수 있다. 새로운 연구는 국립과학재단(NSF; National Science Foundation)와 에너지부의 지원으로 수행됐다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 12월 10일]

 

 

Researchers at the University of Wisconsin-Madison have developed a simple, robust, and efficient method for generating interspecies yeast hybrids. As reported in the journal Fungal Genetics and Biology, this method provides an efficient means for producing novel synthetic hybrids for beverage and biofuel production, as well as for constructing tetraploids to be used for basic research in evolutionary genetics and genome stability.

Some 500 years ago, the accidental natural hybridization of Saccharomyces cerevisiae—the yeast responsible for things like ale, wine and bread—and a distant yeast cousin gave rise to lager beer. Today, cold-brewed lager is the world’s most consumed alcoholic beverage, fueling an industry with annual sales of more than $250 billion.

The first lagers depended on that serendipitous cross of Saccharomyces species as evolutionarily diverse as humans and chickens. The result, however, yielded a product of enormous economic value, demonstrating the latent potential of interspecies yeast hybrids. In nature, the odds of a similar hybridization event are, conservatively, one in a billion.

There are hundreds of known species of yeasts and they occupy almost every ecological niche imaginable worldwide. They are essential to the process of fermentation, where the microbes convert sugars to alcohol and carbon dioxide. Yeasts are used widely to not only make beer, wine and bread, but also cider, whiskey, cheese, yogurt, soy sauce and an array of other fermented foods and beverages. In industry, yeasts are used to produce biofuels and to make enzymes, flavors and pigments and even drugs such as human insulin.

An ability to quickly and efficiently churn out new yeast interspecies hybrids means industries that depend on yeasts will have many more organisms to experiment with to make new flavors, enhance production and produce entirely new products, explains Chris Todd Hittinger, a UW-Madison professor of genetics and the senior author of the new study. Hittinger is a world authority on yeast genetics and a co-discoverer of the wild Patagonian yeast that formed the lager beer hybrid.

For example, the marriage of Saccharomyces cerevisiae and its distant cousin Saccharomyces eubayanus, a species that inhabits tree galls in nature, permitted the cold-temperature fermentation that made lager beer possible.

The new yeast hybridization method uses plasmids, circles of DNA that can be built into an organism to confer a genetic quality. In the lab, plasmids are routinely used to manipulate genes in cells. Genes in the plasmids facilitate yeast hybridization by expressing a naturally occurring yeast protein that allows two distinct species of yeasts to mate.

The plasmids used to facilitate the process of hybridization can be removed from the new hybrid yeasts, leaving the genomes of the two fused organisms unchanged.

The new study describes four new hybrids, one of which was made using a strain of Saccharomyces eubayanus discovered near Sheboygan, Wis., after Hittinger and his colleagues first found the lager yeast parent in the alpine regions of Patagonia. The new hybrid is being tested in a new beer recipe in the UW-Madison Department of Food Science.

The new technique may also help industry overcome a creative bottleneck, as many industrial strains of yeasts are sterile, unable to produce spores.

The new study was supported by grants from the National Science Foundation and the Department of Energy through the Great Lakes Bioenergy Research Center.

 

[원문출처 : http://www.greencarcongress.com/2015/12/20151205-wisc.html]