Przełomowe badania dotyczące starożytnego sera kefirowego ujawniają złożoną historię i ewolucję fermentacji mlecznej w Eurazji, podkreślając, w jaki sposób Lactobacillus kefiranofaciens dostosowywane przez wieki interakcji międzyludzkich.
Fermentacja żywności jest najstarszą praktyką produkcyjną z wykorzystaniem mikroorganizmów w historii ludzkości. Na przykład fermentację mleczną można prześledzić w Indiach od 6000 do 4000 lat p.n.e., a populacje śródziemnomorskie produkowały i spożywały ser już 7000 lat temu (BP).
Jednak pomimo długiej historii spożycia przez ludzi produktów fermentowanych, niewiele wiadomo na temat historii stosowania mikroorganizmów fermentacyjnych i historii powiązanego przenoszenia kulturowego. W szczególności niejasne są trajektorie ewolucyjne, zwłaszcza adaptacja funkcjonalna tych sfermentowanych mikroorganizmów w wyniku długotrwałych interakcji z ludźmi.
Niedawno jednak grupa chińskich naukowców poszerzyła naszą wiedzę na temat rozprzestrzenienia się praktyk wczesnej fermentacji mlecznej, kończąc pierwsze na świecie badanie metagenomiczne sera kefirowego z epoki brązu odkrytego na cmentarzu Xiaohe – najstarszego znanego do tej pory nabiału. Dowody molekularne uzyskane ze starożytnych pozostałości sfermentowanych produktów mlecznych stanowią potężne narzędzie do zrozumienia przeszłych interakcji człowiek-drobnoustroje fermentacyjne.
Przełom w badaniach nad fermentacją
W tym badaniu naukowcy wyodrębnili wysokiej jakości genomy Lactobacillus kefiranofaciens (L. kefiranofaciens) z trzech starożytnych próbek sera odkopanych na cmentarzu Xiaohe w Xinjiangu, sprzed około 3500 lat. Ustalenia grupy opublikowano w Internecie w Komórka 25 września w artykule zatytułowanym „Ser z epoki brązu ujawnia ludzkieLactobacillus interakcje w historii ewolucji.” Został on przedstawiony jako Komórka Wyróżniony papier.
„Pracujemy nad tym projektem od ponad 11 lat” – powiedział FU Qiaomei, ostatni autor korespondencyjny i dyrektor Laboratorium Paleontologii Molekularnej w Instytucie Paleontologii i Paleoantropologii Kręgowców (IVPP) Chińskiej Akademii Nauk. Kluczem jest to, że zaprojektowała sondy do wzbogacania Lactobacillus DNAco zwiększa docelowy DNA z <1% do 64-80% i umożliwia rekonstrukcję całego genomu Lactobacillus.
„To bezprecedensowe badanie, które pozwala nam obserwować ewolucję bakterii na przestrzeni ostatnich 3000 lat. Co więcej, badając produkty mleczne, uzyskaliśmy wyraźniejszy obraz starożytnego życia ludzkiego i jego interakcji ze światem” – mówi FU. „To dopiero początek, a dzięki tej technologii mamy nadzieję zbadać inne nieznane wcześniej artefakty”.
Odkryto starożytne techniki mleczarskie
Próbka sera wydobyta z cmentarza Xiaohe w Xinjiangu jest najwcześniejszym znalezionym produktem serowym. Wcześniej zidentyfikowano go za pomocą paleoproteomiki jako ser kefirowy – sfermentowany produkt mleczny wytwarzany z ziaren kefiru, które zawierają fermentujące drobnoustroje.
Rekonstruując społeczność drobnoustrojów fermentacyjnych, badanie potwierdza, że ser został wyprodukowany przy użyciu kwasu mlekowego kwas bakterie i drożdże. Naukowcy odkryli również, że mleko użyte do produkcji sera pochodziło od kladu kóz szeroko rozpowszechnionego w Eurazji w okresie postneolitycznym, różniącego się od współczesnych udomowionych kóz z śródlądowej Azji Wschodniej.
Odkrycie to sugeruje, że starożytne ludy z Tarim Basim prawdopodobnie nauczyły się technik produkcji kefiru od populacji stepów eurazjatyckich.
Genetyczne spostrzeżenia ze starożytnej fermentacji
Rozprzestrzenianie się technologii fermentacji mlecznej w dużej mierze towarzyszyło migracji i interakcjom ludzi, procesowi, który napędzał ewolucję bakterii kwasu mlekowego. Jednak badanie to ujawnia również nową drogę rozprzestrzeniania się L. kefiranofaciens analizując powiązania filogenetyczne starożytności L. kefiranofaciens w Xinjiangu.
Naukowcy odkryli, że L. kefiranofaciens stosowane w fermentacji składały się z dwóch kladów. Do pierwszej zaliczały się głównie szczepy z Europy (np. obszar zajmowany przez współczesne Niemcy) oraz obszary przybrzeżne i wyspy w Azji (np. obszary zajmowane przez współczesny Guangdong, wyspę Tajwan, Japonię i Singapur). Rozmieszczenie to odpowiadało szlakowi rozprzestrzeniania się z Kaukazu do Europy z jednej strony i do obszarów przybrzeżnych Azji i Azji Południowo-Wschodniej z drugiej strony. Drugi klad składał się głównie ze szczepów rozmieszczonych w głębi lądowej Azji Wschodniej (w tym Tybecie).
Zrekonstruowane starożytne szczepy znajdują się u podstawy kladu, co sugeruje dodatkową drogę rozprzestrzeniania się technologii produkcji kefiru z Xinjiangu do śródlądowej Azji Wschodniej poprzez wymianę techniczno-kulturową.
Rozbieżność dwóch kladów L. kefiranofaciens jest prawdopodobnie wynikiem rozprzestrzeniania się ich wspólnego przodka, początkowo udomowionego w różnych populacjach, co odzwierciedla migrację i interakcje, które miały miejsce podczas używania i udomowienia mikroorganizmów fermentacyjnych przez różne starożytne populacje.
„To ekscytujące zobaczyć, ile informacji można uzyskać z tych serów” – powiedział YANG Yimin, profesor na Uniwersytecie Chińskiej Akademii Nauk. „Pozostałości organiczne otwierają okno na przeszłe ludzkie zachowania i kulturę, które zaginęły w historii i dokumentach”.
Wgląd w Lactobacillus Ewolucja
Badanie to wykazało również, że wykorzystanie i udomowienie przez człowieka odegrało ważną rolę w ewolucji L. kefiranofaciens. Analiza porównawcza genomów L. kefiranofaciens z epoki brązu i czasów współczesnych pozwala scharakteryzować ewolucję adaptacyjną Lactobacillus kefiranofaciens w ciągu ostatnich kilku tysięcy lat.
Ekstensywny poziomy transfer genów jest jednym z głównych mechanizmów ewolucji adaptacyjnej bakterii kwasu mlekowego. Porównując profile funkcjonalne starożytnych i współczesnych L. kefiranofaciensw badaniu wskazano trzy główne trajektorie rozwoju sytuacji L. kefiranofaciens ewolucja: 1) adaptacja do stresu środowiskowego wraz z pojawieniem się genów związanych z lekoopornością we współczesnych szczepach; 2) wzmocnienie mechanizmów obronnych genomu bakteryjnego za pomocą nowoczesnych L. kefiranofaciens pokazanie klastrów genów, takich jak układ RM i związany z nim układ toksyna-antytoksyna, które mogą przeciwdziałać wprowadzeniu egzogennego DNA, a tym samym zmniejszać związane z tym koszty sprawności; oraz 3) adaptacje związane ze środowiskiem jelitowym człowieka; na przykład współczesne szczepy zyskały skupiska genów, które potencjalnie oddziałują z jelitami gospodarza, prawdopodobnie ze względu na ich długotrwałe interakcje z ludźmi.
Badanie to wykazało również, że długotrwałe używanie i udomowienie przez ludzi L. kefiranofaciens prawdopodobnie również wpłynęło na jego ewolucję. W porównaniu z epoką brązu L. kefiranofacienswspółczesne szczepy z Tybetu wykazują dwa poziomo przeniesione klastry genów związane z łagodzeniem jelitowej odpowiedzi zapalnej. To nie tylko przyczynia się do przetrwania L. kefiranofaciens w jelitach człowieka, ale także wspomaga funkcjonowanie jelit.
Biorąc pod uwagę, że starożytne populacje mogły z łatwością rozpowszechnić technologię produkcji kefiru poprzez ziarna kefiru, obecność tych klastrów genów jest prawdopodobnie związana z preferencją wśród ówczesnych populacji ziaren kefiru zawierających różne klady L.kefiranofaciens.
Wpływ kulturowy fermentacji
„Interakcja człowiek-drobnoustroje jest zawsze fascynująca” – powiedział LIU Yichen, jeden z pierwszych autorów i profesor nadzwyczajny w Laboratorium Paleontologii Molekularnej IVPP. „Drobnoustroje fermentacyjne odegrały tak ważną rolę w codziennym życiu starożytnych ludzi i rozmnażały je przez tysiące lat, przez większość czasu nie wiedząc o ich istnieniu”.
Wykorzystując informacje ze starożytnego DNA na temat mikroorganizmów fermentacyjnych ściśle związanych z przeszłą działalnością człowieka i kulturą, niniejsze badanie oferuje nowe ramy wykorzystania starożytnego DNA do badania interakcji kulturowych dawnych ludzi.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Najstarszy ser świata odkrywa tajemnice starożytnego kefiru.
Odniesienie: „Ser z epoki brązu ujawnia ludzkieLactobacillus interakcje w historii ewolucji” Yichen Liu, Bo Miao, Wenying Li, Xingjun Hu, Fan Bai, Yidilisi Abuduresule, Yalin Liu, Zequan Zheng, Wenjun Wang, Zehui Chen, Shilun Zhu, Xiaotian Feng, Peng Cao, Wanjing Ping, Ruowei Yang , Qingyan Dai, Feng Liu, Chan Tian, Yimin Yang i Qiaomei Fu, 25 września 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.08.008
Badania były wspierane przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych, Chińską Akademię Nauk, Fundusz Peak Biomedical Fund i Fundusz wydatków operacyjnych na badania podstawowe uniwersytetów centralnych.
