С помощью генной модификации винных дрожжей, можно не только улучшить качества вина, но и сделать его более безопасным. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН из штамма дрожжей, применяемом в отечественном виноделии, удалили ген, отвечающий за синтез мочевины, которая может образовывать опасный канцероген. Исследования показали, что винный материал, полученный с помощью модифицированного штамма, содержал на 25% меньше мочевины, чем в случае использования исходного штамма. Была подтверждена эффективность и безопасность нового штамма. Исследование выполнено в рамках проекта Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий и поддержана национальным проектом «Наука и университеты.
При производстве вина традиционно используются дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые, собственно, и создают вино, сбраживая виноградное сусло. Одной из сопутствующих реакций при брожении является синтез мочевины, а она, в свою очередь, в результате взаимодействия с этанолом (при ферментации или хранении) образует этилкарбамат — вещество-канцероген. Оно может вызывать заболевания легких, лимфоцитарную лейкемию, карциному печени, а также является сильным аллергеном.
Снижение образования этилкарбамата в алкогольных напитках является одной из важных задач как для винодельческой отрасли, так и для пищевой промышленности и области здравоохранения в целом. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН пришли на помощь отечественному виноделию и начали исследование, направленное на создание или улучшение штаммов винных дрожжей так, чтобы они синтезировали мочевину в минимальном количестве, что соответственно снизит и содержание в вине этилкарбомата.
Для научной работы ученые использовали промышленный штамм винных дрожжей, который сейчас используется в российском виноделии для производства столовых вин. Штамм S. cerevisiae I-328 для исследований предоставил из своей коллекции микроорганизмов крупнейший в Крыму НИИ виноградарства и виноделия РАН «Магарач».
Ранее ученые ФИЦ Биотехнологии РАН предложили с помощью технологии геномного редактирования CRISR/Сas9 удалить ген CAR1, кодирующий аргиназу. Именно этот фермент отвечает за превращение аминокислоты аргинина в мочевину. Если удалить ген CAR1, клетки дрожжей не смогут производить фермент, необходимый для синтеза мочевины.
Теперь ученым нужно было оценить влияние делеции CAR1 на экспрессию генов на полногеномном уровне, а также сравнить уровни образования мочевины исходными и модифицированными штаммами винных дрожжей.
«Полученный нами модифицированный штамм в лабораторных условиях показал снижение образования мочевины, так как нами полностью был удален ген аргиназы. На следующем этапе необходимо было провести комплекс исследований, чтобы подтвердить эффективность и безопасность модифицированного штамма. Во-первых, это оценка экспрессии всех генов нового штамма. Во-вторых, это анализ виноматериала, полученного с помощью модифицированного штамма и исходного, чтобы оценить уровни образования мочевины», — рассказывает один из авторов исследования Андрей Марданов, доктор биологических наук, заведующий лабораторией геномики микроорганизмов и метагеномики ФИЦ Биотехнологии РАН.
Для оценки влияния удаления CAR1 на экспрессию генов на полногеномном уровне ученые использовали транскриптомный анализ с помощью высокопроизводительного секвенирования. Эта технология позволяет исследовать молекулярные механизмы транскрипции генов, проводить количественный и дифференциальный анализ экспрессии генов. Анализ определил 738 генов, уровень транскрипции которых достоверно изменился более чем в два раза в результате делеции гена CAR1.
Сравнительный анализ уровня образование мочевины при использовании исходного штамма и модифицированного ученые провели в условиях микровинодельни. После ферментации концентрацию мочевины определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуоресцентным детектором. Измерения проводились в трех независимых образцах. Исследования показали, что виноматериал, полученный с помощью модифицированного штамма, содержал на 25% меньше мочевины, чем в случае использования исходного штамма (39,3 и 52 мг/л соответственно).
«Полученный нами модифицированный штамм винных дрожжей будет эффективен для использования в виноделии, поскольку он позволяет получать продукт, в котором снижено содержание мочевины, а значит будет минимизировано потенциальное образование канцерогенного вещества. Однако в связи с законодательными ограничениями на практическое применение в нашей стране генно-инженерных технологий в российском виноделии ГМ-штаммы дрожжей не используются. Мы работаем сейчас на будущее и надеемся, что результаты наших исследований найдут свое применение», — пояснил Андрей Марданов.