Microbis domesticats per fer vi

24 agost 2022

A banda d’animals i plantes, els humans també hem anat “domesticant” alguns microbis al llarg de la història, en anar desenvolupant els aliments fermentats. Els grups principals d’aquests microorganismes són els bacteris làctics de molts productes lactis i vegetals fermentats, els llevats de les begudes alcohòliques, i les floridures d’alguns formatges i derivats de la soja. En aquest article, després d’una breu introducció, em limito sobretot als microbis del vi, o sigui, als llevats de la fermentació alcohòlica com Saccharomyces cerevisiae i als bacteris de la fermentació malolàctica com Oenococcus oeni.

DOMESTICACIÓ

Quan el flux genètic entre poblacions de la mateixa espècie es redueix, usualment per aïllament, l’evolució pot donar lloc a subpoblacions diferents, que eventualment poden esdevenir espècies diferents. Els humans poden interferir en aquest procés natural limitant el flux genètic deliberadament, seleccionant determinats trets desitjats, o sigui, la selecció artificial. D’aquesta manera, algunes espècies acaben essent dependents d’ambients antropogènics i adquireixen trets evolutius que interessen als humans. Això és la domesticació

Els trets buscats són molt diversos, des del rendiment (ex. ramaderia bovina o ovina o l’agricultura intensiva), passant per la tolerància al estrès (ex. collites resistents a sequera), fins arribar a l’estètica (ex. flors) o a la companyia (ex. gossos). Amb l’excepció dels gossos ja domesticats fa uns 30.000 anys, la majoria d’espècies domesticades ho foren durant la revolució neolítica fa uns 12.000 anys, amb el canvi de nomadisme de caçar i recol·lectar al sedentarisme lligat als conreus i al bestiar. En seleccionar els descendents d’animals i plantes que millor cobrien les necessitats específiques, aquests humans prehistòrics efectivament van començar a controlar els processos de selecció i el flux genètic (Steensels et al. 2019). 

DOMESTICACIÓ DE MICROORGANISMES

Comparat amb la de plantes i animals, la domesticació de microbis ha estat ignorada molt de temps. Recentment, el gran augment de dades genòmiques disponibles ha permès conèixer amb precisió les relacions genètiques entre diferents microorganismes, amb la qual cosa s’ha vist que els microbis industrials sovint representen branques genètiques diferenciades i aïllades als arbres filogenètics. Tanmateix, les circumstàncies ambientals que la domesticació microbiana requereix i les característiques genètiques concretes no s’han estudiat amb detall.

Curiosament, mentre que la domesticació d’animals i plantes són sobretot el resultat de l’esforç humà a posta, la domesticació dels microbis ha succeït sobretot sense intenció. Cal recordar que l’existència dels microorganismes començà a finals del s. 17 amb Antoni van Leeuwenhoek, el seu paper a les fermentacions no fou desvelat fins al s. 19 amb Louis Pasteur i altres, i sobretot els primers cultius purs, en concret de llevats cervesers, no foren obtinguts fins a finals del s. 19 per Emil C. Hansen a la Carlsberg.

Però és clar, les fermentacions són conegudes des del neolític o abans, encara que no se sabés res dels microbis com a tal. Un dels primers passos per controlar una mica el procés de fermentació fou probablement la retro-inoculació (backslopping en anglès), on s’utilitza material —i per tant microbis— d’una fermentació prèvia per començar-ne una de nova. Amb això, aquells antics artesans van promoure sense pretendre-ho l’adaptació dels microbis a l’ambient fermentatiu antropogènic, i per tant fou una selecció “inconscient”.

Al llarg del procés de domesticació dels microbis, hi ha una competència contínua entre diferents variants, ja siguin espècies, soques o mutants, a cada ronda de fermentació. O sigui, també hi ha una supervivència dels més adaptats, com a la selecció natural, encara que aquí és en un ambient controlat pels humans. En canvi, això ha canviat aquests darrers decennis des que s’utilitza la inoculació de cultius purs, seleccionats prèviament en base a les característiques volgudes. Aquesta selecció més “artificial” s’assembla més a la domesticació tradicional d’animals i plantes. La introducció de les noves eines biotecnològiques aquests darrers anys ha permès dissenyar encara millor el microorganisme amb les propietats desitjades per a la fermentació, incloent-ne algunes, com la producció d’aromes exòtics, que no necessàriament donen un avantatge adaptatiu del microbi.

Recomano la revisió de Steensels et al. (2019) per repassar les característiques del procés de domesticació als principals grups de microbis industrials, que són els bacteris làctics, els llevats i les floridures. Com he esmentat al principi, aquí em centraré sobretot en els relacionats amb el procés de vinificació, o sigui llevats i bacteris làctics, i per aquest ordre, de rellevància i temporalitat al vi.

DOMESTICACIÓ DELS LLEVATS

Els llevats són fongs unicel·lulars, i per tant microscòpics. Tenen uns 4 micròmetres de diàmetre, encara que alguns poden arribar fins a 40 µm, i ocasionalment alguns fan prolongacions o cadenes de cèl·lules conegudes com pseudohifes. Es reprodueixen sobretot asexualment per mitosi amb gemmació, una divisió asimètrica on el llevat fill més petit és la gemma. En condicions d’estrès poden esporular i després de la meiosi es produeixen espores haploides, que poden conjugar. La majoria són ascomicets però també n’hi ha de basidiomicets, i encara que hi ha unes 1500 espècies de llevats, el “llevat” per antonomàsia és Saccharomyces cerevisiae.

Encara que no exclusius del vi, els llevats S. cerevisiae són el model perfecte de domesticació microbiana perquè, malgrat ser eucariotes, tenen un genoma petit (12 Mb i 6500 gens, enfront la mitjana als ascomicets que és de 36 Mb i 11000 gens) i ben estudiat, temps de generació curts i es disposa de moltes eines per fer-hi recerca genètica i fenotípica.

S. cerevisiae només és abundant a les fermentacions de fruita recollida artificialment, com als raïms veremats un cop són al celler. En canvi, de forma natural s’ha trobat a molts hàbitats però en nombres escassos, i en particular a les fruites, al raïm mateix, i a l’escorça dels roure, que semblen ser els seus nínxols ecològics, però en qualsevol cas en nombres escassos (Steensels et al. 2019).

Per això s’ha proposat que S. cerevisiae no és que estigui adaptat a cap nínxol específic sinó que es pot dir que és una espècie nòmada, capaç de sobreviure com a generalista poc abundant en un ample ventall d’ambients. Pot sobreviure en molt diverses condicions i encara que el seu genoma és petit, és força complex i de fet per créixer als medis de laboratori només li calen el 20% dels seus 6500 gens (Goddard & Greig 2015).

Però malgrat no tenir clar quin és el seu hàbitat natural, està clar que el seu segon hàbitat són molts ambients artificials de fermentacions com les de pa, cervesa i viS. cerevisiae és conegut per les seves excel·lents característiques fermentatives, fins i tot en presència d’oxigen. Aquest caràcter sorgí com un procés evolutiu, adquirint la capacitat de créixer en medis amb molts sucres però amb pocs dels altres nutrients, i de convertir aquests diversos sucres a etanol, un compost antimicrobià per al qual aquest llevat és molt tolerant. El vi es considera la primera beguda fermentada alcohòlica, de fa uns 9000 anys (Fay et al. 2019). Amb tot, S. cerevisiae no és la única espècie per produir begudes alcohòliques, vins inclosos, ja que també ho són altres Saccharomyces relacionats: S. uvarumS. eubayanusS. kudriavzevii i altres derivats híbrids (González et al. 2006)

Com que l’etanol és un bon preservatiu natural enfront de microbis no desitjats, i addicionalment té la capacitat de ser una substància addictiva, la fermentació d’aliments per llevats va esdevenir una pràctica ben estesa, i va sorgir independentment en diverses civilitzacions arreu del món.

Per estudiar el probable origen de S. cerevisiae i la relació entre les seves diverses soques, en un estudi recent de seqüenciació i anàlisi dels SNPs (polimorfismes d’un sol nucleòtid) de més de 600 soques d’aquesta espècie (Duan et al. 2018) s’ha vist que les soques silvestres, de diversos continents però sobretot de la Xina, se separen quasi totes de les domesticades, excepte les aïllades en roures i altres Quercus, que són més properes als de les soques pròpies de vins i de cerveses (Figura 1). Com veiem, les soques domesticades es distribueixen en 2 branques evolutives. Una branca agrupa soques de fermentacions en estat sòlid, sobretot d’Àsia i en particular de la Xina. I l’altra inclou les pròpies de fermentacions líquides com els vins i les cerveses i altres, a més de les esmentades dels Quercus. Tot plegat, els autors (Duan et al. 2018) postulen un hipotètic origen de l’espècie, i sobretot de la seva domesticació, a la Xina o l’est asiàtic en general. 

Figura 1. Esquema de l’arbre filogenètic de soques de S. cerevisiae (adaptat de Steensels et al. 2019 i Duan et al. 2018).

Aquesta proximitat evolutiva de les soques de S. cerevisiae del vi amb les dels Quercus podria ser perquè aquests arbres fossin l’origen silvestre de les víniques o també perquè hi hagués hagut un retorn a la natura d’alguna soca vínica (Steensels et al. 2019).

Les soques de llevats domesticades dels diversos processos en estat líquid, o industrials “europees”, a més de ser diferents de les silvestres, s’agrupen filogenèticament força amb l’aplicació industrial, ja sigui cervesa o vi (Figura 2). Les soques domesticades de S. cerevisiae tenen reforçats uns trets que les fan idònies per a l’ambient fermentatiu, com l’adaptació a concentració alta de sucres, ambients amb poc O2 i tolerància a l’etanol, però també alguns trets específics del producte. Per exemple, els llevats cervesers poden metabolitzar maltotriosa, sucre específic del malt, mentre que els llevats vínics tenen una bona resistència als agents antimicrobians emprats, el sulfat de coure a la vinya i el sulfurós al celler. Com veiem (Figura 2), els S. cerevisiae del vi tenen una domesticació més limitada que els cervesers. Per exemple, els cervesers han perdut la capacitat de supervivència fora de l’entorn fermentatiu, mentre que els vínics poden esporular i sobreviuen a l’entorn extern. Això segurament és degut a que la fermentació del vi només passa un cop cada any, després de la verema, i la resta de l’any els llevats han de sobreviure al celler o a l’entorn en un ambient més natural (Steensels et al. 2019).

Figura 2. Filogènia i domesticació dels llevats industrials (Gallone et al 2016).

Cal afegir a aquestes diferències entre els llevats vínics i els cervesers, la molt més gran diversitat gènica dels llevats cervesers. De fet, molts d’aquests són S. cerevisiae, que inclouen els anomenats d’alta fermentació com els de les cerveses ale i stout i moltes més de tot el món, però justament les cerveses de baixa fermentació lager, que són el 94% del mercat mundial, són dutes a terme per S. pastorianus (sinònim S. carlsbergensis), per tant una altra espècie. Aquest S. pastorianus és un híbrid al·lotetraploïde de S. cerevisiae amb el llevat criotolerant S. eubayanus, i s’originà domèsticament cap al segle 15 a Baviera sotmetent les cerveses a baixes temperatures de coves dels Alps. Per això aquest llevat actua a 7-13ºC, i al fons del fermentador (Libkind et al. 2011). 

Totes les altres cerveses d’alta fermentació són elaborades amb molt diverses S. cerevisiae, constituint un grup polifilètic, amb moltes branques evolutives, algunes de les quals són filogenèticament properes a les del sake, del vi i del pa. La diversitat de nucleòtids dels S. cerevisiae cervesers és més del doble que la dels vínics. Aquesta major diversitat segurament és deguda a la suara comentada utilització estacional dels llevats vínics a diferència dels cervesers tot l’any, i també als més intensos i diferents règims de selecció associats a la seva elaboració (Gonçalves et al. 2016).

Amb tot això, tenim l’aparent paradoxa que les cerveses, com que la majoria de les consumides són lager, i moltes d’elles produïdes a gran escala industrial, semblen ser més estandarditzades comercialment i per tant més uniformes, i en canvi els vins semblen ser més diversos, en contra del que acabem de veure de la molt major diversitat de soques de llevats cerveseres que víniques. 

CANVIS GENÈTICS CAP A LA DOMESTICACIÓ DE SACCHAROMYCES CEREVISIAE DEL VI

En centrar-nos en el vi, cal recordar que en començar la fermentació espontània del most de raïm les soques de S. cerevisiae no són predominants i hi ha un ampli espectre d’altres llevats, coneguts com no-Saccharomyces: Hanseniaspora, Pichia, Lachancea, Metschnikowia o Torulaspora i altres gèneres (Fleet et al. 1984). Per efecte de la producció d’etanol, S. cerevisiae acaba predominant i desplaçant en nombre a las no-Saccharomyces. Encara que cada cop més s’estan veient els beneficis d’aquests altres llevats a nivell d’aromes i s’estan utilitzant com a estàrters addicionals a S. cerevisiae (Jolly et al. 2014), no es pot parlar de la domesticació d’aquests no-Saccharomyces perquè no tenen fins ara un paper primordial en la vinificació, no es pot elaborar cap vi només amb aquests altres llevats. Per tant aquí em limitaré a S. cerevisiae

Molts dels mecanismes de canvis genètics que han portat a la domesticació de S. cerevisiae a la vinificació són presents també en altres espècies domesticades, tant microbianes com animals i plantes. El mecanisme més fàcil d’establir com a canvi genètic són els SNPs, degudes a mutacions puntuals d’un sol nucleòtid, però s’ha vist que aquests SNPs representen tan sols una petita fracció dels relacionats amb la domesticació de S. cerevisiae, i en canvi la majoria són rearranjaments estructurals del genoma, com els següents.

Les variacions en el nombre de còpies (CNV en anglès) són mutacions molt freqüents a molt diversos organismes, on fragments de DNA de > 1kb són repetits, tenen diverses còpies, amb nombre variable. El cas més conegut en els llevats vínics és el gen CUP1, que codifica per a una metal·lotioneïna, proteïna captadora de coure. Algunes soques poden tenir fins a 18 còpies d’aquest gen, amb la qual aquests S. cerevisiae vínics produeixen més quantitat de la proteïna i per tant són més tolerants al coure de la “barreja de Bordeus” usada com a fungicida a les vinyes (Steensels et al 2019).

Els rearranjaments cromosòmics, amb delecions, insercions o translocacions de grans fragments de cromosomes, sovint causades per transposons, són relativament freqüents en l’evolució dels llevats vínics i de Saccharomyces en general. De fet, aquests rearranjaments que poden afectar un nombre important de gens són una causa important de especiació. Un exemple n’és la tolerància al sulfit —l’antibacterià més usat en vinificació— degut a l’al·lel SSU1-R que és el producte sobreexpressat d’una translocació entre els cromosomes 8 i 16, només present als llevats vínics (Pérez-Ortín et al. 2002).

La hibridació interespecífica és un altre mecanisme de canvis que ja hem vist com a origen dels llevats domesticats a les cerveses lager. Les espècies de Saccharomyces poden hibridar molt fàcilment entre elles ja que aquests híbrids poden propagar-se per mitosi tan eficientment com els seus progenitors, encara que rarament poden fer la meiosi i per tant, quasi mai produeixen espores viables (Sipiczki 2008). Malgrat això, alguns dels llinatges híbrids poden acabar ser reconeguts com a espècies. Els casos més coneguts són l’esmentat S. pastorianus (sinònim S. carlsbergenesis) (S. cerevisiae x S. eubayanus) de les lager, i els S. bayanus (S. cerevisiae x S. eubayanus x S. uvarum) del vi (Figura 3). Tanmateix, S. bayanus és controvertit per les seves similituds amb S. cerevisiae i genera confusió de noms d’espècies amb alguna de les soques comercials més utilitzades (Sipiczki 2008).

Figura 3. Cladograma del gènere Saccharomyces amb les seves 8 espècies i 2 de les espècies híbrides, S. pastorianus i S. bayanusS. paradoxus inclou conjunts de soques originades a diferents continents. Modificat de Ono et al. (2020).

Els híbrids també han estat clau en l’aparició de força llevats vínics, sobretot en relació a la possibilitat de fermentar a baixes temperatures. Per exemple, algunes de les soques comercials d’estàrters que fermenten vi a 15ºC són híbrids “naturals” de S. cerevisiae amb S. kudriavzevii amb poliploïdia parcial, aïllats el 1979, que tenen la bona producció d’etanol de S. cerevisiae i la tolerància al fred de S. kudriavzevii (Erny et al. 2012).

De fet, recentment la hibridació interespecífica de diversos Saccharomyces vínics —per exemple S. cerevisiae x S. uvarum— s’està realitzant als laboratoris per tal d’aconseguir soques amb millors característiques relacionades amb caràcters poligènics. La hibridació com a mètode té l’avantatge de no ser considerada una tècnica GMO (organisme modificat genèticament, en anglès) i per tant les soques poden ser transferides ràpidament a la indústria (García-Ríos et al. 2019).

La transferència genètica horitzontal (TGH) és un altre mecanisme molt important evolutivament en molts organismes i en els llevats vínics també se’n coneixen alguns casos que han contribuït a la seva domesticació. Un cas és el gen Fsy1 codificant del transportador de fructosa, que permet a S. cerevisiae la utilització de la fructosa al final de fermentació, després d’haver consumit la glucosa. És molt probable que aquest gen li fou transferit del similar de S. pastorianus, per al que presenta molta homologia (Galeote et al. 2010). Un altre cas demostrat de TGH és el del gen Fot originari d’un altre llevat, Torulaspora microellipsoides, que li permet a S. cerevisiae una millor incorporació d’oligopèptids, que li donen avantatge competitiu quan les fonts de nitrogen són escasses (Marsit et al. 2015).

LLEVATS del VI DOMESTICATS o TORNEM ALS SILVESTRES ?

Malgrat els avantatges en la fermentació del vi que ha suposat l’ús d’aquests llevats evolucionats, això ha comportat una certa uniformització en les característiques del vi, sobretot a nivell d’aromes, perquè la majoria dels llevats utilitzats pertanyen a un sol llinatge genètic de S. cerevisiae domesticat. Com a contramoviment a això i també pel desig general de productes més “naturals” o ecològics, darrerament hi ha una tendència a utilitzar microorganismes silvestres i/o autòctons enlloc de les soques “domesticades”, o deixar més les fermentacions espontànies. Això passa amb el vi però també amb la cervesa i altres begudes i aliments fermentats (Steensels et al. 2014). En el vi, la tendència principal és sobretot l’ús de llevats no-Saccharomyces, presents de forma natural a l’inici de la fermentació, com he comentat abans, que donen perfils aromàtics diferents i molt interessants (Padilla et al. 2016). I encara més, els avenços en la comprensió de la domesticació combinats amb les noves tècniques disponibles per a l’evolució dirigida de microorganismes possibilitaran la creació de nous llinatges domesticats (Steensels et al. 2019).

———————–

DOMESTICACIÓ DELS BACTERIS LÀCTICS

El vi, juntament amb la cervesa i el pa, són els productes principals lligats a la domesticació comentada del llevat, S. cerevisiae bàsicament, amb algun altre molt relacionat com hem vist. Per tant, tenim unes poques espècies d’un sol gènere amb una gamma limitada de productes. En canvi, els bacteris làctics (BL) comprenen moltes espècies i ben diverses, que intervenen a molt diversos productes, tant derivats de la llet com de vegetals i d’altres aliments (Taula 1), molts més que els 3 bàsics dels llevats. Paradoxalment i tanmateix, al vi pràcticament només tenim una sola espècie de bacteri làctic domesticat, Oenococcus oeni, com tot seguit comentaré.

Els BL són bacteris gram-positius, de baix G+C al seu DNA, no esporulats, de metabolisme fermentatiu sense respiració, que produeixen àcid làctic com a producte principal de la fermentació de carbohidrats. Del punt de vista taxonòmic són l’ordre Lactobacillales, de la classe Bacilli, dins el fílum Firmicutes. Els seus hàbitats naturals són moltes plantes, especialment els fruits rics en sucres, i els animals, especialment els mamífers i entorn les seves llets, però també a l’interior dels seus cossos, com a la microbiota de boca i digestiu.

Els BL són el grup de microorganismes més important en la producció d’aliments i begudes fermentats, als que contribueixen en aroma, textura, seguretat i qualitat. La seva domesticació fou clau en la conservació d’aliments, i va resultar en molts cultius iniciadors per a la producció d’aliments industrials fermentats.

A nivell industrial, els productes làctics més coneguts són els lactis o derivats de la llet (Taula 1), on els BL predominants són Lactococcus i diversos gèneres actuals derivats de Lactobacillus (Zheng et al. 2020). En aquests dos grups, la domesticació va anar associada a pèrdua de gens de rutes biosintètiques —d’aminoàcids per exemple— i d’estrès oxidatiu, així com adquisició per TGH de gens per a un creixement òptim en l’ambient lacti, com els d’utilització de caseïna i de lactosa (Bonham et al. 2017).

Taula 1. Aliments (i begudes) fermentats amb intervenció de bacteris làctics (BL). Els BL o bacteris de l’àcid làctic (BAL, en anglès LAB) són de l’ordre Lactobacillales del fílum Firmicutes. Taula modificada i adaptada de Leroy & de Vuyst (2004). S’ha exclòs Bifidobacterium, que hi era a l’original, perquè no es dels Lactobacillales sinó del fílum Actinobacteria. S’han actualitzat els nous noms del gènere Lactobacillus (Zheng et al 2020).

Tipus de producteProducte fermentatBL predominants a, b
Productes lactisFormatges Lc. lactis, Le. mesenteroides, Lb. delbrueckii, Lb. helveticus, Lcb. casei, St. thermophilus
 Mantega i similarsLc. lactis, Le. mesenteroides
 IogurtLb. delbrueckii, St. thermophilus
 Altres llets fermentades cLcb. casei, Lb. acidophilus, Lcb. rhamnosus, Lb. johnsonii
 QuefirLnb. kefiri, Lb. kefiranofaciens, Lvb. brevis
Carns fermentadesEmbotits europeusLtb. sakei, Ltb. curvatus
 Embotits USAP. acidilactici, P. pentosaceus
Peix fermentatPlaa-som, bagoóng, garum i altresClb. alimentarius, C. piscicola
Vegetals fermentatsXucrutLe. mesenteroides, Lpb. plantarum, P. acidilactici
 OlivesLpb. pentosus, Lpb. plantarum, Le. mesenteroides
 Envinagrats: cogombrets, albergínies i altresLe. mesenteroides, P. cerevisiae, Lvb. brevis, Lpb. plantarum
 KimchiLe. mesenteroides, Le. kimchii, Ltb. sakei, Lpb. plantarum, W. kimchii, P. pentosaceus
 Salsa de sojaT. halophilus
Cereals fermentatsMassa mareFlb. sanfranciscensis, Lvb. brevis, Lpb. plantarum
Begudes alcohòliquesFermentació malolàctica del viO. oeni
 Vi d’arròsLtb. sakei
 Cerveses làmbic o similarsPediococcus spp.
Gèneres: C.=Carnobacterium, Lc.=Lactococcus, Lb.=Lactobacillus, Lcb.=Lacticaseibacillus, Lnb.=Lentilactobacillus, Lvb.=Levilactobacillus, Ltb.=Latilactobacillus, Clb.=Companilactobacillus, Lpb.=Lactiplantibacillus, Flb.=Fructilactobacillus, Le.=Leuconostoc, O.=Oenococcus, P.=Pediococcus, St.=Streptococcus, T.=Tetragenococcus, W.=Weissella.
b A banda de possibles altres microorganismes no BL
c Incloent les de probiòtics afegits

——————–

BACTERIS LÀCTICS DEL VI, OENOCOCCUS OENI I LA SEVA DOMESTICACIÓ

De la mateixa manera que amb els llevats, com que les fermentacions víniques no són estèrils, al most poden haver-hi molt diversos bacteris, incloent els BL. D’aquests, els més habituals durant la fermentació alcohòlica, si bé en nombres baixos —inferiors a 104 UFC/mL—, són Oenococcus oeniLactiplantibacillus plantarumLentilactobacillus hilgardiiLevilactobacillus brevisFructilactobacillus lindneriPediococcus parvulus i algun altre (Capozzi et al. 2021).

Però al final de la FA, quan el contingut d’etanol produït pels llevats ja és superior a 10% (v/v), aleshores la gran majoria de bacteris inclosos quasi tots els BL són inhibits, i pràcticament només hi romanen —i hi poden créixer lleugerament— les soques de O. oeni (Franquès et al. 2017), que duen a terme la fermentació malolàctica (FML) o conversió de L-màlic a L-làctic. Aquesta FML té els beneficis de reducció de l’acidesa, millora organolèptica i estabilitat microbiològica del vi (Bartowsky 2008). A banda de O. oeni, ocasionalment en alguns vins la FML pot ser duta a terme per altres BL, sobretot per Lpb. plantarum (Krieger-Weber et al. 2020).

Per tant, Oenococcus oeni és el bacteri del vi per excel·lència, degut a la seva tolerància a l’etanol i la capacitat de sobreviure en un medi àcid i amb polifenols i amb ben pocs nutrients com és el vi. La seva excepcionalitat està clar que va lligada a la seva domesticació —involuntària per als humans— i adaptació a aquest entorn artificial del vi durant aquests darrers milers d’anys.

CANVIS GENÈTICS CAP A LA DOMESTICACIÓ DE OENOCOCCUS OENI AL VI

Els bacteris gram-positius amb fermentació heterolàctica de sucres i forma de coc que realitzen la FML del vi foren classificats com Leuconostoc oenos per Garvie (1967) per la semblança amb altres Leuconostoc. Tanmateix, els del vi es distingeixen dels altres Le. pel creixement en medi àcid, la tolerància a l’etanol, i la pobre fermentació de carbohidrats, a més de les estructures diferenciades d’enzims clau com la D-lactat deshidrogenasa o la glucosa-6-fosfat deshidrogenasa. L’estudi filogenètic del gen 16S rRNA per Yang & Woese (1989) va revelar una línia ben diferenciada d’aquests bacteris del vi respecte a altres Leuconostoc i d’altres BL (Figura 4). Aquests autors ja observaren que la seqüència del 16S rRNA de “Le. oenos“, a més de ser molt distant de tots els altres Leuconostoc, tenia inusualment alterada la composició en posicions altament conservades. Per tot això Dicks et al. (1995) van proposar el nou nom de gènere i espècie Oenococcus oeni

Figura 4. Arbre filogenètic de O. oeni amb altres BL en base a les seqüències del gen 16S rRNA. Weissella, Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Aerococcus, Carnobacterium, Enterococcus, Streptococcus, Lactococcus, Vagococcus. Adaptat de Dicks et al. (1995).

Aquesta branca filogenètica ben llarga i diferenciada de O. oeni és indicativa de la ràpida evolució que aquest bacteri ha experimentat en la domesticació i adaptació al vi. Les característiques genòmiques principals d’aquesta espècie respecte a altres BL són d’una reducció gènica a tots els nivells (Makarova et al. 2006), la qual cosa es correspon amb la molt menor capacitat biosintètica (aminoàcids, vitamines, etc.):

  • El genoma de O. oeni és de 1.78 Mbp, el més petit dels BL, que van de 1.8 de diversos Streptococcus a 3.3 de Lpb. plantarum.
  • El nombre d’operons rRNA de O. oeni és 2, el menor de tots els BL, ja que alguns com Lb. delbrueckiii en tenen 9.
  • El nombre de tRNAs de O. oeni és 43, el menor de tots els BL, enfront de 55-98 dels altres, relacionat amb el menor creixement i la menor competitivitat ecològica.

A banda de la reducció gènica, a Oenococcus s’observen taxes més elevades de mutacions que a d’altres BL, és un gènere hipermutable (Taula 2). La causa és que hi són absents els gens mutS i mutL, que són gens de reparació d’errors d’aparellament (MMR, mismatch repair), mentre que aquests gens són presents a tots els altres BL. El tipus de mutacions més freqüent són les transicions (GC –> AT i AT –> GC). Això explica l’alt nivell de polimorfisme al·lèlic, que probablement va conduir a la seva adaptació als ambients àcids i amb etanol (Marcobal et al. 2008). L’alta mutabilitat devia generar algunes mutacions beneficioses per a ambients molt restrictius com és el vi, a diferència d’altres BL, com per ex. Leuconostoc o Pediococcus, que es troben en molt diversos hàbitats. A més, el gènere Oenococcus és un exemple de com la manca dels gens MMR pot portar a la especiació.

Taula 2. Hipermutabilitat de O. oeni respecte a altres BL (adaptat de Marcobal et al. 2008)

EspècieTaxes de mutació espontània amb rifampicinaTaxes de mutació espontània amb eritromicina% Transicions (GC-AT i AT-GC) / total mutacions
Oenococcus oeni1.6 x 10-61.6 x 10-683
Leuconostoc mesenteroides1.5 x 10-84.2 x 10-928
Pediococcus pentosaceus5.5 x 10-84.7 x 10-933

Aquesta hipermutabilitat ha originat la gran diversitat de soques de O. oeni que trobem en totes les regions vinícoles mundials, i quan s’estudien els seus genomes per diversos mètodes moleculars com els SNP (polimorfismes d’únic nucleòtid), s’observen (Figura 5) agrupacions de soques relacionades amb el tipus de producte, com les de xampany o de la sidra —on també és present aquest bacteri—, resultat de la domesticació-adaptació als diversos ambients on realitza la FML. També es troba O. oeni com a BL predominant a la kombutxa, la beguda de té fermentat per una comunitat de llevats, acètics i soques específiques de O. oeni i altres BL (Lorentzen & Lucas 2019).

Figura 5. Reconstrucció filogenòmica de soques de O. oeni en base als SNP (polimorfismes d’únic nucleòtid). Les soques procedents del mateix producte (sidra, xampanya) queden agrupades. Adaptat de Campbell-Sils et al. (2015).

OENOCOCCUS OENI, EL BACTERI DOMESTICAT QUASI NOMÉS PRESENT AL VI

Aquesta és potser l’evidència més clara de què O. oeni és un bacteri producte de la domesticació. De manera semblant al cas dels llevats i en aquest cas es pot dir que encara amb més certesa, és molt difícil trobar O. oeni fora del vi en ambients naturals. Les poblacions de BL al most de raïm són com a molt 104/mL, i O. oeni només és una petita part d’aquests. Hi ha molts pocs estudis on se’ls hagi pogut aïllar dels raïms o del most. En destaca el treball recent de Franquès et al. (2017) on s’aconseguiren aïllar-ne diverses soques al Priorat. Algunes d’aquestes foren també aïllades als mateixos vins, i es confirmà la presència del DNA d’O. oeni als mateixos raïms. 

Malgrat la minsa presència d’aquest bacteri als raïms i al most, un cop la fermentació alcohòlica està acabant i el vi conté una quantitat significativa d’etanol produït pels llevats, els pocs inicials O. oeni poden haver assolit unes poblacions suficients per realitzar la FML. A banda del most, també és molt probable que els bacteris ja hi siguin al celler, a les superfícies o interior dels equipaments, ja que s’han detectat soques comercials de O. oeni a cellers on se n’havia utilitzat anys abans (Lorentzen & Lucas 2019).

CONCLOENT, LA DOMESTICACIÓ INCONSCIENT DELS MICROBIS DEL VI HA GENERAT DOS MOLT EXCEPCIONALS

El llevat Saccharomyces cerevisiae és l’espècie principal implicada a la fermentació alcohòlica del vi, i el bacteri làctic Oenococcus oeni ho és per a la fermentació malolàctica. En canvi, abans de les fermentacions respectives quasi no hi són. Si no s’inoculen estàrters, els nombres de S. cerevisiae són molt baixos al most, i O. oeni pràcticament no apareix al vi fins al final de la fermentació alcohòlica. Per tant, es pot dir que si els humans no haguessin començat a fer vi —i cervesa en el cas dels llevats— fa alguns milers d’anys, aquestes dues espècies segurament no existirien. Són clarament microbis domesticats en el sentit que han aparegut evolutivament en un temps relativament breu com a derivats de microbis previs que no tenien les característiques específiques d’aquests dos.

Com hem vist, l’excepcionalitat de Saccharomyces (“el fong del sucre”), i en particular S. cerevisiae, és sobretot la capacitat de fermentar medis amb molts sucres, convertint-los a etanol en quantitats importants, per al qual aquest llevat és molt tolerant. Aquesta producció d’etanol és bioquímicament excepcional i única entre els fongs i els altres organismes. Vegeu al respecte el treball de Dashko et al. (2014) sobre l’evolució de la fermentació alcohòlica als llevats.

L’excepcionalitat d’O. oeni (“el coc del vi del vi”) també és ben evident. És una espècie “nascuda i modelada” al vi (Bech-Terkilsen et al. 2020), capaç de sobreviure en un medi ben hostil, amb etanol, pH baix i molt pocs nutrients. Hi subsisteix gràcies al L-màlic i algunes restes de les cèl·lules de llevats, com és el cas de les manoproteïnes (Balmaseda et al. 2021), i és resistent a l’estrès d’aquestes condicions extremes gràcies a algunes proteïnes protectores del xoc de l’etanol, als sistemes antioxidants com el glutatió (Margalef-Català et al. 2016), i també en part degut a l’acumulació de manganès —també antioxidant, i molt poc estudiat—, el qual a més és cofactor de l’enzim malolàctic (Makarova et al. 2006). Per tot això, O. oeni pot ser una espècie model d’estrès per als altres BL (Liu 2002).

BIBLIOGRAFIA

Balmaseda A, Aniballi L, Rozès N, Bordons A, Reguant C (2021) Use of yeast mannoproteins by Oenococcus oeni during malolactic fermentation under different oenological conditions. Foods 10, 1540

Bartowsky EJ (2008) Oenococcus oeni and malolactic fermentation —moving into the molecular arena. Aust J Grape Wine Res 11: 174-187

Bech-Terkilsen S, Westman J, Swiegers J, Siegumfeldt H (2020) Oenococcus oeni, a species born and moulded in wine: a critical review of the stress impacts of wine and the physiological responses. Aust J Grape Wine Res 26, 188-206

Bonham KS, Wolfe BE, Dutton, R.J. (2017) Extensive horizontal gene transfer in cheese-associated bacteria. Elife 6, e22144

Campbell-Sills H, El Khoury M, Favier M, Romano A, Biasioli F et al. (2015) Phylogenomic Analysis of Oenococcus oeni Reveals Specific Domestication of Strains to Cider and Wines. Genome Biol Evol 7, 1506–1518

Capozzi V, Tufariello M, De Simone N, Fragasso M, Grieco F (2021) Biodiversity of Oenological Lactic Acid Bacteria: Species- and Strain-Dependent Plus/Minus Effects on Wine Quality and Safety. Fermentation 7, 24

Dashko S, Zhou N, Compagno C, Piškur J (2014) Why, when, and how did yeast evolve alcoholic fermentation?. FEMS Yeast Res, 14, 826–832

Dicks LMT, Dellaglio F, Collins MD (1995) Proposal to reclassify Leuconostoc oenos as Oenococcus oeni [corrig.] gen. nov., comb. nov. Int. J. Syst. Bacteriol. 45, 395–397

Duan SF, Han PJ, Wang QM, Liu WQ, Shi JY et al (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat. Commun. 9, 2690

Erny C, Raoult P, Alais A, Butterlin G, Delobel P et al. (2012) Ecological Success of a Group of Saccharomyces cerevisiae/Saccharomyces kudriavzevii Hybrids in the Northern European Wine-Making Environment. Appl Environ Microbiol 78, 9

Fay JC, Liu P, Ong GT, Dunham MJ, Cromie GA et al. (2019) A polyploid admixed origin of beer yeasts derived from European and Asian wine populations. PLoS Biol 17(3): e3000147

Fleet GH, Lafon-Lafourcade S, Ribereau-Gayon P (1984). Evolution of yeasts and lactic acid bacteria during fermentation and storage of Bordeaux wines. Appl Environ Microbiol 48, 1034–1038

Franquès J, Araque I, Palahí E, Portillo MC, Reguant C, Bordons A (2017) Presence of Oenococcus oeni and other lactic acid bacteria in grapes and wines from Priorat (Catalonia, Spain). LWT Food Sci Technol 81, 326-334

Galeote V, Novo M, Salema-Oom M, Brion C, Valerio E et al. (2010) FSY1, a horizontally transferred gene in the Saccharomyces cerevisiae EC1118 wine yeast strain, encodes a high-affinity fructose/H+ symporter. Microbiology 156, 3754–3761

Gallone B, Steensels J, Prahl T, Soriaga L, Saels V et al (2016) Domestication and divergence of Saccharomyces cerevisiae beer yeasts. Cell 166, 1397–1410.e1316

García-Ríos E, Guillén A, de la Cerda R, Pérez-Través L, Querol A, Guillamón JM (2019) Improving the Cryotolerance of Wine Yeast by Interspecific Hybridization in the Genus Saccharomyces. Front Microbiol 9, 3232

Garvie EI (1967) Leuconostoc oenos sp. nov. J Gen Microbiol 48, 431–438

Goddard MR, Greig D (2015) Saccharomyces cerevisiae: a nomadic yeast with no niche ? FEMS Yeast Res. 15, 1–6

Gonçalves M, Pontes A, Almeida P, Barbosa R, Serra M et al (2016) Distinct Domestication Trajectories in Top-Fermenting Beer Yeasts and Wine Yeasts, Current Biology 26, 2750-2761

González SS, Barrio E, Gafner J, Querol A (2006) Natural hybrids from Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus and S. kudriavzevii in wine fermentations. FEMS Yeast Res 6, 1221–1234

Krieger-Weber S, Heras JM, Suarez C (2020) Lactobacillus plantarum, a New Biological Tool to Control Malolactic Fermentation: A Review and an Outlook. Beverages 6, 23

Leroy F, De Vuyst L. (2004). Lactic acid bacteria as functional starter cultures for the food fermentation industry. Trends Food Sci Technol 15, 67–78

Libkind D, Hittinger CT, Valério E, Gonçalves C, Dover J et al (2011). Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast. Proc Nat Acad Sci, 108(35), 14539-14544

Liu SQ (2002) A review: Malolactic fermentation in wine — Beyond deacidification. J Appl Microbiol 92, 589–601

Lorentzen MPG, Lucas PM (2019) Distribution of Oenococcus oeni Populations in Natural Habitats. Appl Microbiol Biotechnol 103, 2937–2945

Jolly NP, Varela C, Pretorius IS (2014) Not your ordinary yeast: non-Saccharomyce yeasts in wine production uncovered. FEMS Yeast Res, 14, 215–237

Makarova K, Slesarev A, Wolf Y, Sorokin A, Mirkin B et al. (2006) Comparative genomics of the lactic acid bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A. 103:15611–15616

Marcobal AM, Sela DA, Wolf YI, Makarova KS, Mills DA (2008) Role of hypermutability in the evolution of the genus Oenococcus. J Bacteriol 190, 564-570

Margalef-Català M, Araque I, Weidmann S, Guzzo J et al. (2016) Protective roles of glutathione addition against wine-related stress in Oenococcus oeni. Food Res Internat 90, 8-15

Marsit S, Mena A, Bigey F, Sauvage F, Couloux A. et al. (2015) Evolutionary advantage conferred by an eukaryote-to-eukaryote gene transfer event in wine yeasts. Mol Biol Evol 32, 1695–1707

Ono J, Greig D, Boynton PJ (2020) Defining and Disrupting Species Boundaries in Saccharomyces. Ann Rev Microbiol 74,477-495

Padilla B, Gil JV, Manzanares P (2016) Past and future of non-Saccharomyces yeasts: from spoilage microorganisms to biotechnological tools for improving wine aroma complexity. Front Microbiol 7, 411

Pérez-Ortı́n JE, Querol A, Puig S, Barrio E (2002) Molecular Characterization of a Chromosomal Rearrangement Involved in the Adaptive Evolution of Yeast Strains. Genome Res 12, 1533-1539

Steensels J, Gallone B, Voordeckers K, Verstrepen KJ (2019) Domestication of industrial microbes. Curr Biol 29 R381 (Review) 

Sipiczki M (2008) Interspecies hybridization and recombination in Saccharomyces wine yeasts. FEMS Yeast Res 8, 996-1007

Steensels J, Snoek T, Meersman E, Picca Nicolino M et al (2014) Improving industrial yeast strains: exploiting natural and artificial diversityFEMS Microbiol Rev 38, 947–995

Yang D, Woese CR (1989) Phylogenetic structure of the ‘‘Leuconostocs’’: an interesting case of a rapidly evolving organism. Syst Appl Microbiol 12, 145–149

Zheng J, Wittouck S, Salvetti E et al (2020) A taxonomic note of the genus Lactobacillus: Description of 23 novel genera, emended description of the genus Lactobacillus Beijerinck 1901, and union of Lactobacillaceae and Leuconostococaceae. Int J Syst Evol Microbiol 004107

About Albert Bordons

Professor at "Universitat Rovira i Virgili" in Tarragona. Born in Barcelona 1951. Scientific areas: microbiology, biochemistry, biotechnology, oenology. I like: nature, biological sciences, photography, mountains, ... Languages: catalan (first one), spanish, french, english and some italian.

Posted on 24 Agost 2022, in Bacteris, Bacteris Làctics i productes, Biologia, Biotecnologia, Evolució, Genètica i biologia molecular, Vins i Enologia and tagged , , , , , , , , , . Bookmark the permalink. Deixa un comentari.

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Lluís Rabell

Activista, polític, company

Blog Cátedra de Historia y Patrimonio Naval

“Quien domina el mar, domina todas las cosas” (Temístocles)

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Life Secrets

For my students

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Quèquicom

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

A %d bloguers els agrada això: