Випадкове відкриття у сирній печері, розташованій у мальовничому штаті Вермонт, Сполучені Штати, дало вченим рідкісну можливість спостерігати еволюцію в реальному часі. Це неочікуване дослідження, що стосується плісняви на сирі, має широкий потенціал для захисту здоров’я людини, зміцнення продовольчої безпеки та навіть створення нових смаків для справжніх гурманів.
Дослідники з Університету Тафтса виявили еволюційні зміни у плісняві, яка покриває сир Bayley Hazen Blue – відомий вермонтський сир з омитою скоринкою, що виготовляється на фермі Jasper Hill Farm. Цей сир, відзначений нагородами, здобув популярність завдяки своєму насиченому, землестому смаку та унікальній текстурі. Порівнюючи свіжі зразки з ферми з тими, що зберігалися в лабораторії з 2016 року, команда помітила, що Penicillium solitum, звичайна пліснява сирних печер, змінила свій колір. Замість звичного листово-зеленого відтінку, який надає сиру характерного забарвлення під час дозрівання, грибок тепер утворював крейдово-білу скоринку.
“Це було надзвичайно захопливо, адже ми зрозуміли, що це може бути приклад еволюції, яка відбувається прямо на наших очах”, — поділився Бенджамін Вулф, доцент кафедри біології в Університеті Тафтса. “Мікроби еволюціонують. Ми знаємо це з еволюції стійкості до антибіотиків, з еволюції патогенів, але ми зазвичай не бачимо цього, як це відбувається в конкретному місці протягом певного часу в природних умовах”.
Історія цього відкриття — ще один прекрасний приклад випадкового наукового успіху. У 2016 році Вулф поклав шматок сиру Bayley Hazen Blue до морозильної камери своєї лабораторії. “Я відомий тим, що не викидаю зразки про всяк випадок, якщо вони нам знадобляться”, — пояснив він. Через кілька років аспірант Ніколас Лоу зібрав нові зразки сиру з камер для дозрівання — вологих, темних приміщень, висічених у схилі пагорба, — і приніс їх до лабораторії. Саме тоді Вулф і помітив зміни у зовнішньому вигляді сиру. Це, звісно, стало поштовхом до нового наукового проєкту.
Приховані механізми еволюції в сирній печері
“Винуватцем” зміни кольору виявилася звичайна пліснява сирних печер — Penicillium solitum. Генетичний аналіз показав, що її перехід від зеленого до білого кольору стався через порушення гена alb1, який відповідає за синтез меланіну. Меланін — це пігмент, що діє як сонцезахисний крем, поглинаючи шкідливе ультрафіолетове випромінювання та безпечно розсіюючи його, захищаючи таким чином чутливі грибкові клітини.
Однак у абсолютно темному, вологому середовищі сирної печери такий захист стає зайвим. Виробництво пігменту є метаболічно затратним процесом, тому коли тиск від сонячного світла зникає, грибки, які вимикають цей шлях, заощаджують енергію і отримують перевагу в рості. Команда виявила, що це “розслаблення відбору” відбувалося кілька разів через різні мутації, що вимкнули ген alb1. Це стало надзвичайним прикладом паралельної еволюції, що розгорталася в реальному часі.
“Розслаблення відбору” — це явище, коли усувається певний екологічний стресовий фактор. Це спостерігалося у багатьох організмів, що пристосовуються до темних умов. Це був вирішальний фактор для мексиканських печерних риб (Astyanax mexicanus), які втратили зір, що дозволило їм вкладати більше енергії у розвиток “корисніших” для пошуку їжі відчуттів. Якщо “розслаблення відбору” є процесом, то регресивна еволюція — це її наслідок.
“Ген Alb1 бере участь у виробництві меланіну”, — пояснив Ніколас Лоу, аспірант, який відбирав зразки сиру з білою скоринкою. “Можна вважати меланін бронею, яку організми створюють для захисту від ультрафіолетового пошкодження. Для грибків він створює зелений колір, який поглинає ультрафіолетове світло. Якщо ви ростете в темній печері і можете обійтися без меланіну, має сенс позбутися його, щоб не витрачати дорогоцінну енергію на його виробництво. Руйнуючи цей шлях і змінюючи колір із зеленого на білий, грибки, по суті, економлять енергію, щоб інвестувати її в інші аспекти для виживання та росту”.
Від сирної печери до глобальних викликів
Хоча еволюція мікробів добре задокументована у стійкості до антибіотиків та нових патогенів, зафіксувати її в одному місці за період менше десяти років — надзвичайно рідкісне явище. У цьому випадку деякі колонії грибків мали точкові мутації, тоді як інші набули вставок від мобільних фрагментів ДНК, так званих транспозонів — або “стрибаючих генів”, які переміщуються по геному і можуть порушувати його звичайну роботу. Кожна генетична зміна, хоч і різна, зрештою приглушила ген alb1, припинивши вироблення меланіну та залишивши плісняву білою. І замість того, щоб завдати шкоди грибку, генетично обумовлена втрата пігменту стала перевагою, дозволивши плісняві рости швидше та домінувати в печерному середовищі.
Дослідники потім інокулювали сир брі новим білим штамом грибка, щоб перевірити, чи вплине це не тільки на зовнішній вигляд сиру, але й на його смак. Результатом стала скоринка з дещо горіховішим, менш “грибним” смаком. Це само по собі відкриває потенціал для вчених-харчовиків у розробці нових або більш привабливих сирних смаків.
“Спостереження за еволюцією диких плісняв прямо на наших очах протягом кількох років допомагає нам думати, що ми можемо розробити надійний процес одомашнення, щоб створити нове генетичне різноманіття та використовувати його для сироваріння”, — зазначив Вулф.
Однак відкриття виходить далеко за межі сиру. Гриби роду Penicillium належать до тієї ж родини (Aspergillaceae), що й Aspergillius. Хоча більшість видів Penicillium нешкідливі і часто корисні (використовуються у сироварінні, для виробництва пеніциліну), деякі штами Aspergillus шкідливі для здоров’я людини. Зокрема, вдихання Aspergillus fumigatus може викликати серйозні проблеми з легенями, включаючи інвазивний легеневий аспергільоз, аспергілому, алергічну астму, пневмоніт та алергічний бронхолегеневий аспергільоз. Вивчаючи, як Penicillium адаптується в сирних печерах, вчені можуть отримати уявлення про те, як Aspergillus адаптується в легеневому середовищі, потенційно знаходячи нові способи лікування цих різноманітних станів здоров’я.
Плісняві гриби знищують близько 40% світових урожаїв, як до, так і після збирання, що робить їх однією з найбільших загроз для продовольчої безпеки. Знання того, як швидко плісняви адаптуються до нових середовищ — і які гени керують цими змінами — може допомогти дослідникам розробити кращі способи зупинки гниття під час зберігання та транспортування.
Історичні відголоски випадковості
Ці результати знову підкреслюють, скільки наукових проривів, особливо тих, що походять з природи, відбулися випадково. Майже 100 років тому, у 1928 році, шотландський лікар Олександр Флемінг, всесвітньо відомий вчений, який виявив пеніцилін, помітив, що у запліснявілій чашці Петрі Penicillium notatum знищив бактерії навколо нього. Цей спостережливий вчений проклав шлях до однієї з найважливіших медичних інновацій, хоча сам пеніцилін був розроблений лише через десятиліття. Або, наприклад, зразок ґрунту, зібраний з острова Пасхи (Рапа-Нуї) у 1964 році, зрештою призвів до відкриття та розробки рапаміцину — речовини, що знищує бактерії, і нині є визначальною мішенню у геронтології. Острів Пасхи, або Рапа-Нуї, розташований у південно-східній частині Тихого океану, є одним із найвіддаленіших населених островів у світі, відомий своїми моаї — гігантськими кам’яними статуями, які створювали його корінні жителі.
Дослідження було опубліковано у поважному науковому журналі Current Biology.
