Стародавня ДНК розкриває секрети виготовлення сиру бронзової доби

Дослідження стародавнього кефірного сиру розкриває складну історію та еволюцію молочної ферментації в Євразії, висвітлюючи, як Lactobacillus kefiranofaciens адаптувалася протягом століть взаємодії людей. Ферментація їжі є найдавнішим способом виробництва з використанням мікроорганізмів в історії людства. Наприклад, бродіння молока можна простежити до 6000–4000 років до нашої ери в Індії, а населення Середземномор’я виробляло та споживало сир ще за 7000 років до сьогодення.

Незважаючи на довгу історію споживання ферментованих продуктів людиною, мало що відомо про історію використання ферментативних мікроорганізмів та історію пов’язаної культурної передачі. Зокрема, еволюційні траєкторії, особливо функціональна адаптація, цих ферментованих мікроорганізмів через тривалу взаємодію з людьми залишаються незрозумілими.

Нещодавно група китайських вчених доповнила наші знання про розповсюдження ранніх методів бродіння молочних продуктів, завершивши перше у світі метагеномне дослідження кефірного сиру бронзової доби, знайденого на кладовищі Сяохе — найдавніших залишків молочних продуктів, відомих на сьогодні. Молекулярні докази, отримані з залишків давніх ферментованих молочних продуктів, служать потужним інструментом для розуміння минулих взаємодій між людиною та ферментаційними мікробами.

Прорив у дослідженні ферментації

У цьому дослідженні вчені витягли високоякісні геноми Lactobacillus kefiranofaciens (L. kefiranofaciens) із трьох стародавніх зразків сиру, знайдених на кладовищі Сяохе в Сіньцзяні, датованих приблизно 3500 роками тому. Висновки групи були опубліковані в Інтернеті в Cell 25 вересня у статті під назвою «Сир бронзового віку розкриває взаємодію людини та лактобактерій протягом еволюційної історії». Він був представлений як документ із виділенням клітинок.

«Ми працювали над цим проектом понад 11 років», — сказав Ф.У. Цяомей, останній автор-кореспондент і директор лабораторії молекулярної палеонтології в Інституті палеонтології та палеоантропології хребетних (IVPP) Китайської академії наук. Ключ у тому, що вона розробила зонди для збагачення ДНК Lactobacillus, що збільшує цільову ДНК від <1% до 64-80% і дозволяє реконструювати весь геном Lactobacillus.

«Це безпрецедентне дослідження, яке дозволяє нам спостерігати, як бактерія розвивалася протягом останніх 3000 років. Крім того, досліджуючи молочні продукти, ми отримали більш чітке уявлення про життя стародавньої людини та її взаємодію зі світом», — каже ФУ. «Це лише початок, і за допомогою цієї технології ми сподіваємося дослідити інші раніше невідомі артефакти».

Розкопані стародавні молочні технології

Зразок сиру, викопаний на кладовищі Сяохе в Сіньцзяні, є найдавнішим сирним продуктом, коли-небудь знайденим. Раніше за допомогою палеопротеоміки його ідентифікували як кефірний сир — кисломолочний продукт, виготовлений із кефірних зерен, які містять ферментаційні мікроби.

Реконструюючи мікробну спільноту бродіння, дослідження підтверджує, що сир був виготовлений з використанням молочнокислих бактерій і дріжджів. Дослідники також виявили, що молоко, яке використовується для виготовлення сиру, походить від кіз, широко поширених в Євразії в постнеолітичний період, на відміну від сучасних одомашнених кіз із внутрішньої Східної Азії. Ця знахідка свідчить про те, що стародавні люди з Тарім-Басіму, ймовірно, навчилися технології виробництва кефіру від популяцій євразійських степів.

Генетичні ідеї стародавнього бродіння

Поширення технології бродіння молочних продуктів значною мірою супроводжувало міграцію та взаємодію людей, процес, який спонукав еволюцію молочнокислих бактерій. Однак це дослідження також розкриває новий шлях поширення L. kefiranofaciens шляхом аналізу філогенетичних зв’язків стародавнього L. kefiranofaciens у Сіньцзяні.

Дослідники виявили, що L. kefiranofaciens, який використовується для бродіння, складається з двох кладів. Перший в основному складався зі штамів з Європи (наприклад, територія, зайнята сучасною Німеччиною) та прибережних районів і островів в Азії (наприклад, території, зайняті сучасним Гуандуном, островом Тайвань, Японією та Сінгапуром). Цей розподіл відповідав шляху поширення з Кавказу до Європи, з одного боку, та до прибережних районів Азії та Південно-Східної Азії, з іншого боку. Інша клада в основному складалася зі штамів, поширених у внутрішній частині Східної Азії (включаючи Тибет).

Реконструйовані стародавні штами розташовані в основі клади, що свідчить про додатковий шлях поширення технології виробництва кефіру з Сіньцзяну до внутрішньої Східної Азії через техніко-культурний обмін.

Розбіжність двох клад L. kefiranofaciens, ймовірно, є результатом поширення їх спільного предка, спочатку одомашненого в різних популяціях, що представляє міграцію та взаємодії, які відбулися під час використання та одомашнення ферментативних мікроорганізмів різними стародавніми популяціями.

«Дуже цікаво бачити, скільки інформації можна отримати з цих сирів», — сказав ЯН Їмінь, професор Університету Китайської академії наук. «Органічні залишки відкривають вікно в минулу людську поведінку та культуру, які були втрачені в історії та записах».

Уявлення про еволюцію лактобацил

Це дослідження також виявило, що використання та одомашнення людьми відіграло важливу роль в еволюції L. kefiranofaciens. Порівняльний аналіз геномів L. kefiranofaciens з бронзового віку та сучасності дозволяє нам охарактеризувати адаптивну еволюцію Lactobacillus kefiranofaciens протягом останніх кількох тисяч років.

Екстенсивний горизонтальний перенос генів є одним з основних механізмів адаптивної еволюції молочнокислих бактерій. Порівнюючи функціональні профілі стародавнього та сучасного L. kefiranofaciens, дослідження виявило три основні траєкторії еволюції L. kefiranofaciens : 1) адаптація до стресу навколишнього середовища з появою генів, пов’язаних зі стійкістю до лікарських засобів у сучасних штамів; 2) посилення захисних механізмів бактеріального геному, причому сучасний L. kefiranofaciens демонструє генні кластери, такі як система RM і пов’язана система токсин-антитоксин, які можуть протидіяти введенню екзогенної ДНК і, таким чином, зменшити пов’язані витрати на придатність; і 3) адаптації, пов’язані з кишковим середовищем людини; наприклад, сучасні штами отримали кластери генів, які потенційно можуть взаємодіяти з кишківником хазяїна, ймовірно, через їхню тривалу взаємодію з людьми.

Це дослідження також виявило, що тривале використання людиною та одомашнення L. kefiranofaciens, ймовірно, також вплинуло на його еволюцію. Порівняно з L. kefiranofaciens бронзового віку, сучасні штами з Тибету демонструють два горизонтально переміщені кластери генів, пов’язані з полегшенням кишкової запальної відповіді. Це не тільки сприяє виживанню L. kefiranofaciens у кишківнику людини, але й сприяє роботі кишківника.

Враховуючи, що давні популяції могли легко поширювати технологію виробництва кефіру за допомогою кефірних зерен, наявність цих кластерів генів, ймовірно, пов’язана з перевагою серед популяцій того часу кефірних зерен, що містять різні клади L.kefiranofaciens.

Культурний вплив ферментації

«Взаємодія між людиною та мікробом завжди захоплююча», — сказав LIU Yichen, один із перших авторів і доцент лабораторії молекулярної палеонтології IVPP. «Ферментаційні мікроби відігравали таку важливу роль у повсякденному житті цих стародавніх людей, і вони розмножували ці мікроби протягом тисячоліть, не знаючи про їх існування більшу частину часу».

Використовуючи стародавню інформацію ДНК про ферментативні мікроорганізми, тісно пов’язану з минулою людською діяльністю та культурою, це дослідження пропонує нову основу для використання стародавньої ДНК для вивчення культурних взаємодій минулих людей.