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拉格(淡)啤酒的酵母之謎

老橘子
・2011/08/29 ・2360字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

歐洲文化史裡常提到修道院的修士在修道院裡釀造含有酒精成份的麥汁,以便補充齋戒日裡不能進食的體力消耗,讓人以為修士每天都是醉醺醺的。到歐洲旅遊,也常常因為酒吧林立,晌午就看到一堆人或坐或站在酒吧裡外喝啤酒。一旦喝到地區性的啤酒或發酵的果實酒,其風味、口感差異之大,不得不讓人思考罐裝啤酒之乏味。當我們以為啤酒是歐洲的產物時,是否也有個失落的環節,如同咖啡、煙草、馬鈴薯等影響西方文明的重要商品,也是靠著舶來品,才拼湊出完整的現代圖像?

雖然我們喝啤酒,可以不論啤酒為何物。但是,當大麥、小麥、玉米、米、啤酒花、水、麥芽等等不同組合,經過發酵之後,就會變成讓人大聲說話、面紅耳赤、稱兄道弟、忽而意氣風發、乍時又黯然落淚的出神飲料。知道一下啤酒跟最新的科學發現之間的偶遇,也是酣暢之際的樂事。

2011 年8月份的Proceedings of the National Academy of Sciences的一份新的研究報告,這個研究的故事就來自一個跨國的研究團隊發現了貝酵母的野生遠親:優貝酵母(尚無中文,筆者暫譯,原文 Saccharomyces eubayanus)。大概是因為啤酒這喝的玩意,跟生活、經濟、產業密切相關,報導這個研究的媒體真是不少,本文綜合Science New, Science Now, Economist, BBC, USAtoday, Wired.co.uk,簡單說明。

啤酒歷史從15世紀開始有了革命性的轉變,巴伐利亞地區的修道院開始採取低溫發酵,以便可以在冬天釀造啤酒。從此之後,拉格(Lager)與愛爾(Ale)的啤酒世界開始大不相同。例如,2008年拉格啤酒的全球銷售額達到2500億美金,而你在台灣的便利商店幾乎找不到愛爾。拉格與愛爾的差別主要在發酵溫度,前者低溫後者稍稍高於室溫,原因乃是酵母不同,愛爾使用的是釀酒酵母( Saccharomyces cerevisiae),拉格使用的則是釀酒酵母和貝酵母( Saccharomyces bayanus)的混株,稱為加士柏酵母( Saccharomyces carsbergensis),也因為生物學家巴斯德的發現與貢獻,也稱巴氏酵母( Saccharomyces pastorianus)。當代的拉格啤酒廠使用的是巴氏酵母的混株,包括歐洲大陸、北美、亞洲地區的流行品牌都是拉格,台灣也不例外;而英國就延續傳統的釀酒法,仍是愛爾、史脫特(Stout)的大本營。

從15世紀開始,釀酒人經過了好幾個世紀的努力,盡其所能地增加口感或色澤,使生產出來的啤酒容易被接受,他們根據這些受歡迎的特徵製造下一批啤酒。一開始,他們並不知道他們正在影響酵母的演化。

拉格啤酒的關鍵在於其低溫釀造。今日拉格啤酒商所用的酵母,科學家雖然早就知道是典型的釀酒酵母與貝氏酵母混株而成。 因此科學家翻遍歐洲和北美尋找, 但是貝氏酵母的母本卻從未找到,原來他們找錯半球了。

圖:癭

一個由Chris Todd Hittinger率領的國際研究團隊,在巴塔哥尼亞山區找到了拉格酵母的另一半失落的母本:優貝酵母。 因此在山毛櫸樹上,因真菌感染造成的如白桃與氣球般的結構:癭(galls)內找到了優貝酵母。其中包含了優貝酵母和另外一種野生酵母以及發酵的糖分,當癭熟透掉到地面上破裂後,地面會覆蓋一層薄薄的地衣,還有濃濃的乙醇味道。 所以,拉格啤酒源於巴伐利亞,但是主要添加物則是來自半個地球之外。釀造拉格啤酒的酵母來自阿根廷的巴塔哥尼亞山區的山毛櫸森林裡,卻遠渡重洋到歐洲,並溜進了釀啤酒的木桶裡。

當研究者把優貝酵母的基因進行排序,並搜尋其他酵母基因的資料庫後發現,他的近親貝氏酵母,而且非常接近卡士柏酵母。事實上高達99.5%的相似度。與卡氏柏酵母不同之處,在於用於釀造拉格啤酒的酵母,在過去幾個世紀以來,已經突變,並且被馴化,以便用於大量工業生產。

研究者合理的推論這就是要找的野生酵母。另外一個原因則是:一般來說寒冷的氣候是拉格酵母喜歡的環境,拉格釀造的溫度大多於攝氏4-9度。但是用於製造愛爾、果實酒或其他酒精飲料的釀酒酵母,適溫是攝氏15-25度,因此德國人得以在冬天釀造啤酒,並且避免遭受的夏天霉菌、細菌或者其他東西使啤酒發酵失敗,變得又酸又臭。而巴塔哥尼亞山區的平均溫度大約攝氏6 度。所以人和生長於此的酵母都具有抗寒基因,對於尋找低溫釀造啤酒的釀酒商而言,十分有價值。因為酵母偏好的低溫特性,有助於啤酒工業的擴展。

其中的一位成員Jose’ Paulo Sampaio,葡萄牙坎培拉的Nova de Lisboa大學的微生物學家說,他並不知道到底優貝酵母如何從山毛櫸的樹上移動到歐洲的啤酒釀酒廠。但是可以假設,酵母搭便車在某些動物或生物身上移動。另一位Vanderbilt大學的演化生物學家Antonis Rokas則猜測,優貝酵母可能隨著一片片的木料或山毛櫸製成的桶子,或是依附在水果、甚至果蠅的腹部遷徙。不管如何,最後還是到了歐洲,還找到為他量身打造的棲地和夥伴。這個研究開啟了新視野,也給人們臆測的空間。如USAToday的編輯用了「我們應該感謝哥倫布帶給我們拉格淡啤酒」(We have Columbus to thank for lager beer)。但是經濟學人(Economist)則認為這引發了另外一個謎,因為真菌從巴塔哥尼亞移動到歐洲的唯一可能方法,就是靠人類的運輸。但是歐洲直到15世紀末才開始探索新大陸,直到16世紀,歐洲人尚未抵達巴塔哥尼亞。但是記錄低溫發酵的啤酒的記載,最早始於1420年。計畫主持人 Hittinger 表示,也不排除優貝酵母住在某些被遺忘的舊大陸,顯然我們尚未搜尋整個地球的所有可能的棲息地。

一位研究發酵飲料歷史的費城賓州大學博物館的分子生物考古學家Patrick Mcgovern表示,這個研究發現震驚了歷史學界和考古學界,因為再也沒有比這更真實、更神奇的發酵過程。可見酵母是適應力很強的物種,隨著人類在世界各地移動。

了解野生母本有助科學家們了解拉格酵母混株的形成,並且也了解基因的馴化如何改變酵母,Rokas則說,釀酒商或許也可以為新的啤酒創造出新的混株。

p.s. 寫完了,來一杯吧。

論文連結:

相關報導:

  1. Lager’s mystery ingredient found
  2. lager-beers-mystery-yeast
  3. The yeast that gave rise to lager is tracked down to South America
  4. We have Columbus to thank for lager beer

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老橘子
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貓人複合體。成員為黃貓、花貓、虎班貓。東海社會學博士,清華社人所碩士,曾任報社編輯和記者,博士後研究員,流浪博士。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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