喝啤酒，是這群科學家的日常工作

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導語：今天是#國際啤酒節#，讓我們走近比利時的一間實驗室，看他們如何使用遺傳學，製造完美的啤酒酵母。

Kevin Verstrepen 的實驗室組會可以讓人醉醺醺的。每周兩次，他在比利時魯汶大學和佛蘭德斯生物技術研究所的幾個組員都會圍坐在桌邊，桌上放滿了鬱金香形的黑色啤酒杯，還有痰盂和餅乾。

Verstrepen舉起酒杯聞了聞。「我覺得這就像個乙酸乙酯炸彈。」他宣佈道。乙酸乙酯經常用在梨子味的甜食中，在高濃度下散發著一股指甲油味兒。實驗室里的一位研究生，Brigida Gallone 還聞到了另一種味道。「乙酸乙酯和4-VG。」她說的是4-乙烯基愈創木酚，它聞起來像煙霧、丁香和牙醫辦公室——她在面前的那張品嘗分析表上是這麼寫的。「我喜歡4-VG，但這對我來說都太多了，」另一位學生 Stijn Mertens 聞到了濕硬板紙的味道，這種味道在陳啤酒中很常見。「我聞到了反-2-壬烯醛，」他說。小組結束了對這種啤酒的分析，開始了對第九杯、也是最後一杯啤酒的品嘗。時間還沒到上午11點。

「在注意力渙散之前，你只能做那麼多。」博士後 Miguel Roncoroni 說。他主持這些品酒會已經四個多月了。他們所屬的項目旨在描述市場上200多種比利時啤酒的特點。他們的評價，加之對產生口味和香氣的幾十種化學物質的精確測量，讓消費者能夠將自己喜愛的啤酒與實驗室介紹對比，挑選出想要嘗試的新啤酒。

但Verstrepen的夢想不止於幫啤酒愛好者選出佳釀。他想培養出完美的酵母。他的實驗室正在把他們學到的有關啤酒風味的化學和遺傳基礎的知識運用到培育酵母菌株上，以培育出獨特的風味和其他受釀酒人和飲酒人追捧的品質。

他實驗室里的啤酒極客們橫跨兩界，既從事受好奇心驅使的科學研究，也參與工業釀造。他們通過酵母來研究演化、生物化學，甚至還有神經科學，但他們也與來自全世界的啤酒製造商——從跨國集團到引領潮流的手工小啤酒廠——簽訂合同。在一篇即將發表於《細胞》期刊的論文中，他們的實驗室報告了150個用於釀造啤酒、清酒以及其他發酵製品的酵母菌株的基因組。這一項目是與一家向啤酒製造商提供酵母的頂級供應商，以及一家合成生物公司合作完成的。

對啤酒這個價值5000億美元，產品依賴於化學與微生物學間複雜反應的行業來說，高級酵母菌株可是搶手貨。「你總想知道Kevin的實驗室都在做些什麼，」 Peter Bouckaert 說。他是一家位於美國科羅拉多州科林斯堡的頂尖手工啤酒廠—— New Belgium 啤酒廠的釀酒師。「人們都關注著他的動態。」

啤酒的風味來自寥寥幾種原料（見下圖「生物學改善釀造」）。穀物（主要是大麥麥芽）提供了糖和酒體，但也能影響風味，比如常見於黑啤的巧克力調。啤酒花帶來了苦味和一些手工啤酒中的熱帶水果調。溶解在水中的礦物質會影響來自穀物和啤酒花的風味。釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）提供了酒精、氣泡和上百種香味化合物。發酵過程生成了其它一切，從乙酸異戊酯（這是德國維森小麥白啤香蕉味的來源）到帶來丁香味的4-VG。

啤酒製造商曾經是酵母科學的領軍者。丹麥的嘉士伯酒廠在1875年建立了全世界最早的酵母生物學實驗室之一，就在那裡，Emil Christian Hansen 於1883年首次分離出了釀酒酵母的純菌株。在20世紀30-40年代，另一位就職於嘉士伯的科學家 ?jvind Winge 發現酵母既能有性生殖，也能無性生殖，並利用這一特點來培育具有實用釀造性狀的新菌株。

Winge 的工作讓酵母從釀酒廠走進了生物學實驗室，現在，許多科學家使用釀酒酵母作為探索複雜細胞內部運作機制的模型。儘管酵母與生命科學的結合由來已久且成果卓著，Verstrepen 仍然認為，許多啤酒製造商在酵母使用上還停留在19世紀。「啤酒製造商，尤其是傳統的啤酒製造商，使用的往往不是最理想的酵母。」大多數啤酒商在他們所有的啤酒中只使用一種菌株，要麼分離自自己的釀酒廠，或者是幾十年前從其他釀酒廠借來的菌株。

Verstrepen 想要改變這一點。起初，他在南非的一家葡萄酒酵母菌實驗室工作，然後在1999年加入了魯汶大學的啤酒實驗室攻讀博士學位。但他失望地發現，研究的大部分內容都是在為釀酒商解決問題。「沒人真的在做生物學研究，」他說。夢想破滅後，他來到了美國馬薩諸塞州劍橋市的懷特黑德生物醫學研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research），跟隨 Gerald Fink 從事博士後研究。Gerald Fink 在上世紀70年代開創了酵母菌基因工程研究。

然而，儘管那裡的科學家喜歡酵母，但沒人對啤酒有興趣——至少白天沒有興趣—— Verstrepen 說。因此，他的研究重點是致病性酵母菌黏連在人體組織上所使用的蛋白質。他發現，酵母菌的「黏性」取決於某個特定基因上的DNA序列重複次數（K. J. Verstrepen et al. NatureGenet. 37, 986–990; 2005）。「這就好比尼龍搭扣越長就越容易黏住東西一樣，」他解釋道。這種蛋白質還與酵母菌的絮凝有關，即酵母菌細胞在啤酒中凝聚成團、從溶液中析出的過程。不同菌株的絮凝特性不同，還會影響啤酒的風味、澄清度和酒精含量。

2005年，Verstrepen 搬到了劍橋市的另一頭，在哈佛大學設立了自己的實驗室，著重研究不同DNA序列重複在產生多樣性方面的作用。他也在哈佛大學給本科生教授生物學，並在這門課程中融入了釀酒——「那門課挺難的，」他說。但在他2009年回到魯汶大學前，啤酒一直沒有成為他的研究課題。

Verstrepen 希望能將自己的研究與他對啤酒和葡萄酒的興趣結合起來。但他與業界的合作始於一家來自瑞士的巧克力公司打來的一個電話。總部位於蘇黎世的百樂嘉利寶公司是全世界最大的可可生產商之一，他們需要把苦味的可可豆轉化成可可粉（這在傳統上是由環境中的酵母菌完成的）。「而我回答他們，『巧克力也是發酵的嗎？』這並不是最聰明的回答。」 Verstrepen 說。

儘管如此，百樂嘉利寶公司還是成為了 Verstrepen 實驗室的第一位諮詢客戶。現在，他的實驗室每年的收入大約在50萬歐元（55.5萬美元）左右。在實驗室的25位科學家中，有一半人從事有關啤酒、生物燃料和其他發酵產品的應用研究，其他人則從事表觀遺傳學、分子演化和其他基礎研究。

拉格啤酒實驗室

乍一看來，Verstrepen 的實驗室和其他實驗室沒什麼兩樣，實驗桌上擺放著離心機、培養皿和移液器，還有一個裝滿了小玻璃瓶的培養箱。如果瓶子里裝著的不是濃濃的大麥麥芽、糖和啤酒花的話，這個孵化器在任何微生物學實驗室都不會顯得突兀。冷藏室提供了更多線索。「這裡的啤酒現在不是很多，」 Verstrepen 說，指了指幾個滿滿的箱子。儲藏室里存放了上百個用於盲品的黑色玻璃杯；它們是不透明的，所以品嘗者看不到自己在喝的東西。

他的實驗室冰箱存放了約三萬種酵母菌，包括在全世界範圍內用於釀酒、烘培和其他用途的1000種菌株，以及從水果、花卉、昆蟲，甚至人類身上分離出來的1000種野生菌株。其中許多品種都已經根據影響口味以及啤酒製造商關注的其他性狀的基因歸類出來了。實驗室正與酵母供應商，位於加州聖地亞哥的懷特純酵母發酵實驗室（White Labs），和其附近拉荷亞的 Craig Venter 建立的合成基因組公司（Synthetic Genomics）合作，構建工業用酵母菌的系譜。

冰箱里的其他菌種則是實驗室的發明創造：擁有獨特性狀組合的全新菌株。團隊通過讓不同的菌株配種並篩選後代的香氣來製造新菌種，最近，實驗室也開始篩選這些性狀背後的基因。後一種方法被稱為遺傳標記輔助育種，常用於農業中，Verstrepen 認為它將改變釀造業。

一家加拿大啤酒製造商訂製了其中一種菌株，他們想要一種口感飽滿、酒精含量較低的比利時三倍風格啤酒。另一家啤酒製造商想要更具巧克力香氣的酵母；實驗室至今還沒能在這方面取得進展。

大規模配種

實驗室使用了一種一天能完成上百次酵母配種的機器人，生產出的菌株根本來不及分析品嘗。為了解決生產過剩問題，研究者們正在研發一種同時能釀造兩千多種不同酵母菌、每種20皮升的微流控晶元，每種酵母都只含有一個酵母單細胞。它們可以自動檢驗這些微量釀造產物的酒精含量，並希望最終能測量產生的香味化合物。在大型設備方面，實驗室很快會接收一套每次能釀造500升啤酒的裝置，以更好地應對工業規模釀造的挑戰。

Verstrepen 的酵母存檔讓他的實驗室成為了啤酒製造商尋找特定風味的一站式商店。比方說，Bouckaert 想要「奇怪」的香氣——比如穀倉或者馬毯的味道，但不帶通常與之相伴的水果調時，他嘗試了實驗室里四種可能有希望的菌株。沒有一種能用在 New Belgium 啤酒上——至少現在還不能。「Kevin 的研究有點超過啤酒製造商的應用範疇，」 Bouckaert 說。「但這並不意味著它們不能在未來轉化為巨大的商機。」

Verstrepen 表示，釀酒酵母的自然變異為風味和其他性狀的調整提供了空間，但這種方法也有局限。基因改造工具可以在此基礎上改進。「使用傳統育種方法，我們能把風味加強10倍，但使用基因改造方法，我們能加強100倍或1000倍，而且我們已經嘗試過了，」 Verstrepen 說，「這樣製造出來的啤酒更像香蕉奶昔。這真的是我們想做的事嗎？」啤酒製造商對他們的成果很激動，但轉基因食品的污名意味著實驗室生產供給業界的菌株時使用的一直都是更為傳統的技術，比如傳統育種和定向演化。

諸如CRISPR之類的基因編輯技術也能將自然發生、能帶來風味的變異型引入生長良好、但沒有什麼風味的酵母菌株，更快完成與傳統育種方法相同的目標。食品監管者已經在爭執用這種方式生產的植物和牲畜算不算轉基因食品了，所以，CRISPR啤酒的誕生迫使他們對這一問題作出定論並非無法想像。

一些手工啤酒廠曾向實驗室索要過轉基因酵母（被拒絕了），但 Bouckaert 表示釀造業中的大多數企業對此並無興趣。「美國的手工啤酒廠正在挑戰極限，但基因改造是個禁區，」他說。跨國啤酒製造商更是十分害怕對自己與轉基因啤酒聯繫在一起。

位於魯汶的百威英博是全球最大的啤酒製造集團，也是百威啤酒和時代啤酒的製造商，他們承認與 Verstrepen 有合作。百威英博公司酵母與發酵部門的高級科學家 Philippe Malcorps 說，百威英博有興趣利用野生酵母菌的多樣性，發掘傳統釀酒菌株中無法得到的風味和其他性狀。

Verstrepen 與這些企業的大多數合作內容都簽署了嚴格的保密條約。「我們一些最優秀的應用研究既不能發表，也不能談論，」他說，「作為一個科學家，這一點很讓人難受，因為你會想要分享。」

但小一些的釀酒廠一般更為自由。Orval 是比利時六家由熙篤會修士管理的啤酒廠之一，事實上，它就拒絕簽署保密協議，他們讓 Verstrepen 為他們的私藏菌株測序時甚至不願意簽合同。「如果你連修士都不能相信了，那你還能做什麼呢？」 Verstrepen 說（他自己的個人冰箱里放滿了 Orval 啤酒，他最喜歡的啤酒之一）。Bouckaert 說，實驗室曾提議把他們公司試用的一種酵母菌株設置成這家公司獨家享有的，但他拒絕了。「我說，『我是個手工釀酒者，我不想要獨家菌株。我希望你能把菌株送給更多的人！』」

應用研究也帶來了科學上的新見解。Verstrepen 的團隊仍在試圖解決一個最初從啤酒製造商那裡聽來的問題。啤酒製造商常常重複使用酵母來節省成本，但每隔一段時間，他們就會做新的菌株培養，首先用葡萄糖（酵母菌偏愛的食物），然後將酵母菌放進主要由麥芽糖組成的未發酵啤酒。酵母菌有時會對新的食物來源反應冷淡，因此，啤酒完全發酵起來可能需要幾天時間（這使得啤酒暴露在了受污染的危險下）。「酵母不僅記得自己之前吃的是什麼，還知道它們五六代前的曾曾祖母吃的是什麼。」 Verstrepen 說。這一機制似乎與DNA或蛋白質的表觀遺傳修飾繼承有關，目前是實驗室的研究重點之一。

實驗室常常發現，上好的啤酒和優質的科學攜手並進。Mertens 的博士課題是發明一種用於製作拉格啤酒的新酵母菌株。拉格啤酒的釀造溫度比其他啤酒更低，使用的是一種幾個世紀前出現的酵母，這種酵母是釀酒酵母（S. cerevisiae）與一個有親緣關係的耐寒物種真貝酵母（Saccharomyces eubayanus）雜交的產物。

儘管占啤酒銷量的絕大多數，但拉格啤酒的風味範圍十分有限。為了製造出擴大其風味範圍的酵母，Mertens 讓這兩個物種的多種菌株配種。用這些酵母釀出的啤酒有的嘗起來有洋蔥味，還有許多發酵得不好，但其中一種將上好比爾森啤酒（一種淡拉格啤酒）令人振奮的清爽口感，與拉格啤酒中不常見的淡淡水果調味結合了起來（S. Mertens et al.Appl. Environ. Microbiol.81, 8202–8214; 2015）。這種啤酒在實驗室成員中大受歡迎，已經從冷藏室銷聲匿跡。一些釀酒廠正在測試這種被稱為H29的菌株。

Mertens 很樂意看到自己的發明被製成商業啤酒，但他也希望能為他發明的其他菌株的基因組測序，以理解不同物種如何雜交——或許甚至能找出最初的拉格啤酒酵母產生的條件。「我們研製出了新的酵母，啤酒製造商們很喜歡它，」他說，「但我們研究的是雜交的運作基礎。這比啤酒科學更進一步。」

在上午的啤酒品嘗結束之際，桌上的痰盂已經吐滿了。Verstrepen 與一家DNA測序公司有個會議，Mertens 和其他學生都有研究工作要做。實驗室或許吸引了許多啤酒極客，但並不是狂飲派對。

「沒錯，你研究的產品很有趣，但這歸根結底還是遺傳學工作，」 Mertens 說，「我們喝酒不是為了取樂。」至少下班前不是。?

Nature|doi:10.1038/535484a

原文發布在2016年7月26日的《自然》特寫上

原文作者：Ewen Callaway

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