Anders myser på livets særere sider

2017-09-28

Cell-paperet – dateringen

Jeg har tidligere skrevet om artikkelen til Gallone B, et al. fra forskningsgruppa til Kevin Verstrepen ved KU Leuven, og jeg lovet å ikke slippe temaet. Dateringen av en felles stammor for de ulike gjærstammene er egentlig ikke noe sentralt moment i artikkelen til Verstrepen. Men det har fått endel fokus. Artikkelen fokuserer mer på de innbyrdes slektskapene, ikke dateringen. Det er kanskje utslag for noe tabloid at dateringen – siden den er såpass konkret – får så mye fokus.

Artikkelen daterer domestiseringen av gruppen gjærstammer som er gruppert som Beer1 til mellom 1573 og 1604, mens gruppen gjærstammer som er gruppert som Beer2 er datert til å ha en felles stammor i perioden 1645-1671. Det er basert på en antakelse om gjennomsnittlig ett brygg pr uke med tre doblinger (dvs en åttedobling) av gjærmassen ved hver brygging, dvs ca 150 generasjoner pr år. Antallet brygginger kan ikke bli ekstremt mye større, for én gjæring bør være godt i gang før man kan høste gjær til neste brygg. Men den kan være en god del lavere. For eksempel ved brygging av lambic ligger ølet på fat i år, og om man aksepterer at ølgjæren kommer fra fatet snarere enn fra Brussel-nattelufta, så er det i praksis år mellom hver brygging.

Antallet doblinger av gjæra avhenger spesielt av pitching rate (høyere pitching rate gir færre generasjoner) og lufting av vørteren (lite lufting gir færre generasjoner). Se forøvrig den interessante boken Brewing Engineering av Steven Deeds. Ett av hovedpunktene hans som han har testet eksperimentelt, er at det er mengden oksygen i vørteren som dominerer hvor mye gjærmasse som blir dyrket frem. Mens det er mengden påsatt gjær som dikterer hvor mange ganger gjæren kan formere seg før den har brukt opp oksygenet – dvs antall generasjoner og fordoblinger – før den går over fra en aerob vekstfase til en anaerob fase med alkoholproduksjon.

Også her kan vi trekke frem lambic som et ekstremt eksempel. Ettersom det ikke eksplisitt tilsettes noe ølgjær, kan vi tenke på lambic som ekstremt underpitch'et, og det gir flere generasjoner. I andre sammenhenger kan vi peke på norsk brygging, der man brygget juleøl en gang om året, og tørket gjæren fra brygging til brygging. Det ville gi få generasjoner pr år. På den andre siden vil oppdyrking fra én gjærcelle gi mange flere generasjoner pr brygge- og høstesyklus. Det er mulig å diskutere sånne effekter frem og tilbake i det uendelige, men såsnart en stammor er blitt splittet i flere stammer, så effekten avta av at én stamme behandles sært og utypisk.

Dateringen i artikkelen er basert på to godt avrundede parametre – 1 og 3 – hvis opphav ikke er så grundig gjort rede for. De virker egentlig litt valgt på magefølelse, basert på det vi vet om brygging de siste par hundre årene. Problemet er at bryggetradisjonene har endret seg over århundrene. Vi vet masse om 1900-tallet og mye om 1800-tallet, men går vi særlig lengre tilbake, blir sporene og informasjonen raskt mer utydelig.

La oss gjøre et lite regneeksperiment. La oss anta at antallet brygginger ikke var én i uka, men to i uka eller én annenhver uke, og at antallet doblering ikke var 3, men 2 eller 4. Det er tall som ikke er så ekstremt forskjellige fra verdiene i artikkelen. Da får vi et antall generasjoner pr år som kan strekke seg fra 50 til 400, istedenfor akkurat 150. Er jeg da helt på jordet om jeg antar at disse tallene strekker dateringen av Beer1 fra det tilsynelatende presise intervallet 1574-1604 og helt ut til det temmelig omtrentlige 950-1880? Det er dog en usikkerhet her knyttet til om vi kan strekke et visst antall generasjoner bakover fra i dag, eller om vi må operere med ulike starttidspunkter basert på når gjæren var samlet inn i en gjærbank og formodentlig etterpå har hatt minimal med mutasjoner.

Man kan helt klart diskutere de tallene jeg kaster frem – 0,5-2 og 2-4 i stedet for 1 og 3 – men det understreker bare at denne dateringen koker ned til mer eller mindre educated guesses uten fasit. Forøvrig er 1880 en historisk umulighet. Det illustrerer også hvordan dateringene som ble publisert i Cell kan misoppfattes som mer presise enn de er.

Det er ikke uvanlig å bruke generasjonslengder for å regne seg tilbake til når to arter skilte lag genetisk. Det er også en relevant måte å gjøre det på, men det forutsetter såvidt jeg kan se to ting:

Først, at man kjenner generasjonslengden. Dersom vi snakker om sau eller ku, så har man et rimelig godt estimat på den gjennomsnittlige generasjonslengden. Men som argumentert for over, er dette ikke like innlysende for gjær. Det er flere usikkerheter her: a) typisk frekvens på brygging og gjenbruk av gjæren, og b) i hvilken grad man ikke gikk tilbake til forrige brygg, men hentet gjær fra brygg flere batcher tilbake, for eksempel for å eliminere en begynnende infeksjon i gjæra.

Dernest forutsetter det at man har rette tall for mutasjonsrater i gjær - og det er et digert tema i seg selv. Det er også et spørsmål om kvaliteten på algoritmen og programmet som implementerer der. Jeg skal komme tilbake med flere synspunkter rundt dateringen som er gjort i denne artikkelen. Jeg oppfatter dateringen som et interessant innspill, og jeg mener at dateringen slett ikke er endelig avklart.

Tags: .
©2017 Anders Christensen <anders@geekhouse> - tilgjengelig under Creative Commons CC-BY-SA 4.0.

 

2017-05-07

Cell-artikkelen om ølgjær

En artikkel i tidsskriftet Cell har sett på slektskapet mellom 157 ulike gjærstammer som de har gensekvensiert, hvorav mange er vanlig ølgjær. Dessuten har de tatt med resultater fra andres gensekvensiering, som bringer antallet gjærstammer opp til 182. Målet har vært å finne slektskap og avstand mellom gjærstammer. Resultatet har noen mildest talt overraskende elementer.

Artikkelen er Gallone B, et al. (2016) Domestication and Divergence of Saccharomyces cerevisiae Beer Yeasts. Cell 166(6):1397-1410.e16. Ofte refereres den som Verstrepens artikkel, etter Kevin Verstrepen som leder laben ved Universitetet i Leuven som står sentralt i arbeidet med artikkelen. Verstrepen er kontaktperson og har den presistisetunge plasseringen som siste-forfatter. Du kan laste ned arikkelen som PDF på denne siden dersom du ønsker å lese den.

Slik jeg leser artikkelen, er ikke den delen som konstruerer slektskapstreet så kontroversiell. Den knytter en rekke ulike gjærslag sammen i et tre som blader på greiner, og den kobler greinene sammen til stammen på en tilsynelatende ok og uproblematisk måte. Det finnes forsåvidt ting å stusse på også der, men vi vet ikke hvilke ulike gjærsorter som er brukt, bare typene, så det er i utgangspunktet vanskelig å krangle på det. Dessuten har jeg ikke tilstrekkelig kompetanse på genforskning og mikrobiologi til å gå inn i de tekniske detaljene. Og i det store og hele ser det tilforlatelig ut.

Men så daterer artikkelen forskjellige forgreningspunkter – og det er her utfordringene starter. De kommer frem til dateringer som en nerd på øl- og bryggerihistorien – sånn som meg – har vanskelig for å akseptere, og jeg mistenker at jeg ikke er helt alene.

Det første man må være oppmerksom på er definisjonen av «domestication». Artikkelen definerer det slik: Domestication is defined as human selection and breeding of wild species to obtain cultivated variants that thrive in man-made environments, but behave suboptimally in nature. Det er med andre ikke definert som da man gikk over fra å fange vill gjær for hvert enkelt brygg, til å gjenbruke gjær fra ett brygg til neste. Domestisering må ha kommet etter eller i beste fall samtidig med dette. Kanskje det kom veldig lenge etter. Om vi bruker det litt vage ordet «temming» fra husdyrhold, så er ikke «domestication» sammenfallende med det. I stedet er domestisering at man fremavler husdyrvarianter som i praksis bare kan leve i fangenskap. «Domestication» handler ikke om husdyrhold så mye som det handler om genteknikk.

Vi kan tenke på villsvin som ikke-domestisert, mens gris er det. Belgisk blått fe er domstisert, mens uroksen er det ikke. Det er noe mer enn bare to varianter. Man har «byttet» egenskaper som er nyttige for overlevelse i naturen, mot et liv i et kunstig, beskyttet miljø og som fremelsker egenskaper som er nyttige sett fra menneskers side – sånn som masse kjøtt og servilt lynne. Høner legger egg i ett sett og belgisk blått fe kan knapt stå på bena for alt kjøttet.

Når Gallone et al dokumenterer at ølgjær har gått gjennom en domestiseringsprosess, er det litt som å si at ølgjærcellene er liksom eggleggingsmaskinene som vi kaller burhøns, sammenliknet med en vill høne-lignende fugl du måtte møte på ute i skogen. Ølgjær blir dermed litt som intenst fremavlet burhøns, men som produserer øl i stedet for egg.

Men dette er ikke så sjokkerende. Det som jeg har større problemer med, er dateringene av når de ulike gruppene med gjær skilte lag. Gallone et al daterer at det de kaller gruppen Beer1 – og som ser ut til å dekke langt de fleste variantene av overgjær brukt i kommersiell ølbrygging – har en felles stammor mellom 1574 og 1604. Det vil si at de hevder at praktisk det meste av overgjær som du kan bestille fra White Labs, Wyeast og de andre stammer fra en og samme sære gjærcelle en gang sent på 1500-tallet.

Aha, tenker noen. Det var en genetisk supermutasjon som gav oss overgjæren - litt som en mellomting mellom Spiderman og Teenage Mutant Ninja Turtles. Nei ikke helt. Analogiene blir litt fargerike her, men la meg dra dem litt vel langt på en høyst uvitenskapelig måte. Denne stammoren for all gjær er vel mer i retningen av en superpysete mega-nerd med en lang regle bokstav-diagnoser og et rikt utvalg syndromer, men som er superflink til én veldig nyttig ting. Denne gjærcella er kanskje et «lett mobbeoffer» og temmelig ute av stand til å overleve uten en vernet arbeidsplass og betydelig bostøtte. Men gi den akkurat de levevilkårene som er perfekte, og hold andre som ville trives enda bedre langt unna, så skaper den mirakler. Der har du ølgjæren i et nøtteskall. Temmelig langt unna Spiderman, egentlig …

Som nevnt er dette en litt vel malerisk versjon. Blant annet var det neppe ett digert hopp fra ikke-domestisert til domestisert. Det har nok vært en prosess som har strukket seg over mange gjær-generasjoner, men samtidig vet vi fra andre domestiseringsprosesser at de kan være forbausende korte når bare seleksjonspresset er stort og tilstrekkelig konsistent og ensrettet.

Tilsvarende har man datert stammor for det Gallone et al kaller gruppe Beer2 til en gang mellom 1645 og 1671. Det er en gruppe overgjær som ikke er like utbrdt, men som har en geografisk bred spredning. Jeg har problemer med denne dateringen også.

Rent intuitivt er min førstereaksjon at det er begge dateringene er altfor sene. Selvfølgelig finnes det en felles stammor for dem en eller annen gang i historien, men om den dateres så sent er for meg svært overraskende og egentlig dypt sjokkerende.

I 1574-1604 brygget man kommersielt over «hele» Nord-Europa, selv om man må forvente en glidende overgang mellom kommersielle bryggerier med professjonelle bryggere og hjemmebryggere som solgte litt av hva de brygget. Gallone et als datering sier i praksis at all gjæren man brukte rundt om til dette ølet nå er utdødd (eller rettere sagt at den ikke har arvtakere blant det brede spekteret av gjærslag som er tatt med i denne undersøkelsen), så nær som maksimalt to sorter. De sier dermed også implisitt at middelalderens øl ikke har så mye med dagens overgjærede øl å gjøre.

Med andre ord, du kan rote rundt med ulike klostergjærsorter, men i praksis er det temmelig forskjellig fra hva munkene drakk før reformasjonen, med hensyn til gjærpreg. Det meste av kommersiell overgjær som du får kjøpt idag er dermed – satt på spissen – en relativt ny, «kunstig» industrigjær. Skjønt, det er ikke helt sant. Det finnes også ølgjær i flere andre grupper, både i et familietre som stort sett brukes til gjæring av vin, og i en blandet familie som inneholder endel brødgjær, villgjær og spritgjær. Jeg vet kort og godt ikke hvilke ølgjærvarianter som inngår der, kanskje det er weissbier-gjær og belgiske spesialgjær, og at disse representerer en gjærstamme som var langt mer utbredt før Beer1-gjæren rullet over Europa?

Vi er vant til at ulike varianter av overgjær divergerer temmelig mye i hvordan de gir gjærpreg til øl. Gallone et al sier implisitt at alle stiltrekk som skyldes gjærpreg fra størstedelen av dagens kommersielle overgjær i engelsk/belgisk tradisjon har utviklet seg etter ca 1600, og at det nødvendigvis opprinnelig kommer fra én bryggetradisjon, muligens den engelske. Det er litt vanskelig å akseptere.

Disse dateringene har man kommet frem til ved å beregne mutasjonsrate. Når man sammenlikner flere celler med felles stammor, men med forskjeller i genene, og man vet hvor hyppig gjær muterer, så kan man si noe om hvor lenge siden de skilte lag. Det vil si, ikke «hvor lenge siden» målt i antall år, men «hvor mange generasjoner siden».

Rett nok må man skille mellom to typer mutasjoner. Først er det de i «aktive» gener, som ofte ikke lever videre kort og godt for endringer vanligvis er det til verre. Dernest er det mutasjoner i inaktive gener. Det endrer ikke adferden til cella, og er derfor velegnet som utgangspunkt for å estimere antall mutasjoner siden ulike individer hadde felles stammor … altså til å generere et stamtre.

Da har man avstand til felles stammor i antall mutasjoner. Om man skal oversette det til et årstall trenger man å vite mutasjonsraten. Problemet er at den er angitt pr generasjon. For sauer og kyr er det et overkommelig problem, fordi de har en noenlunde konstant generasjonslengde – sånn circa et antall år pluss-minus 50% eller deromkring. For gjær blir det meget vrient, for gjæren kan ligge i nærmest dvale på bunnen av en flaske i noen år, eller flere generasjoner kan gå raskt unna på noen timer, som i en gjærstarter.

Selv om mutasjonsraten er kjent, så måler den hastigheten pr generasjon, slik at man altså må kjenne gjennomsnittlig generasjonslengde. Her er det at jeg har store problemer med artikkelen til Gallone et al. Den anslår disse parametrene til de nokså omtrentlige tallene en og tre. En brygging i uka og tre doblinger av gjærmassen hver gang, dvs åttedobling av gjærmassen ved hver brygging, og nærmest kontinuerlig brygging – som gir 150 generasjoner pr år. Det finnes mange scenarier der de parametrene helt klart er relevante, men å ta dem som universelle for kommersiell brygging over en periode på over 400 år, over et bredt geografisk område, og formodentlig for mange typer, stiler, teknikker og tradisjoner av brygging … vel, det er å strekke strikken.

Disse tallene er selvfølgelig estimater, men det er i det minste en tallfesting man kan være enig i eller krangle på. Jeg heller til krangling. For meg virker de tatt litt ut av lufta uten å belegges med noen begrunnelse utover å være et «educated guess».

For meg minner de to tallene – en og tre – mest på noe à la «tenk på to runde heltall, multipliser dem og gi svaret med ørten siffers nøyaktighet». Men jeg skal komme tilbake til dette senere.

Et nøkkelbegrep er domestisering, og det må vi også komme tilbake til. Forsåvidt sies det ikke eksplisitt at ikke det har vært domestisering av gjær før eller parallelt med det som Gallone et al grupperer som Beer1 og Beer2, domestiseringer som nå er utdødd, eller i det minste ikke spesielt godt representert i det gjærutvalget som dekkes av artikkelen. Men er det vanskelig å peke på historiske dokumentasjon på domestisert «tamgjær» før 1574, for Gallone et al vil trolig svare med et «show me the genome».

Vi kan tenke på kveik som en mulig pre-industriell gjær, sannsynligvis domestisert, men separat fra de to domestiseringene som Gallone et al lister. Sånn sett kan kveiken være en representant for alle de gjærsortene som ble fortrengt av industrigjæren. Det er en spennende tanke, men mer arbeid trengs for å kunne si noe sikkert om det.

Jeg skal blogge et par-tre oppfølgere til denne postingen. Den første skal ta for seg argumenter for at Gallone et als dateringer er for sene som felles stammor for industriell gjær. Den neste skal ta utgangspunkt i disse dateringene og forsøke å konstruere et puslespill-scenario som er noenlunde konsistent med Gallone et als artikkel. Det blir et puslespill der man må file til og banke på plass noen av brikkene, men desto større grunn til å legge det for å se hva vi klarer å få til. Til slutt vil jeg komme med en oppsummering.

Kanskje blir det delt opp i flere postinger også, for disse blogpostingene mine er egentlig litt for lange som det er.

(En feilslutning fra min side fikk meg til å tolke Beer2-gruppen som undergjær, hvilket artikkelen slett ikke gir grunnlag for å anta. Det er endret i postingen.)

Tags: , , .
©2017 Anders Christensen <anders@geekhouse> - tilgjengelig under Creative Commons CC-BY-SA 4.0.

 

2016-12-17

Feberhet gjæring

Noe av det mest spesielle med kveik er den høye gjæringstemperaturen, gjerne opp mot 40°C. De «vanlige» tommelfingerreglene sier at 20°C er normalt, 25°C er for høyt, 30°C er «altfor høyt», og 40°C må være en forveksling med Fahrenheit eller en annen feilskriving. Hvorfor gjærer kveiken så høyt?

Olav Vidvei kom med et interessant innspill etter foredraget om kveik. Det satte meg på en tankerekke jeg ikke vet om er korrekt, men som virker som en interessant tråd å nøste i. Utgangspunktet var at jeg viste en slide som bakgrunn for at jeg snakket om den høye gjæringstemperaturen, og hadde valgt et febertermometer som illustrasjon.

Slide #19: Kveik takler høy temperatur
Grafikk: Pixabay (Public Domain) og LibreOffice Impress.
Kveikens
tempområde
Gjennom foredraget brukte jeg kampen mot villgjær som gjennomgangstema og skisserte noen ulike strategier som basert på gjær:

  1. Kjølig gjæring, der man gjærer med undergjær på lave temperaturer, slik at det blir for kaldt for villgjæren, Dermed får undergjæren et forsprang. Det tar riktignok uker snarere enn dager å gjære ølet, men om holdbarheten er så god at det kan distribueres vidt og bredt, så er det økonomisk forsvarlig. Holdbart men dyrt er tross alt salgbart, mens billig og infisert ikke er det. Tenk tysk øl.

  2. Rendyrket gjær, basert på Emil Chr. Hansens isolering og rendyrking av gjær, der man sørger for at det ikke er villgjær i gjæren eller i andre ledd i prosessen, og dermed kan heller ikke det ferdige produktet inneholde villgjær.

  3. Drikk-det-fort, der man brygger, distribuerer og serverer ølet så raskt at det ikke rekker å opparbeide seg en merkbar infeksjon. Tenk britisk øl – selv om også britene har rendyrket gjæren sin, og rett nok var for eksempel porter for 200 år siden et øl med en viss villgjæring under en langvarig modningsprosess.

  4. Den «belgiske» metoden, der man bekjemper «slemme» bakterier ved å fremelske «gode» bakterier som kan utkonkurrere de slemme. Denne «gode» mikrobiologien gir i tilegg ofte ølet ekstra kompleksitet.

Dette er selvfølgelig en forenkling, men det er en visualisering av fire strategier for å bekjempe eller håndtere villgjæring og infeksjoner.

Hva så med norsk kveik som gjærer på 37-40°C. Er det bare en ekstrem-variant av drikk-det-fort-metoden? Jo, det er kanskje dét også. Og kveiken kan ha mikrobiologi som minner om den belgiske metoden. Men er det enda mer på gang her?

«Febertermometer» sa Olav og refererte til sliden min, «kanskje er nettopp dét svaret på den høye gjæringstemperaturen.» For hvis kroppen bekjemper infeksjoner og sykdommer ved å skru kroppstemperaturen opp i feberområdet 38-40°C, så kanskje man også kan bekjempe infeksjoner i gjæringskaret ved å gjære i samme temperaturområde?

Jeg må tenke litt mer på dét, men det er en interessant idé. Det forutsetter at ølgjæren takler en så høy gjæringstemperatur – og det gjør kveiken. Og det forutsetter at de relevante infeksjonene ikke takler opp mot 40°C – men det er upløyd mark for min del.

Dersom dette er en av nytteeffektene ved så høy gjæringstemperatur, så er kveiken det motsatte av undergjæren. Der undergjæren utkonkurrerer villgjæren fordi den mistrives på lave temperaturer, der utkonkurrerer isåfall kveiken villgjæren fordi den mistrives på høye temperaturer.

Da vil kveiken trolig fungere veldig greit på et digert temperaturområde under 37°C – hvilket vi jo ser – sålenge infeksjoner av andre grunner ikke er et problem. Konsekvensen vil også være at om man starter med ren gjær og moderne renhold og desinfeksjon, så går det greit på «vanlige» gjæringstemperaturer, men det er først når man nærmer seg 40°C at man får fullt utbytte av den høye gjæringstemperaturen.

Det er selvfølgelig andre ting på gang for å undertrykke infeksjoner, så som einerlog og humle. Det er heller ikke nødvendig at man dreper villgjæren helt og fullt med én teknikk. Det er tilstrekkelig at flere ulike faktorer tilsammen gir den så dårlige levevilkår at den ikke etablerer seg på en særlig merkbar måte. Litt forenklet: Undergjæring benytter lav temperatur. Engelsk ale-gjæring gjør det ved å være kjappe. Og kanskje norsk kveik gjør det det ved høy temperatur?

Tags: , , .
©2016 Anders Christensen <anders@geekhouse> - tilgjengelig under Creative Commons CC-BY-SA 4.0.

 
Melkesyrebakterier og temperatur - lagt inn av Lars Marius Garshol - 2016/12/18 12:53:48
Det er en interessant teori, så jeg bestemte meg for å kikke litt på den. Jeg fant et par artikler om temperaturtoleransen til melkesyrebakterier, og det ser ut som de foretrekker temperaturer på 45-50C. På 37C vokste de langsommere. Så dermed virker det som vanlig gjæringstemperatur på ca 20C er mye bedre om man vil ha øl som ikke blir infisert.
Ikke akkurat styrkende ... - lagt inn av Anders Christensen - 2016/12/18 15:43:23
Hmm. Det temperaturområdet styrker jo ikke akkurat teorien. Det er forsåvidt mye man kunne nøstet opp i, slik at det ville vært interessant å testet i en reell situasjon. Men for å kunne støtte teorien må man kunne peke på minst en bakterie som er relevant som infeksjon og som hemmes av dette temperaturspekteret i en typisk gjæringssituasjon. Rent intuitivt heller jeg vel også til at bakterier takler langt mer enn 40°C, i hvert fall utfra temperaturen i varmkomposten og hvordan mask kan spontangjære på temmelig høy temperatur.