Почти девять тысяч лет назад, примерно в то время, когда люди впервые начали одомашнивать кукурузу и свиней, некоторые жители Китая приручали грибы. Один из них — плесень Aspergillus oryzae (кодзи) — впоследствии стал кулинарной суперзвездой. Благодаря ферментации сырых ингредиентов, таких как соевые бобы или рис, A. oryzae помогает получать соевый соус, саке и некоторые другие традиционные азиатские блюда. Он расщепляет белки и крахмалы, чтобы другие микробы могли завершить процесс брожения. Но эта плесень не всегда была такой полезной. Дикорастущая разновидность плесени выделяет сильнодействующие токсины, которые способны отравить потребителя и привести к раку печени и других органов. Кроме того, это разрушительный сельскохозяйственный вредитель, ежегодно наносящий ущерб в миллионы долларов арахису и кукурузе. Что изменилось? Непрерывные исследования показывают, как грибок превратился из опасной и токсичной плесени в превосходный инструмент пищевой биотехнологии, который процветает в условиях, созданных человеком. По мере изучения плесени кодзи ученые узнают больше о загадочном процессе одомашнивания микроорганизмов в целом. Специалист по микробной геномике Джон Гиббонс из Массачусетского университета в Амхерсте пояснил, что можно увидеть разницу между собаками и волками, кукурузой и ее древним предком теосинте, но не между микробами, так как изменения происходят в метаболизме. Мастер-ферментер Aspergillus oryzae относится к семейству грибов более крупной группы, известной как синяя и зеленая плесень. Около 40% ее видов относятся к роду Aspergillus, названному из-за тонких стеблей и пушистых кончиков спорообразующих структур, напоминающих аспергилл (кропило) — разбрызгиватель святой воды. В роде есть несколько известных представителей, в том числе промышленные виды, которые производят лекарства или ферментируют пищевые продукты. Плесень кодзи является основой соевого соуса. На первом этапе производства соуса A. oryzae используют вместе с соевыми бобами и пшеницей, при производстве саке эта плесень перерабатывает рис. Ее пищеварительные ферменты — протеазы и амилазы — расщепляют белки и крахмалы на более простые молекулы, которые впоследствии будут сбраживаться дрожжами. По словам микробиолога Бенджамина Вулфа из Университета Тафтса, кодзи «пахнет чудесной смесью грибов и грейпфрута, а также немного отдает кислым». Другие виды Aspergillus представляют угрозу — среди них Aspergillus flavus. Плесень производит сильнодействующие яды афлатоксины, которые при попадании в организм метаболизируются печенью в соединения, повреждающие ДНК и иным образом нарушающие функционирование клеток. Грибок поражает кукурузу, пшеницу, маниоку, перец чили, арахис, рис, кунжут и другие сельскохозяйственные культуры. Он способен навредить как до сбора урожая, так и при хранении или транспортировке. Токсины могут даже загрязнять молоко животных, питающихся испорченным кормом. Несмотря на различные меры борьбы, спорадические вспышки афлатоксина отравляют и убивают людей и домашних животных по всему миру. Ученые давно признали, что опасный A. flavus и пищевой ферментер A. oryzae являются очень близкими родственниками: они могут казаться идентичными по цвету и текстуре или сильно отличаться друг от друга, что затрудняет их распознавание. Раннее изучение их ДНК показало поразительное сходство, а в 1998 году исследование нескольких генов каждого гриба определило, что A. oryzae эволюционировал в результате одомашнивания опасного A. flavus. Но A. oryzae не вырабатывает афлатоксин и уже тысячи лет безопасно используется в качестве пищевого ферментера. Теперь ученые начали выявлять специфические изменения, которые привели к серьезной перестройке метаболизма плесени. Ключевая генетическая делеция Ученые уже давно стремились получить генетические доказательства того, что A. oryzae не может вырабатывать афлатоксин, чтобы убедиться в ее безопасности для ферментации пищевых продуктов. За прошедшие годы они задокументировали многочисленные крупные и мелкие разрушительные изменения в кластере из более чем двух десятков генов, которые предок грибка использовал для производства токсина. Например, в исследовании 2021 года ученые из США, Китая и Южной Кореи сравнили геном A. oryzae 14160 (промышленного штамма из Китая), с геномом A. oryzae RIB40 (штамм, который был секвенирован в 2005 году). В отчете, опубликованном в научном журнале, команда обнаружила, что более половины кластера генов афлатоксина были удалены в штамме 14160, в то время как штамм RIB40 имеет мутации в ключевых генах. Но от штамма к штамму в кластере генов афлатоксина постоянно появлялась одна делеция (хромосомная перестройка с потерей участка хромосомы). Это открытие позволило предположить, что в какой-то момент штамм дикой плесени A. flavus подвергся делеции, которая сделала его безвредным. После этого другие генетические изменения — мутации, делеции и другие — свободно накапливались в генах афлатоксина, поскольку они больше не использовались. Одомашнивание гарантировало бы сохранение признака безвредности, потому что афлатоксин — защитное соединение, которое плесень использует для уничтожения других микробов. Поскольку другие микроорганизмы, в частности дрожжи, участвуют в процессе ферментации для приготовления соевого соуса или сакэ, эффективными могут быть только те ферментации, в которых отсутствуют токсины аспергилл, уничтожающие дрожжи. А в тепличной домашней среде токсины все равно не играют важной роли. «У вас всегда есть действительно стабильный источник пищи и больше нет смысла производить защитные химикаты, потому что еды хватит на всех», — пояснил Гиббонс. Он также добавил, что потеря способности вырабатывать афлатоксин, вероятно, привела к тому, что грибок стал активнее усваивать крахмал. Это связано с тем, что производство защитных химикатов обходится дорого. Если плесень теряет способность вырабатывать токсины, это экономит много энергии, которую она способна направить на основной обмен веществ, например, на переваривание крахмалов, сахаров и белков. Одомашнивание A. oryzae могло произойти очень быстро, если бы не исследования вида Penicillium — еще одной известной плесени из семейства Aspergillus. Считается, что Penicillium camemberti, вид грибов, который отвечает за белую кожуру и характерный запах сыров камамбер и бри, произошел от P. commune, темно-пигментированного вида, продуцирующего токсины и обладающего затхлым запахом. Когда группа микробиолога Вулфа взяла дикий штамм P. commune и другой несырьевой штамм Penicillium и последовательно выращивала их на сыре, всего через восемь поколений (в течение нескольких недель) дикие штаммы проявили признаки одомашнивания. Оказалось, что способность плесени вырабатывать пигмент и токсины снизилась. В то же время она утратила свой затхлый запах, приобретя маслянистые, сырные ароматы, характерные для одомашненных родственников. Человеческий фактор при ферментации Микробиолог-генетик Кевин Ферстрепен из Лёвенского университета в Бельгии считает, что при рассмотрении этапов приручения плесени кодзи полезно знать о взаимосвязи ферментации и эволюции человека. Например, легко представить, как древние гоминиды ели фрукты, обработанные дрожжами и сброженные в алкогольное пюре, и как позже люди оценили достоинства таких фруктов — от воздействия на сознание до дезинфицирующих свойств. В случае с Aspergillus споры постоянно перемещаются по воздуху (согласно оценкам исследователей, мы вдыхаем до 200 спор в день) и их количество будет расти под воздействием тепла и влаги. Недавняя реконструкция генеалогического древа Aspergillus, проведенная биологом-эволюционистом Антонисом Рокасом из Университета Вандербильта, позволяет предположить, что A. flavus и версия его одомашненного аналога (A. оryzae) в последний раз имели общего предка примерно 3,8 миллиона лет назад. A. oryzae от природы любит рис, и разновидности A. flavus, которые не вырабатывали афлатоксин, вероятно, присутствовали на растениях дикого риса и употреблялись древними людьми. С появлением земледелия в эпоху неолита, около 12 тысяч лет назад, одомашнивание стало широко распространенным явлением. Когда люди объединились в общины и начали регулярно выращивать зерновые культуры и содержать животных, возможно, впервые в истории появился избыток зерна, молока или мяса. Ферментация позволила сохранить продукты после сбора урожая и продлить срок их хранения. «Одним из лучших примеров является сырое молоко — оно портится примерно через день при комнатной температуре, — пояснил Гиббонс. — А если заквасить его для получения твердого сыра, вы сможете носить его с собой в кармане при комнатной температуре в течение месяца». Ранний пример намеренного сбраживания продуктов (скорее всего, с использованием Aspergillus) можно найти в неолитическом поселении Цзяху в провинции Хэнань в Китае. Там обнаружили артефакты, свидетельствующие о выращивании риса. В 2004 году группа исследователей сообщила, что на глиняных черепках с этого места нашли остатки ферментированного напитка из риса, меда и фруктов, напоминающего рисовое вино или «протосаке». Ученые также изучили остатки в сосудах в двух других стоянках в Китае (периода раннего неолита) и обнаружили следы грибов, в том числе тех, которые поразительно похожи на плесень кодзи. Намеренная ферментация с использованием A. oryzae, скорее всего, происходила еще 2300 лет назад: плесень упоминается в древнекитайском тексте «Чжоули» («Обряды династии Чжоу»), датируемом 300 годом до н.э. Некоторое время спустя люди начали разводить A. oryzae на приготовленном на пару рисе, затем его споры отделяли от зерна с помощью шелкового сита и высушивали для использования по мере необходимости. Существует множество выведенных штаммов, которые люди могут заказать в зависимости от своих конкретных потребностей в ферментации. Но в течение долгого времени вокруг существовало неограниченное разнообразие штаммов A. oryzae/A. flavus с исчезнувшими генами токсинов и разной способностью переваривать крахмал, и лишь по счастливой случайности они оказались в вашем соевом соусе или саке. По материалам статьи «From toxic fungus to soy sauce superstar» Knowable Magazine