Comprimir 500 años de domesticación en un año de evolución experimental. Ese es el gran logro de un equipo multidisciplinario de investigación de la UACh, PUC, USACH, iBio y CAPES que aisló, estudió, modificó y propagó levaduras provenientes de bosques de Nothofagus en la Patagonia chilena, para fermentar cerveza e hidromiel.
Los bosques de la Patagonia son lugares rebosantes de una biodiversidad que aún no ha sido totalmente explorada. Investigadores e investigadoras de distintas disciplinas los recorren año tras año desenterrando su pasado, contando su presente, y vislumbrando su futuro. Entre los descubrimientos realizados los últimos años está, por ejemplo, que los bosques de árboles del género Nothofagus, tales como lenga, coigüe o ñirre, son un reservorio natural de levaduras fermentativas adaptadas al frío.
Otro equipo de científicos, en cambio, se ha dedicado a recolectar muestras de estas levaduras desde las cortezas de lengas y coigües, las han llevado a sus laboratorios, y hoy están trabajando en describir sus propiedades, las cuales pueden ser útiles para producir bebidas fermentadas.
En el estudio “Identification of new ethanol-tolerant yeast strains with fermentation potential from central Patagonia“, los autores Pablo Villarreal, Pablo Quintrel, Sebastián Olivares-Muñoz, José Ruiz, Roberto Nespolo y Francisco Cubillos, caracterizaron la diversidad genética y fenotípica de levaduras obtenidas en la Patagonia Central Chilena, además de analizar su potencial fermentativo en diferentes condiciones. Conversamos con Roberto Nespolo, académico del Instituto de Ciencias Ambientales y Evolutivas de la Universidad Austral de Chile, investigador de CAPES, y director del equipo valdiviano que ha estado trabajando con estas especiales levaduras australes.
Levaduras del frío
Las levaduras son hongos unicelulares que viven en colonias muy numerosas y diversas, algunas de ellas son capaces de fermentar, que en palabras sencillas es “comer azúcares y transformarlas en etanol, dióxido de carbono y metabolitos secundarios”. En la industria cervecera se utilizan algunas pocas cepas de levaduras, como la Saccharomyces pastorianus, responsable del 95% de la producción de cerveza tipo lager.
En la investigación, publicada en la revista Yeast, se caracterizaron 5 tipos nuevos de levaduras: Saccharomyces eubayanus, Saccharomyces uvarum, Lachancea cidri, Kregervanrija delftensis y Hanseniaspora valbyensis, todas encontradas en los bosques patagónicos del sur de Chile.
Pero, ¿por qué estas levaduras crecen asociadas a bosques de Nothofagus? “No lo tenemos claro y es una de las preguntas de investigación”, nos cuenta Nespolo, “tenemos la hipótesis de la criotolerancia, que plantea que estas levaduras toleran el frío extremo de esta zona, la llamada tree-line, o zona límite de crecimiento de los árboles en la cordillera. En Chile este umbral va más o menos entre los 2000 y 800 metros a medida que avanzas en latitud. Entonces, si bien en verano podrían proliferar otras especies (por ejemplo, S. cerevisiae, la levadura del pan y el vino), las temperaturas bajo cero del invierno seleccionan a las criotolerantes”.
Profundizando en este tema, el también investigador de iBio menciona otro proyecto colaborativo preparado junto a sus colegas Francisco Cubillos (genetista microbiológico de la USACh) y Frida Piper (ecofisióloga vegetal de la U. de Talca), que investigaría la posible asociación especie-específica entre las levaduras y determinadas especies de árbol, que en el treeline patagónico está compuesto por los Nothofagus adaptados al frío: la lenga (N. pumilio), el coigüe (N. dombeyi) y el ñirre (N. alpina). “La Dra., Piper”, relata, “ha mostrado que estas especies leñosas almacenan almidón en el tejido interno de la corteza (Rosell et al. 2021), lo cual, creemos, representa un refugio invernal para estas levaduras del frío. (Nespolo et al. 2020). De hecho, creemos que todo el ecosistema alpino depende de la capacidad de almacenamiento de los Nothofagus de altura”.
Domesticando levaduras
Podemos entender por “domesticación” las modificaciones genéticas, morfológicas y/o fisiológicas que son provocadas por los seres humanos en otros organismos, normalmente para su beneficio. “Para los biólogos esto no es otra cosa que un caso de selección artificial: la selección natural que ocurre cuando el ser humano es el factor de selección, por ejemplo, en animales de compañía como gatos y perros, donde la domesticación ocurrió como respuesta a la selección en contra de la agresividad, lo cual permitió que se volvieran mansos con el tiempo”, acota el investigador.
En el caso de la cerveza, la domesticación de la levadura S. pastorianus ocurrió hace unos 500 años, en Europa, como respuesta al ambiente enriquecido con alcohol de las fermentaciones en tanques, volviéndolas cada vez más tolerantes al etanol. Para el caso de S. eubayanus, el equipo liderado por el investigador argentino Diego Libkind demostró hace unos años que esta cepa es el ancestro original de la levadura europea. Nespolo señala que “utilizando ‘evolución experimental’, es decir, aplicando selección artificial en el laboratorio, pudimos emular la domesticación de esta levadura en un año”.
Durante dicho período, Wladimir Mardones, posdoctorante del laboratorio de Francisco Cubillos, transfirió diariamente levaduras de un tubo a otro y contó el número de células que proliferaban en tubos control, por un lado, y en tubos ambiente enriquecido por alcohol, por otro. “Encontramos que la levadura silvestre mejoró su desempeño en este ambiente selectivo, y desarrolló características genéticas y fisiológicas similares a las de la levadura doméstica S. pastorianus” señala Nespolo. “O sea, logramos “comprimir” 500 años de domesticación, en 1 año de evolución experimental” (Mardones et al. 2021).
De este modo, los investigadores lograron aplicar un método natural para mejorar genéticamente una especie de microorganismo de interés comercial, lo que Nespolo denomina “un ejemplo de libro de ‘evolución en tiempo real’, que en este caso generó ‘domesticación en cámara rápida’”. Además, el equipo pudo establecer el curso temporal del proceso de adaptación, y ésto, de manera muy interesante «porque partimos con una mezcla ‘panmictica’ de 30 cepas diferentes en un tubo, y al cabo de 300 generaciones de selección ganó la mejor, que es la cepa actualmente mejorada. Lo increíble es que a las 180 generaciones aproximadamente, había cinco cepas ganadoras, y la que dominó finalmente no era la más abundante en ese momento. Es decir, el proceso evolutivo es muy idiosincrático”.
Sabores australes
Las levaduras del tipo Saccharomyces poseen, en general, propiedades ventajosas para la fermentación en comparación con otras levaduras no convencionales, que incluyen períodos cortos de fermentación, bajos niveles de sabores desagradables, consumo eficiente de fuentes de carbono y nitrógeno y producción rápida de etanol. Las levaduras silvestres son capaces, además, de entregar características únicas a las cervezas que son producidas con ellas. “Hemos detectado que poseen aromas frutales, un perfil ‘fenólico’ que le da un gusto característico muy distinto de otras cervezas. La cerveza queda con un sabor que recuerda a algunas cervezas de trigo o belgas, muy agradable al paladar sobre todo si se toma bien fría”, explica Roberto.
Los resultados de este estudio muestran la tremenda capacidad fermentativa de las levaduras resistentes al etanol de la Patagonia, pertenecientes a Saccharomyces y otros géneros no tradicionales. En especial, se identificó a L. cidri como la candidata más destacada e innovadora para fermentar vino e hidromiel, con la ventaja de que no requiere suplementos nutricionales para una fermentación exitosa. Además, S. eubayanus y S. uvarum son los mejores candidatos para fermentar medios azucarados complejos, como el mosto de cerveza, a diferentes temperaturas.
El equipo de trabajo ampliado ya ha tenido éxito con la cepa Saccharomyces eubayanus para producir cerveza en Valdivia, como lo demuestra el lanzamiento de ‘Lenga’ en 2020, la primera cerveza artesanal de Chile realizada con levaduras nativas. ¿Probarán con Lachancea cidri para producir hidromiel y vino? “Estamos en eso, con fermentaciones de laboratorio de hidromiel”, adelanta Roberto Nespolo, “sorprendentemente, L. cidri fermenta mejor que todas las levaduras silvestres que hemos probado hasta ahora, incluyendo S. eubayanus. Esto lo hemos probado en el contexto del proyecto Fondecyt de Francisco Cubillos, en que soy co-investigador, y con la ayuda de nuestro ingeniero jefe José Ruiz, en mi laboratorio de la UACh. Todo esto lo hacemos en el marco del proyecto FIC-R sobre levaduras nativas de Los Ríos”.
Los esfuerzos de bioprospección en los bosques patagónicos están bien encaminados, las lengas y coigües pueden ampliar el catálogo actual de levaduras para la fermentación, entregando sabores y aromas únicos de Chile austral.
Referencias
Libkind, D., C. T. Hittinger, E. Valerio, C. Goncalves, J. Dover, M. Johnston, P. Goncalves, and J. P. Sampaio. 2011. Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108:14539-14544.
Mardones, W., C. A. Villarroel, V. Abarca, K. Urbina, T. A. Pena, J. Molinet, R. F. Nespolo, and F. A. Cubillos. 2021. Rapid selection response to ethanol in Saccharomyces eubayanus emulates the domestication process under brewing conditions. Microbial Biotechnology.
Nespolo, R. F., C. A. Villarroel, C. I. Oporto, S. M. Tapia, F. Vega, K. Urbina, M. De Chiara, S. Mozzachiodi, E. Mikhalev, D. Thompson, P. Saenz-Agudelo, G. Liti, and F. A. Cubillos. 2020. An Out-of-Patagonia dispersal explains most of the worldwide genetic distribution in Saccharomyces eubayanus. Plos Genetics https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008777. Rosell, J. A., F. I. Piper, C. Jimenez-Vera, P. C. B. Vergilio, C. R. Marcati, M. Castorena, and M. E. Olson. 2021. Inner bark as a crucial tissue for non-structural carbohydrate storage
Texto: Comunicaciones CAPES
Fotos: Roberto Nespolo