#12. 에일과 라거 효모의 차이와 유전체 분석

12편. 에일과 라거 효모의 차이와 유전체 분석

구독자 님, 안녕하세요.

이번 Yeasty Letter에서는 효모 연구와 관련된 흥미로운 이야기와 함께 에일과 라거 효모의 차이에 대해 간단하게 소개하려고 합니다. 

맥즙 발효는 단순히 당을 에탄올과 이산화탄소로 전환하는 것을 넘어, 맥주 특유의 풍미와 향을 결정짓는 다양한 발효 산물을 만들어내는 복잡한 생화학적 과정입니다. 이 과정에서 맥즙 내에 존재하는 다양한 당류, 아미노산, 페놀 화합물 등이 효모에 의해 정교하게 분해되고 재조합되어 맥주의 최종 맛과 향에 큰 기여를 하죠. 

특히 맥주는 다른 발효 음료와 달리 사용한 효모를 회수하여 재사용할 수 있는 독특한 시스템을 갖추고 있습니다. 이 과정은 단순한 비용 절감을 넘어, 효모의 건강 상태와 유전적 안정성이 맥주의 최종 품질에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 철저한 관리가 필요합니다. 발효 과정에서 효모는 다양한 스트레스를 받으므로 양조사는 건강하고 활발한 상태를 유지할 수 있도록 정밀한 배양 관리와 환경 제어 기술을 적용해야 합니다. 

최근 수 년간 진행된 양조 효모의 생화학, 유전자 및 분자생물학 연구는 이 문제에 대해 과학적인 근거를 마련해 주었습니다. 예를 들어, 효모의 대사 경로에 대한 이해는 특정 발효 조건에서 어떤 화합물이 생성되는지, 그리고 이들이 맥주의 맛과 향에 어떤 영향을 미치는지를 밝혀내는 데 도움을 주었습니다. 또한, 유전자 발현 분석을 통해 효모의 스트레스 반응 및 재생 능력을 향상시키는 방법들이 제시되었으며, 이는 재사용 효모의 품질 유지에 결정적인 역할을 합니다.

결국, 맥즙 발효는 미생물학, 생화학, 분자생물학 등 다양한 과학 분야의 지식이 융합된 고도의 기술적 과정입니다. 양조사들은 이러한 과학적 연구 결과를 바탕으로 효모의 건강 상태를 면밀히 모니터링하고 최적의 발효 조건을 유지함으로써 매번 일관된 품질의 맥주를 생산할 수 있죠. 이처럼 정밀한 효모 관리와 지속적인 연구는 오늘날 우리가 즐기는 맥주의 뛰어난 맛과 안정성을 보장하는 핵심 요소라고 할 수 있습니다. 

[효모 연구의 두 가지 주요 목표]

1. 효모의 생화학 및 유전적 구성 이해

효모가 특정 환경에 노출되었을 때 어떤 변화를 겪는지, 여러 균주 간의 특성 차이가 무엇인지 파악하는 것이 중요합니다.

2. 효모 성능 개선 연구

이를 바탕으로, 맥즙 내 다양한 기질을 활용하는 능력, 에탄올 생산량 향상, 그리고 온도, 삼투압, 에탄올 등 환경 스트레스에 대한 내성을 강화하는 연구가 필요합니다. 더불어, 많은 양조사들이 관심을 가지는 효모의 응집 원리에 관한 연구도 활발히 진행되고 있습니다.

Gallone를 비롯한 여러 과학자들은 현재 산업에서 사용되는 효모들이(양조 및 증류 포함) 소수의 조상으로부터 유래한 5개의 하위 그룹으로 분류할 수 있다고 제안했습니다. 대규모 표현형 및 게놈 분석을 통해 국내 및 국지적으로 확산된 야생 균주의 복잡한 유전자 패턴을 확인함으로써, 균주의 스트레스 내성, 당분 활용 능력, 그리고 맛과 풍미에 대한 선택 폭을 넓힐 수 있었습니다.

[에일과 라거: 효모의 차이와 유전체 분석] 

이미 많은 분들이 알고 계시겠지만, 에일과 라거 맥주 생산에는 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. 가장 큰 차이는 에일과 라거 효모의 발효 온도와 균주 특성에 있습니다. 전형적인 차이점들이 아래와 같이 정리됩니다.

최근 분자생물학의 발전으로 에일과 라거 효모의 유전체 분석이 이루어졌습니다. 흥미롭게도, 이 분석을 통해 Saccharomyces pastorianus (라거 효모)가 S. cerevisiae (에일 효모)와 S. eubayanus 균주의 하이브리드, 즉 두 균주의 유전체가 섞인 잡종임이 밝혀졌습니다.

이 사실은 2011년 발표된 “Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast” 논문을 통해 처음 알려졌습니다.

해당 연구는 S. pastorianus가 이전에 알려지지 않은 종과 S. cerevisiae가 융합되어 형성되었으며, 이 과정에서 S. bayaus와 유전적으로 가까운 관계를 가진 균주가 현재 S. eubayanus로 명명되었다는 사실을 확인했습니다.

한때 S. eubayanus는 파타고니아의 숲에만 존재한다고 제안되었으나, 이후 티베트와 미국에서도 발견되었습니다. 원래 남미 파타고니아나 히말라야 등 추운 기후에서 서식하는 효모가 신대륙 탐험이나 실크로드를 통해 유럽에 전파되었을 가능성이 있으며, 와인과 빵 발효에 오랫동안 사용되어온 S. cerevisiae와의 교배를 통해 저온 발효에 적합한 라거 효모로 진화한 것으로 보입니다.

아르헨티나의 초기 연구 논문에서는 S. eubayanus의 유전체 서열 초안이 확인되었으며, 이 서열은 S. pastorianus 유전체 내 non-Saccharomyces cerevisiae DNA 조각과 99.5% 일치하는 것으로 나타났습니다. 이러한 정보는 에일 효모와 비교했을 때, 라거 맥주의 특성을 결정하는 맥즙 내 당분 및 황산염(Sulphate) 대사의 특정 변화를 암시할 수 있죠. 나아가, 최근 발표된 논문에서는 S. eubayanus의 모든 DAN 염기서열도 공개되었습니다.

맛있는 라거 맥주에 이처럼 흥미로운 뒷이야기가 숨겨져 있다니 정말 놀랍지 않으신가요? 

읽어주셔서 감사합니다. 

Written by. SB

참고 문헌.

1. Speers, A. Brewing fundamentals, Part 3: Yeast settling—Flocculation. Tech. Q. Master Brew. Assoc. Am. 2016, 53, 17–22.

2. Gallone, B.; Steensels, J.; Prahl, T.; Soriaga, L.; Saels, V.; Herrera-Malaver, B.; Merlevede, A.; Roncoroni, M.; Voordeckers, K.; Miraglia, L.; et al. Domestication and divergence of Saccharomyces cerevisiae beer yeasts. Cell 2016, 166, 1397–1410.

3. Stewart, Graham G. Beverages; Basel Vol. 2, Iss. 4,  (Dec 2016).

4. Pulvirenti, A.; Nguyen, H.-V.; Caggia, C.; Giudici, P.; Rainieri, S.; Zambonelli, C. Saccharomyces uvarum, a proper species within Saccharomyces sensu stricto. FEMS Microbiol. Lett. 2000, 192, 191–196.

5. Rainieri, S.; Zambonelli, C.; Kaneko, Y. Review Saccharomyces sensu stricto systematics, genetic diversity and evolution. J. Biosci. Bioeng. 2003, 96, 1–9.

6. Libkind, D.; Hittinger, C.T.; Valério, E.; Gonçalves, C.; Dover, J.; Johnston, M.; Gonçalves, P.; Sampaio, J.P. Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 14539–14544.

7. Bing, J.; Han, P.J.; Liu, W.Q.; Wang, Q.M.; Bai, F.Y. Evidence for a Far East Asian origin of lager beer yeast. Curr. Biol. 2014, 24, R380–R381.

8. Peris, D.; Sylvester, K.; Libkind, D.; Gonçalves, P.; Sampaio, J.P.; Alexander, W.G.; Hittinger, C.T. Population structure and reticulate evolution of Saccharomyces eubayanus and its lager-brewing hybrids. Mol. Ecol. 2014, 23, 2031–2045.

9. Baker, E.C.; Wang, B.; Bellora, N.; Peris, D.; Hulfachor, A.B.; Koshalek, J.A.; Adams, M.; Libkind, D.; Hittinger, C.T. The genome sequence of Saccharomyces eubayanus and the domestication of lager-brewing yeast. Mol. Biol. Evol. 2015, 32, 2818–2831.