ДНК из сыра, найденного рядом с мумией, рассказала об истории кефира

Потребление ферментированных молочных продуктов имеет долгую историю: например, народы Средиземноморья начали производить сыр за 7000 тысяч лет до нашей эры. Эти технологии стали важным вкладом в материальную культуру и оказали большое влияние на историю и образ жизни человека. Ферментация позволяла дольше сохранить богатый белком продукт; ферментированная пища, обогащенная пробиотическими микроорганизмами, таких как Lactobacillus, и полезными органическими соединениями формировала здоровую микробиоту кишечника.

К сожалению, ранние этапы этих практик изучены плохо. Между тем исследование геномов древних микроорганизмов, используемых для ферментации, может дополнить информацию, получаемую из древней ДНК человека, — дать сведения не только о том, какие породы животных были одомашнены, но и о том, как распространялись технологии приготовления ферментированных продуктов. Группа китайских ученых получила высококачественные последовательности геномов бактерии Lactobacillus kefiranofaciens из трех древних образцов сыра возрастом около 3500 лет, найденных в могильнике Сяохэ (Синьцзян-Уйгурский автономный район Китая). В то время население региона занималось как земледелием и скотоводством, так и охотой. PCR.NEWS писал о геномах «таримских мумий» — людей бронзового века из Сяохэ.

Кусочки, лежавшие на шее мумифицированных людей, по белковому составу были идентифицированы как кефирный сыр. Кефир делают из молока с использованием кефирных зерен (полисахаридной и белковой массы, в которой инкапсулированы ферментирующие микроорганизмы, прежде всего лактобактерии и дрожжи), а кефирный сыр получают из него отцеживанием сыворотки.

Чтобы извлечь всю возможную информацию из древней ДНК, ее исследовали различными методами. Авторы отдельно проанализировали митохондриальную ДНК (мтДНК) млекопитающих, что дало возможность определить животное, от которого было получено молоко. Для анализа всего микробиома использовали шотган-секвенирование. Кроме того, специально разработали олигонуклеотидные зонды для захвата ДНК Lactobacillus kefiranofaciens, что позволило провести полный анализ генома этой бактерии, которая встречается только в кефире и кефирном сыре — ее история интересовала исследователей в первую очередь.

МтДНК в сыре принадлежала как козам, так и коровам, но коровьей было менее 1%. Авторы предположили, что сыр делали как из коровьего, так и из козьего молока, но не смешивали их, а сквашивали поочередно в одной емкости. Они отметили, что для местного населения характерна генетическая непереносимость лактозы, а ее содержание в сыре существенно снижено по сравнению с молоком. Митохондриальный геном козы на филогенетическом дереве древних и современных коз группировался вместе с образцами из Европы и Центральной Азии неолита, медного и бронзового веков. Интересно, что другие древние образцы из Восточной Азии принадлежали к другому кластеру, то есть домашние козы Древнего Китая имели разное происхождение.

Метагеномный анализ микробного сообщества кефирного сыра выявил присутствие двух видов, обычно встречающихся в современных кефирных зернах, L. kefiranofaciens и Lactobacillus helveticus. Также в одном из образцов обнаружены геномные последовательности нескольких десятков видов дрожжевых грибков, из них для кефирных зерен типичны Pichia kudriavzevii и Kluyveromyces marxianus.

Геномы L. kefiranofaciens реконструировали после обогащения из всех трех образцов сыра, но только для двух удалось получить покрытие, достаточно высокое для филогенетического анализа.

Авторы построили филогенетическое древо с использованием двух своих штаммов и 15 современных, из разных регионов Европы и Азии. Штаммы образовали две клады, которые авторы обозначили как два подвида: L. kefiranofaciens subsp. kefiranofaciens и L. kefiranofaciens subsp. kefirgranum. К первому принадлежали реконструированные древние штаммы из Сяохэ, а также тибетские штаммы и два штамма из Восточной Азии, ко второму — штаммы из Европы, прибрежной Восточной Азии и островов Тихого океана (Тайвань, Япония, Сингапур и Гуандун).

Чтобы сделать кефир, нужно получить от кого-то кефирные зерна для закваски, поэтому L. kefiranofaciens служат идеальным маркером, отмечающим историю распространения этого напитка. Структура первого кластера указывает на взаимодействие популяций Синьцзяна и Тибета и возможное распространение кефира из Синцзяна во внутренние районы Восточной Азии. А то, что европейские штаммы и штаммы тихоокеанского побережья Азии находятся в одном кластере, свидетельствует в пользу теории о проникновении кефира с Северного Кавказа в Европу и в прибрежные районы Юго-Восточной Азии.

Распространение ферментирующих бактерий, связанное с миграциями и взаимодействиями людей, определяло ход эволюции штаммов Lactobacillus. Авторы сравнили аннотацию геномов древнего штамма с наиболее глубоким покрытием и нескольких современных штаммов. Обнаружилось несколько регионов горизонтального переноса генов. Два региона содержали гены, связанные с ослаблением воспалительных реакций кишечника, что могло сыграть ключевую роль в распространении именно этих кефирных зерен, когда люди замечали их полезные свойства. Сравнение древних бактерий L. kefiranofaciens с современными выявило поздние траектории эволюции: устойчивость к стрессу (к антибиотикам) за счет приобретения транспортеров, выкачивающих токсичные молекулы из клетки, усиление защиты от фагов (системы «токсин-антитоксин» и др.) и адаптация поверхности бактериальной клетки для взаимодействия с хозяином.

«Взаимодействие человека и микробов всегда завораживает, — говорит первый автор статьи Лю Ичэнь. — Ферментативные микробы играли такую важную роль в повседневной жизни этих древних людей, и они размножали эти микробы на протяжении тысяч лет, большую часть времени не зная об их существовании».

Мутация, позволяющая взрослым усваивать молоко, распространилась в Европе в последние 3000 лет