Alle pilsgisten stammen af van één ‘oergist’

Pilsgist, het beroemde micro-organisme waar brouwers jaarlijks honderden miljarden liters pils en andere lagerbieren mee maken, is zo’n 500 jaar geleden ontstaan door een toevallige ontmoeting tussen twee gistsoorten. De giststammen waar tegenwoordig pils mee wordt gemaakt zijn allemaal terug te voeren tot dat moment. Dat concluderen onderzoekers van de TU Delft op basis van een uitgebreide DNA-analyse.

Lagerbier, ook wel pilsener genoemd, is de meest populaire alcoholische drank ter wereld. Elk jaar drinken we er zo’n 200 miljard liter van. Om pils te maken wordt brouwerswort gefermenteerd met de gist Saccharomyces pastorianus, in de volksmond ook wel ‘pilsgist’ genoemd. Dit micro-organisme zet de wortsuikers om in ethanol, de bekendste en meest voorkomende alcoholsoort, en voegt een reeks aromatische verbindingen toe die essentieel zijn voor de smaak van bier.

Spontane paring
Pilsgist is een hybride soort die zo’n 500 jaar geleden ontstond door een toevallige ontmoeting tussen bakkersgist (S. cerevisiae) en een wilde giststam, nu bekend als S. eubayanus. Destijds werd bier gemaakt met bakkersgist, op relatief hoge temperaturen van tussen de 15 en 25 graden. Waarschijnlijk belandde de wilde giststam bij toeval in het brouwsel van een nietsvermoedende biermaker. Door een spontane paring tussen de twee stammen ontstond de hybride pastorianus-soort, vernoemd naar Louis Pasteur. “Deze gist erfde van de wilde stam een belangrijke eigenschap, namelijk een tolerantie voor lage temperaturen”, aldus TU Delft-onderzoeker Arthur Gorter de Vries.

Gisting bij lage temperatuur met de nieuwe hybride soort verkleinde de kans op bacteriële besmettingen. Het resultaat was een biertje met een voorspelbare smaak: lagerbier, met pils als bekendste variant. De pastorianus-stammen die worden gebruikt voor de productie van pils worden tegenwoordig onderverdeeld in twee groepen: groep I en groep II. Hoewel genetici al wisten dat deze stammen het resultaat zijn van een paring tussen bakkersgist en de wilde giststam, was het tot nu toe niet mogelijk om vast te stellen of de groepen ontstonden door twee losstaande ontmoetingen, of door één enkele ontmoeting.

Gezamenlijke voorouders
De Delftse onderzoekers hebben nu aangetoond dat beide groepen van dezelfde voorouders afstammen. Na de toevallige ontmoeting tussen de bakkersgist en de wilde gist, een half millennium geleden, zijn brouwers de hybride soort op verschillende plekken in Europa intensief gaan gebruiken, en uiteindelijk zijn daarbij twee groepen ontstaan. Groep I werd in ieder geval door Carlsberg in Denemarken gebruikt, terwijl groep II elders in Europa populair werd, onder meer bij Heineken.

Dat de twee groepen pilsgist dezelfde oorsprong hebben, is niet meteen duidelijk als je naar hun DNA kijkt. De gisten in beide groepen hebben weliswaar twee kopieën van het wilde eubayanus-genoom, dat waarschijnlijk verantwoordelijk is voor de koudetolerantie. Maar wat het DNA van het bakkergist in de hybride soort betreft zijn er  grote verschillen. “Groep I beschikt over maar één bakkersgistgenoom, of eigenlijk zelfs minder dan één, want van bepaalde chromosomen ontbreken kopieën”, aldus Gorter de Vries. “Groep II heeft van de meeste chromosomen van bakkersgist juist twee of meer kopieën.” Blijkbaar is dit bakkersgist-DNA belangrijk voor het brouwen van bier, want vandaag de dag gebruiken brouwers bijna alleen groep II-gisten.

Slim algoritme
De onderzoekers kwamen er door uitgebreid genetisch onderzoek achter dat de gisten van de twee verschillende groepen dezelfde voorouders hadden. “Normaal gesproken vergelijken we genomen met elkaar door middel van een techniek die ‘phylogenetic network’ heet”, zegt Thomas Abeel, die ook bij het onderzoek betrokken was. “Het probleem met die methode is dat de rekenkracht die je nodig hebt om DNA-sequenties naast elkaar te leggen exponentieel toeneemt naarmate je meer sequenties met elkaar wilt vergelijken.”

Voor dit onderzoek was het noodzakelijk om een groot aantal genomen afkomstig uit groep I en groep II te vergelijken. Dat lukte doordat de Delftse onderzoekers een slim algoritme bouwden. Het algoritme was in staat om de enorme dataset aan erfelijk materiaal, afkomstig van een grote groep gisten die de onderzoekers hadden verzameld, te analyseren. “Dat stelde ons in staat om een genetische kaart van pilsgist te maken waarop we als het ware de data van een grote hoeveelheid giststammen uit de verschillende groepen konden leggen”, legt Abeel uit. Conclusie: één toevallige paring tussen twee gistsoorten heeft geleid tot alle pilsgisten die we nu kennen.

Grote spelers
De grote Europese brouwers zijn essentieel geweest voor het succes van de hybride soort. Eind 19^e eeuw en begin 20^e eeuw verspreidden enkele van deze brouwerijen, die het cultiveren van gist goed beheersten, gist over heel Europa. Ze hadden gecontroleerde ‘starterculturen’, waardoor ze keer op keer bier met dezelfde smaak en van dezelfde kwaliteit konden maken. De meeste brouwerijen hadden deze ‘geavanceerde’ technologie niet, en kochten daarom gistculturen van de innovatieve spelers.

De brouwerijen in kwestie zijn bekende namen: “Emil Christian Hansen van Carlsberg isoleerde in 1883 als eerste een groep-I-gist”, vertelt Gorter de Vries. “Een paar jaar later, in 1886, isoleerde Dr. Eduard Elion van Heineken enkele gisten van groep II. De twee groepen hebben zich daarna over de wereld verspreid.”

***

"Chromosome level assembly and comparative genome analysis confirm lager-brewing yeasts originated from a single hybridization", Alex N. Salazar, Arthur R. Gorter de Vries, Marcel van den Broek, Nick Brouwers, Pilar de la Torre Cortès, Niels G. A Kuijpers, Jean-Marc G. Daran and Thomas Abeel, BMC Genomics
DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-019-6263-3

Thomas Abeel
T.Abeel@tudelft.nl
015 27 85114

Jean-Marc Daran
J.G.Daran@tudelft.nl
015 27 82412

Arthur Gorter de Vries
arthurgorterdevries@gmail.com
06 – 37 22 62 04