Saccharomyces cerevisiae

For at forstå selve gæringsprocessen, er det meget vigtigt at have et godt kendskab til gærsvampen, Saccharomyces cerevisiae der blandt andet bruges til fremstilling af øl. Saccharomyces er latin og betyder sukkersvamp. Navnet henviser til organismens evne til at omdanne sukker til ethanol og carbondioxid. Ethanol (eller alkohol) er gærcellernes affaldsprodukt og har ingen videre værdi for cellerne.

 

Der findes mange forskellige gærarter, men det er kun enkelte , der bruges til ølbrygning. Det skyldes at gærarterne skal have nogle specielle egenskaber og producere nogle aromastoffer, der er særligt ønskede i øl. Et eksempel på en fremavlet gærstamme til ølbrygning er Saccharomyces carlsbergensis.

 

Den første del af dette afsnit vil udelukkende fokusere på S. cerevisiae. De gærstammer, der bruges til ølbrygning, er nært beslægtede med S. cerevisiae. De vil blive nærmere diskuteret sidst i afsnittet.

 

Gær er encellede eukaryotiske mikroorganismer. Det vil sige, at de er organiseret ligesom plante- og dyreceller med eksempelvis cellekerne, mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, golgiapparat osv., se Figur 1. Gærceller har en meget tyk cellevæg, der bl.a. består af glucaner og kitiner, hvilket gør cellerne meget robuste. De forskellige organeller i cellen varetager specifikke funktioner. I peroxisomerne foregår blandt andet nedbrydningen af fedtsyrer (også kaldet b-oxidation). Vakuolerne er vigtige organeller, der sometider fungerer som endestation for intracellulær trafik af proteiner. De indeholder blandt andet en masse uspecifikke proteaser til nedbrydning af proteiner. Desuden bruges de også til at opbevaring af visse aminosyrer.

 

Figur 1: Skematisk tværsnit af en gærcelle.

 

Gæren S .cerevisiae er normalt en diploid organisme ligesom mennesker og har 16 par kromosomer, det vil sige 32 kromosomer i alt. Ligesom det kan forekomme hos grønne planter, kan gær dog også formere sig vegetativt på det haploide stadium. Den har ca. 12 millioner DNA-nukleotidpar og 6200 proteinkodende gener (på den haploide form). Arvemassen er dermed kun ca. tre gange større, end den som colibakterien klarer sig med og 250 gange mindre end DNA-mængden i en human celle. Man kender ikke funktionen af en tredjedel af de 6200 gener.

 

S. cerevisiae er en chemoorganotrof, det vil sige en organisme, der opnår sin energi ved at oxidere (eller nedbryde) organiske kemiske stoffer. Disse stoffer er hovedsageligt sukre. Yderligere er S. cerevisiae en fakultativ anaerob, det vil sige, at den under de rette vækstbetingelser kan leve både aerobt og anaerobt. Under oxygenfattige forhold vil S. cerevisiae producere energi ved gæring (alkoholfermentering), det vil sige nedbryde sukker til carbondioxid, ATP og alkohol. Ved høje koncentrationer af glucose, kan gæring også foregå under aerobe forhold.

 

De fleste gærarter, der bruges i laboratoriet og i industrien, vokser bedst ved 20-30°C.

 

Gærs livscyklus

Når gær befinder sig i et miljø, hvor der er gode vækstbetingelser, formerer de sig ved knopskydning. Når knoppen har nået en vis størrelse, afsnøres den og efterlader et ar på modercellen. Ved afsnøringen kommer modercellen og dattercellen til at indeholde hver sin kerne med et identisk sæt kromosomer, se Figur 2.

 

Figur 2: Knopskydning af gær. Gæren er diploid, hvilket er illustreret ved angivelsen af kernen som de to halve cirkler.

 

Knopskydning starter på modercellen på et sted, som cellen vælger efter bestemte regler, således aldrig et sted, der har været brugt før. På Figur 3 viser et skanningsmikroskopisk billede gærceller, der er i gang med knopskydning og ar efter knopskydning.

Gærceller kan også blive ”gamle”, idet en gærcelle kun kan dele sig et vist antal gange. Det afhænger selvfølgelig af den specifikke gærart, men normalt siger man, at en gærcelle maksimalt kan knopskydes 25 gange.

 

Figur 3: Gærceller, hvor man kan se forskellige stadier af knopskydning og ar efter knopskydning.

 

I 1935 opdagede Øjvind Winge, som var professor ved Carlsberg Laboratoriums fysiologiske afdeling, at bagegær har køn. Det vil sige, at gær analogt til mennesker har en form for han- og hunkøn, der kaldes kønstype A og α; det gælder dog kun for haploiderne. Man kan ikke se forskel på A- og α-celler, men hvis vækstbetingelserne bliver dårlige (eksempelvis tørke, forhøjet temperatur eller lignende) bruger gærcellerne kønsdifferenteringen. De går over til kønnet formering og danner sporer. Sporerne er en form for overlevelsesmekanisme, der blandt andet sikrer, at gæren kan erhverve sig andre egenskaber, end dem der opnås ved spontane mutationer.

 

Figur 4: Saccharomyces cerevisiaes livscyklus. Paringstype a og a er illustreret med hhv. hvide og sorte cirkler. Diploide celler (3) sporulerer under visse sultbetingelser. Sporuleringen resulterer i dannelsen af fire haploide sporer der indesluttes i en sporesæk (5). Når næringsbetingelserne igen er rette, kan cellerne eksistere i en haploid fase (2 og 4). To celler med modsat parringstype kan mødes og danne en diploid gærcelle (1).

 

Ved knopskydning replikeres modercellens DNA, hvorefter der sker en mitotisk deling, således at modercellen og dattercellen kommer til at indeholde hver sin kerne med et identisk sæt kromosomer. Under visse sultbetingelser afløses den mitotiske deling af en meiotisk deling, som består af en DNA-replikation og to efterfølgende kernedelinger. Dette resulterer i fire haploide cellekerner, som indesluttes i hver sin spore, og som indeholder hver et sæt kromosomer. To af sporerene vil være af parringsstype a, og to vil være af parringstype α.

 

Når to celler af modsat parringstype mødes, vil der ske fusion af de to celler, hvorefter de to cellekerner sammensmeltes. Resultatet er en diploid gærcelle med to sæt kromosomer. Denne gærcelle kan nu knopskydes, hvis vækstbetingelserne er gode.

 

Ølgær

En interessant egenskab ved de fleste stammer af ølgær er, at det ikke eller kun i ringe grad danner sporer. Det er muligvis en grunden til, at egenskaberne af den gær, som bruges til ølbrygningen, ikke ændres i stor udstrækning. Dette er meget vigtigt, da øllet ellers eksempelvis kunne få en anden smag. På grund af gærs evne til at reproducere sig selv ved knopskydning (omtalt ovenfor under livscyklus), kan man blive ved med at opformere den samme gærstamme som en renkultur. Dermed kan man sikre en ensartet ølbrygning hver gang. Dette undnyttede man allerede fra slutningen af 1800-tallet, efter Emil Chr. Hansen, der var professor ved Carlsbergs Laboratoriums fysiologiske afdeling, isolerede enkelte celler af bryggerigær. Han udviklede en måde, hvorpå gær kunne rendyrkes, så man undgik vildgær i ølbrygningen.

 

Grundlæggende opdeles ølgær i to grupper, overgær og undergær. Ølbrygning med de to forskellige gærtyper adskiller sig fra hinanden på følgende måder:

 

Overgær stiger til op til overfladen under gæringen sammen med carbondioxidbobler, og danner et tykt gærlag på øllets overflade. Gæringen foregår ved 18-25°C, og under gæringsprocessen er det ikke alt maltsukkeret, der omdannes til alkohol og CO₂. Noget af maltsukkeret forbliver derved i det færdige bryg og giver en mere sød og fyldig øl. Yderligere giver den højere gæringstemperatur mere aroma i øllet, hvilket resulterer i en mere frugtagtig og aromatisk øl.

 

Undergær synker til bunds under gæringen, som foregår ved 10 til 16°C. Under processen omdannes næsten al maltsukkeret til alkohol og CO₂. Øllet bliver på den måde mindre fyldigt og får et mere rent og neutralt smagsbillede med en mindre kraftig aroma.

 

De to ølgærtyper er meget forskellige. Undergær kaldes Saccharomyces carlsbergensis og overgær kaldes Saccharomyces cerevisiae. Undergær har to typer af kromosomer. Den indeholder et eller to sæt, der minder om dem i S. cerevisiae og et eller to sæt der stammer fra Saccharomyces baynus. Den er således en artshybrid og kan genetisk beskrives som værende en permanent amfiploid. Overgær udgør derimod en mere divers mængde stammer, hvoraf de fleste er nært beslægtede med S. cerevisiae laboratoriestammer. En af de fysiologiske årsager til, at to gærtyper opfører sig forskelligt, er, at overgær har en forholdsvis hydrofob overflade, mens undergær har en mere hydrofil overflade. Overgær vil således i højere grad bindes til de carbondioxidbobler der stiger til vejrs under gæringen, således at gæren svæver op til overfladen. Undergæren vil i stedet bundfældes, når der ikke længere er flere forgærbare kulhydrater tilbage. Flertallet af de forskellige gærtyper, der bruges til ølbrygning, tilhører overgær, men størstedelen af øl gæres med undergær.

 

Undergær adskiller sig desuden i den klassiske systematik fra overgær, idet S. carlsbergensis har MEL-generne, der koder for enzymet melibiase (også kaldet α-galaktosidase). Melibiase nedbryder melibiose, der er et disakkarid bestående af galaktose og glukose. Der findes dog gærstammer, der har MEL-gener, men som i andre fysiologiske henseender samt i genomsekvens klart må regnes for S. cerevisiae.

 

Ekstra læsestof:

Carlsbergfondets årskrift 1980