Uno de los esfuerzos humanos más antiguos y exitosos es la fermentación del almidón procedente de algún cereal para crear un líquido rico en etanol. En otras palabras, la fabricación de cerveza. El elemento clave de este proceso es la levadura, un hongo unicelular que hace un trabajo crucial para los cerveceros. Su papel es tan importante que los fabricantes de cerveza han aprendido a recoger la levadura del líquido fermentado y reutilizarla en la siguiente ronda. Este truco, llamado "reutilización o repitch de la levadura", ahorra tiempo y dinero.

Sin embargo, después de varias generaciones, la calidad de la levadura empieza a disminuir. Esto dificulta la fermentación e introduce sabores que arruinan la cerveza. Pero, ¿por qué pasa esto? Este problema con el repitch de la levadura supone un quebradero de cabeza para fabricantes de cerveza y  biólogos celulares. Claramente, hay algo en el proceso de la fermentación que provoca que las nuevas generaciones de levadura tengan una menor capacidad de fermentación. Pero, ¿el qué?

La investigadora del Grupo de Investigación de Levadura de Cerveza de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (Brasil) Bianca Telini y sus colegas nos ofrecen algunas ideas interesantes sobre este tema. El equipo cree que el etanol en sí mismo puede ser responsable de ese cambio, porque en altas concentraciones crea un tipo de estrés para las células de levadura que altera el funcionamiento de su maquinaria molecular. Y afirman que una mejor comprensión de este proceso podría ayudar a mejorar la cerveza.

Primero algunos antecedentes. Los biólogos celulares saben desde hace tiempo que la fermentación disminuye a medida que aumenta la concentración de etanol. Es por eso que la fermentación no puede producir líquidos con un contenido de alcohol superior al 20 %.

El etanol en concentraciones muy altas mata a la levadura. Pero la producción de cerveza ocurre en concentraciones bastante más bajas, en las que el etanol simplemente estresa a las células, igual que las temperaturas elevadas. Una teoría de por qué la levadura se vuelve menos efectiva después de varias generaciones de repitch es que la fermentación selecciona las levaduras más tolerantes al etanol y, de alguna manera, las de de menor calidad.

El problema con esta teoría es que no hay pruebas que la respalden. En 2007, los investigadores buscaron cambios genéticos en la levadura tipo ale de repitch durante todo un año. Pero después de 98 generaciones, no encontraron evidencias de cambios genéticos en la levadura. Los descendientes de la levadura eran genéticamente idénticos a sus antepasados.

Entonces, si la levadura no está "evolucionando", debe haber otro responsable del deterioro de la fermentación. La pregunta es cuál.

Durante milenios, los organismos han desarrollado diversos y complejos mecanismos bioquímicos para hacer frente a los factores que los estresan. Por ejemplo, las células vegetales (y otras células) reaccionan a temperaturas elevadas con lo que se conoce como respuesta al choque térmico. El estudio de esta respuesta se ha convertido en un área de intensa investigación para los científicos que esperan desarrollar cultivos capaces de florecer en climas más cálidos.

Entre sus conclusiones, destaca que la respuesta al choque térmico hace que la célula empiece a producir máquinas moleculares llamadas chaperonas que ayudan a combatir los efectos de las temperaturas elevadas. El calor tiende a cambiar la forma de las proteínas y, por lo tanto, su función. Las chaperonas mitigan este proceso al prevenir o revertir el plegamiento de proteínas.

La respuesta al choque térmico es un proceso complejo porque las células son capaces de producir miles de proteínas diferentes. Pero solo un subconjunto de ellas se expresa en cualquier instante, y los subconjuntos difieren dentro de cada orgánulo en la célula. Por lo tanto, mantener la función de estas proteínas (proteostasis) requiere un complejo mecanismo de señalización que activa los genes relevantes en cada orgánulo. Este proceso de conmutación se debe coordinar en toda la célula, ya que los orgánulos dependen unos de otros.

El proceso de comunicación y coordinación se llama respuesta de orgánulos cruzados, o CORE, y no está muy clara. Pero se está convirtiendo en una importante y emergente área de la biología celular: los biólogos empiezan a darse cuenta de que la CORE desempeña un papel crucial no solo en la respuesta al choque térmico sino también en el metabolismo en general, e incluso en procesos como el envejecimiento.

La idea clave que Telini y sus colegas han analizado consiste en que el etanol induce un proceso similar al choque térmico, y que esta "respuesta al choque de etanol" también debe estar estrechamente relacionada con la CORE. Su hipótesis es que esto reduce de alguna manera la vitalidad de las células de levadura durante el proceso de repitch. Pero aún no está claro cómo ocurre.

Una posibilidad podría residir en las chaperonas moleculares en la levadura, que ayudan a garantizar que las proteínas se plieguen en la forma correcta. Pero su acción puede provocar cambios estructurales en el propio genoma. Por lo tanto, una alta concentración de etanol no cambia el código genético o el fenotipo de la levadura, pero puede alterar la forma del genoma y, en consecuencia, su funcionamiento.

Los organismos de levadura que se reciclan durante el proceso de repitch viven en un mundo alcohólico, literalmente nadan en alcohol. De hecho, tanto ellos como sus descendientes pasan toda su vida bajo un nivel de estrés alcohólico que les provoca una respuesta al choque constante.

Eso significa que sus células están llenas de chaperonas que trabajan horas extras para mantener la función proteica. La nueva teoría es que esto inevitablemente reduce la vitalidad de la levadura. De hecho, los investigadores han descubierto que la levadura mantenida en altos niveles de etanol en un laboratorio acaba presentando cambios en la estructura de su genoma. Tienen el mismo código genético, pero la forma de su ADN es diferente. En el laboratorio, esto se hace evidente tras más de 250 generaciones.

No se sabe exactamente cómo sucede esto. Tampoco está claro por qué tiene impacto después de un gran número de generaciones, pero no antes. "Queda por determinar el impacto de este mecanismo en la fermentación de la cerveza", concluye Telini.

Pero eso plantea importantes cuestiones para los biólogos celulares. Incluso podría darnos pistas sobre otros procesos misteriosos, como el envejecimiento. De ahí el interés de Telini y sus compañeros: "Una mejor comprensión de la red CORE en el contexto de la fermentación de la cerveza y / o el estrés del etanol nos permitirá mejorar diferentes aspectos de la elaboración de la cerveza, lo que finalmente mejorará la producción y la calidad de la cerveza".

¡Y quién no quiere eso!

Ref: arxiv.org/abs/1910.03927: Does Inter-Organellar Proteostasis Impact Yeast Quality And Performance During Beer Fermentation?