Pocos productos de consumo cotidiano compiten con el vino en historia, en valor cultural y social, en relevancia económica y, sí, también en su interés como objeto de estudio de la bioquímica. La definición de vino según el Diccionario de la Real Academia Española otorga este nombre al licor alcohólico que se hace del zumo de las uvas exprimido, y cocido naturalmente por la fermentación y también al zumo de otras plantas o frutos que se cuece y fermenta al modo del de las uvas. A pesar de la enorme diversidad de bebidas alcohólicas fermentadas producidas en el mundo que cabrían en esa definición, únicamente al producto de la fermentación alcohólica del mosto de la uva, con su amplio abanico de texturas, colores, sabores y aromas, se le aplica el nombre, único y sin calificativos, de vino. Sin embargo, las definiciones anteriores introducen en el concepto de vino una referencia al procedimiento por el que se obtiene tan valioso producto, como componente fundamental del mismo, y es que la fermentación alcohólica es, en sí misma, la esencia del vino. Recurriendo de nuevo a la definición, fermentar, referido a los hidratos de carbono, es degradarse por acción enzimática, dando lugar a productos sencillos, como el alcohol etílico, de ahí la esencialidad de la fermentación, en ella los azúcares del mosto de la uva se degradan generando el etanol, elemento definitorio del vino. Y estamos ya hablando de bioquímica, de transformaciones de unas moléculas orgánicas en otras a través de reacciones catalizadas por enzimas, reacciones que, si bien pueden tener lugar en ausencia de la estructura celular, como Eduard Buchner demostró en los albores de la bioquímica,1 ocurren de manera natural en un contexto celular, el de las células de levaduras del género Saccharomyces, especialmente de la especie S. cerevisiae, en adelante la levadura, el principal microorganismo responsable de las fermentaciones vínicas. Los enzimas que catalizan las doce reacciones encadenadas de la fermentación alcohólica forman parte del entramado molecular responsable de las funciones vitales de esta levadura, que es capaz de utilizar los azúcares del mosto como fuente de carbono y energía a través de un metabolismo anaerobio facultativo. Por ello, la bioquímica del vino no puede entenderse ajena a la bioquímica del microorganismo fermentador, mucho más compleja que la suma de las doce reacciones encadenadas que transforman la glucosa en etanol.
Aunque la composición química del vino puede expresarse de forma extremadamente simplificada como una solución con múltiples componentes que contiene mayoritariamente agua, etanol, glicerol y ácidos orgánicos, y otros componentes minoritarios, como sabores, aromas y compuestos fenólicos,2 son bien conocidas su complejidad y variabilidad analíticas, que explican que los catadores expertos sean capaces de plasmar en palabras que suenan a poesía las características químicas y sensoriales de los vinos. Nos hay más que tomar una apreciada botella de un buen vino español y dejarse estimular por la descripción comercial de la solución que contiene: «El tinto mantiene una viveza proporcionada por su buena acidez compensada con un rotundo grado alcohólico. Tiene un intenso color cereza madura, con el borde vivo de un vino que siempre está en plenitud. En el aroma prevalecen los toques tostados de la madera, con las notas avellanadas de su evolución oxidativa (…). Posee amplitud de sabores de madera añeja pero limpia, con taninos secos y agradablemente amargos del roble, junto a su tacto de ligera dulcedumbre de su alcohol. Es un vino muy largo de sabor, con raza», si hemos tomado un Vega Sicilia Único, de Ribera del Duero. Sobradamente conocida es la importancia que tienen la variedad de uva y las condiciones de su cultivo en la calidad organoléptica de un vino, lo que hace de la viticultura casi un arte. Mucho menos conocidas y valoradas por el gran público son la función y la contribución de la microbiota presente en el mosto a lo largo de las diferentes fases de la elaboración del vino, y en particular de la levadura responsable del grueso de la fermentación alcohólica.
La levadura S. cerevisiae es probablemente el microorganismo más estudiado del mundo debido, sobre todo, a su anticipado y hoy reconocido prestigio como modelo para el estudio de la biología molecular de los organismos eucariotas.3 Sin embargo, de la mano de su impresionante aportación en este ámbito, esta especie es todavía más ampliamente conocida como la levadura de panadería, cervecera o del vino, usos milenarios ligados a la historia de la humanidad de los que hoy tenemos un conocimiento molecular creciente.4 El metabolismo de la levadura en la vinificación5 se caracteriza por la degradación preferentemente fermentativa de los azúcares disponibles en su medio de crecimiento, cantidades equimolares de glucosa y fructosa (fig. 1), incluso en presencia de oxígeno, ya que la concentración de estos es suficientemente alta para provocar la represión por glucosa del metabolismo respiratorio. Esta excepcional opción metabólica, en la que las células obtienen considerablemente menos energía a partir del azúcar consumido que si éste fuera degradado por vía respiratoria, les proporciona, sin embargo, remarcables ventajas ecológicas y evolutivas6, dado que el producto último de la fermentación es el etanol, un metabolito de conocida toxicidad que resulta vertido al medio, el futuro vino, donde provoca la inhibición del crecimiento de otras especies microbianas, mucho más sensibles a dicho tóxico que la levadura que lo produce, favoreciendo así su propio crecimiento e imposición.
No hay que olvidar que el crecimiento fermentativo requiere un flujo glicolítico elevado, dada su baja eficiencia en la producción de ATP a partir, únicamente, de las reacciones de fosforilación a nivel de sustrato de la fosfoglicerato quinasa y de la piruvato quinasa. La regeneración de coenzimas oxidados, particularmente NAD+, es crucial para ello y provoca otro efecto metabólico colateral de extremada importancia en la fermentación vínica: la activación de la denominada lanzadera del glicerol, el desvío metabólico de la dihidroxiacetona fosfato a glicerol fosfato. Este desvío aporta una vía adicional de reoxidación del NADH a NAD+ y, al mismo tiempo, es el primer paso de la síntesis del glicerol, osmolito compatible de la levadura que se obtiene por desfosforilación dependiente de la glicerol-3-fosfato fosfatasa y que resulta, también, vertido al vino donde aporta una de las propiedades físico-químicas y organolépticas que encabeza la lista de parámetros de calidad de los vinos, su densidad o, en términos enológicos, el cuerpo.
La fermentación alcohólica produce además una cierta cantidad de acetato que, junto con otros ácidos orgánicos procedentes de la uva, dan al vino su punto de acidez característico y deseable, o, dependiendo de las condiciones de la fermentación, un exceso indeseable y perjudicial para su calidad. La formación de acetato en la vinificación se debe a la oxidación del acetaldehído, intermediario entre el piruvato glicolítico y el etanol, por acción de las aldehído deshidrogenasas, y se ve favorecida por la menor disponibilidad de NADH debida al desvío de flujo de carbono desde la vía principal de gliceraldehído-3-fosfato a etanol hacia la vía alternativa de dihidroxiacetona-3-fosfato a glicerol.
Sin duda, el aroma es el más místico de los atributos del vino y también, desde el punto de vista químico y bioquímico, el más complejo.7 Varios cientos de compuestos diferentes forman parte del perfil aromático de un vino, que se obtiene a partir de tres contribuciones: la de la variedad de uva y sus condiciones de cultivo, que aportan el aroma primario, la del proceso de elaboración y fermentación del mosto, que aporta el aroma secundario, y, finalmente, la del proceso de maduración en vinos envejecidos en barrica, que aporta el aroma terciario. Es en el aroma secundario, también denominado aroma de fermentación, en el que la levadura, como el resto de la microbiota presente, aporta multitud de compuestos cuyo origen se encuentra, fundamentalmente, en su metabolismo biosintético a partir de distintos intermediarios de la ruta de degradación de azúcares, y también de otros nutrientes presentes en el mosto, como los aminoácidos.8 Estos procesos implican la generación de distintos ácidos grasos volátiles, alcoholes superiores, ésteres de acetato, aldehídos y fenoles volátiles y compuestos de azufre (fig. 2), cuya formación durante la fermentación se ve influenciada por la cepa de levadura que conduce el proceso y por las condiciones nutricionales del mosto, en especial por la abundancia y el tipo de fuentes de nitrógeno.
En los últimos años la importancia de la levadura en las propiedades bioquímicas, organolépticas y saludables del vino se ha visto fuertemente reforzada por la obtención de información genética y genómica de cepas naturales y comerciales de levadura, por la profundización en el conocimiento de los mecanismos moleculares que les permiten adaptarse y crecer en las condiciones típicas del entorno industrial y enológico, y por la posibilidad de manipularlas genéticamente para testar y mejorar su comportamiento y su eficiencia tecnológica. Así, se dispone actualmente de la secuencia completa del genoma de distintas cepas vínicas y se han llevado a cabo estudios de genómica comparada con el fin de identificar tanto rasgos distintivos entre ellas, como rasgos genéticos asociados con las propiedades fermentativas únicas de las cepas industriales.9 También progresa la caracterización de perfiles transcriptómicos, proteómicos y metabolómicos10,11 de cepas vínicas en condiciones de crecimiento industriales, lo que está permitiendo conocer muchos de los secretos moleculares que explican sus rasgos fenotípicos y fisiológicos: sus mecanismos de regulación de la expresión génica a todos los niveles, desde el transcripcional hasta el metabólico, sus rutas de transducción de señales, sus mecanismos de adaptación y respuesta a estrés,… (fig. 3). Y no solo empezamos a conocer los secretos de la biología molecular de las levaduras del vino sino que además podemos manipularlas y así transformar uno de los procesos biotecnológicos más antiguos que conocemos, la elaboración del vino, en una de las áreas más atractivas de la biotecnología moderna,4 en la que es abordable la obtención de levaduras vínicas mejoradas prácticamente en cualquier aspecto del proceso de producción, de la calidad organoléptica, o del carácter saludable del vino. Competimos aquí con la eficiencia de los mecanismos de la evolución y de variabilidad genética natural que, antes que nosotros, ya descubrieron estrategias, como la hibridación, que hacen a las levaduras vínicas excelentes fermentadoras adaptables a múltiples condiciones.12 Las modernas técnicas de producción de cultivos iniciadores en forma de levadura seca activa someten a la levadura a nuevas situaciones fisiológicas a las cuales no se hallan naturalmente adaptadas y que ofrecen un amplio margen de mejora, tanto por selección como por manipulación, de las cepas tradicionales.
No se puede hablar de la bioquímica del vino sin hacer referencia a sus supuestos efectos beneficiosos sobre la salud, ampliamente discutidos desde que, en 1992, una serie de datos epidemiológicos de la población francesa, de dieta rica en grasas saturadas, llevó a establecer una correlación entre la baja incidencia de enfermedades cardiovasculares y el consumo moderado de vino, la denominada paradoja francesa.13 De entre la multitud de compuestos presentes en el vino, los polifenoles, y particularmente el resveratrol, se han considerado potenciales responsables no solo de disminuir el riesgo de esas y otras enfermedades, sino también de la prevención del envejecimiento debido a su carácter antioxidante. Aunque actualmente seguimos sin tener pruebas concluyentes sobre la veracidad de la paradoja francesa14 y se cuestiona la hipótesis del envejecimiento celular basado predominantemente en el daño oxidativo,15 el mundo del vino sigue aportando algo al estudio de la longevidad celular: de nuevo, el modelo de la levadura,16 en cuya longevidad influyen no solo factores nutricionales y ambientales, sino también genéticos y bioquímicos. Además del papel relevante de las sirtuinas, enzimas con actividad desacetilasa, en el envejecimiento también ha sido descrita la implicación de ciertas acetiltransferasas, con efectos importantes sobre la actividad metabólica y, por tanto, sobre las características bioquímicas del vino.17
Sirvan estas líneas para poner en evidencia que la levadura aporta al vino mucho más que el etanol que lo caracteriza, y también que ambos, vino y levadura, aportan un apasionante marco de investigación en el que muchos bioquímicos nos encontramos ¡en el Olimpo de los dioses!
Bibliografía
1. Buchner E.: Alkoholische Gährung ohne Hefezellen. Ber dt Chem Ges 1897; 30: 117-24.
2. Pizarro F., Vargas F.A., Agosin E.: A system biology perspective of wine fermentation. Yeast 2007; 24: 977-91.
3. Botstein D., Fink G.R.: Yeast: an experimental organism for 21st century biology. Genetics 2011; 189: 695-704.
4. Pretorius I.S., Curtin C.D., Chambers P.J.: The winemaker’s bug. From ancient wisdom to opening new vistas with frontier yeast science. Bioeng Bugs 2012; 3: 3.
5. Aranda A., Matallana E., Del Olmo M.: Saccharomyces Yeasts I: Primary Fermentation. En: A. Carrascosa, R. Muñoz, R. González (eds): Molecular Wine Microbiology. Elsevier, 2011: 1-31.
6. Piskur J.: How did Saccharomyces evolve to become a good brewer? Trends Genet 2006; 22: 183-6.
7. Styger G., Prior B., Bauer F.F.: Wine aroma and flavor. J Ind Microbiol Biotechnol 2011; 38: 1145-59.
8. Hazelwood L.A., Daran J.M., van Maris A.J.A., Pronk J.T., Dickinson R.D.: The Ehrlich pathway for fusel alcohol production: a century of research on Saccharomyces cerevisiae metabolism. Appl Environ Microbiol 2008; 74: 2259-66.
9. Borneman A.R., Desany B.A., Riches D., Affourtit J.P., Forgan A.H., Pretorius I.S., Egholm M., Chambers P.J.: Whole-genome comparison reveals novel genetic elements that characterize the genome of industrial strains of Saccharomyces cerevisiae. PLoS Genet 2011; 7: e1001287
10. Gómez-Pastor R., Pérez-Torrado R., Cabiscol E., Matallana E.: Transcriptomic and proteomic insights of thewineyeast biomass propagation process. FEMS Yeast Res 2010; 10: 870-84.
11. Rossouw D., Naes T., Bauer F.F.: Linking gene regulation and the exo-metabolome: A comparative transcriptomic approach to identify genes that impact on the production of volatile aroma compounds in yeast. BMC Genomics 2008; 9: 530.
12. Peris D., Lopes C.A., Belloch C., Querol A., Barrio E.: Comparative genomics among Saccharomyces cerevisiae × Saccharomyces kudriavzevii natural hybrid strains isolated from wine and beer reveals different origins. BMC Genomics 2012; 13: 407.
13. Renaud S., de Lorgeril M.: Wine, alcohol, platelets, and the French paradox for coronary heart disease. Lancet 1992; 339: 1523-6.
14. Catalgol B., Batirel S., Taga Y., Ozer N.K.: Resveratrol: French paradox revisited. Front Pharmacol 2012; 3: 141.
15. Gems D., Partridge L.: Genetics of longevity in model organisms: debates and paradigm shifts. Annu Rev Physiol 2013; 75: 621-44.
16. Longo V.D., Shadel G.S., Kaeberlein M., Kennedy B.: Replicative and chronological aging in Saccharomyces cerevisiae. Cell Metab 2012; 16: 18-31.
17. Orozco H., Matallana E., Aranda A.: Wine yeast sirtuins and Gcn5p control aging and metabolism in a natural growth medium. Mech Ageing Dev 2012; 133: 348-58.
18. Orozco H., Matallana E., Aranda A.: Genetic manipulation of longevity-related genes as a tool to regulate yeast life span and metabolite production during winemaking. Microb Cell Fact 2013; 12: 1.
