Инновационный завтрак

Биотехнологии инновационных продуктов питания переживают бум. В этой статье мы соберем идеальный завтрак будущего: генноотредактированный кофе, веганский яичный белок из грибов и белковая добавка, сделанная бактериями из воздуха, острые томаты и неострые листья горчицы. Названия компаний приведены не ради рекламы, а чтобы было понятно, что та или иная технология уже стала чем-то большим, чем «идея» или «пилотный эксперимент».

Теплица на кухне и шоколадка без какао

Вы просыпаетесь в своей уютной квартире в 2040 году. Потягиваетесь, берете телефон, читаете статистику своего сна в специальном приложении: умный матрас собирает информацию о том, как вам спалось. Идете умываться. Кстати, тапочки у вас из натуральной кожи, при производстве которой ни одно животное не пострадало, — от Modern Meadow (США). Перепрограммированные клетки кожи вырабатывают коллаген, идентичный коллагену крупного рогатого скота или другого желаемого животного. Из него делается кожа, полностью сходная с традиционной — или даже лучше. Нечего и говорить, что компоненты кремов для рук и лица на полке в ванной, которые в ХХ веке получали из животного сырья, тоже синтезированы клетками в культуре.

Свежий салат у вас не в холодильнике — он растет в домашней вертикальной «теплице» от нью-йоркской компании Bowery Farming, которая использует на 95% меньше воды, чем традиционные методы растениеводства, и позволяет выращивать зелень прямо на кухне.

В холодильнике нет и намека на полиэтилен: все упаковано в биоразлагаемую пленку из бурых морских водорослей. Фрукты и овощи покрыты защитным слоем, замедляющим порчу, от Apeel (США — Нидерланды). Он состоит из кутина — воскоподобного полиэфира, компонента природного покрытия, которое защищает клетки эпидермиса растений от насекомых.

На боковой полке в холодильнике лежит шоколадка без какао. Производство шоколада способствует вырубке лесов под плантации какао и требует транспортировки сырья на далекие расстояния. Ответственные потребители выбирают шоколад из кэроба — порошка высушенных плодов рожкового дерева (цератонии). Компания WNWN Food Labs (она же Win-Win) со штаб-квартирой в Лондоне заявляет, что производство шоколада по этой технологии сокращает выбросы углекислого газа благодаря закупке сырья у местных поставщиков.

Кэроб — порошок из высушенных плодов рожкового дерева, главный компонент нового какао

Сдержав свой порыв начать день со сладкого, вы достаете банку с кофе. Компания Tropic Biosciences специализируется на разработке новых сортов трех ключевых тропических культур — кофе, бананов и риса. Компания заявляет, что способна улучшить жизнь более полумиллиарда человек по всему миру.

Среди их разработок — натуральный кофе без кофеина, ароматный, полезный и не вызывающий тахикардии или нарушения сна. Кофеина в нем нет, зато есть полифенолы, снижающие окислительный стресс и воспаление в организме. В настоящее время для декофеинизации зерна кофе замачивают и обрабатывают горячим паром. Генноинженерный метод экологичнее и лучше сохраняет традиционные вкус и запах, а также полезные компоненты.

Tropic Biosciences создал генетически модифицированный сорт кофейных зерен с пониженным содержанием кофеина, используя собственную технологию GEiGS (Gene Editing induced Gene Silencing) — выключение генов путем генного редактирования.

Как известно, гены всех живых организмов кодируют матричные РНК (мРНК), которые в свою очередь кодируют белки. Однако есть и так называемые некодирующие гены — с них считываются разнообразные РНК, которые не работают матрицами для белков, а выполняют другие функции. Среди них — малые интерференционные (миРНК), лежащие в основе явления, известного как РНК-интерференция: они связываются с молекулами определенной мРНК и способствуют их деградации, а без них, понятно, не будет и белка. Это один из важнейших методов, регулирующих продукцию белков в клетке.

В Tropic Biosciences вместо редактирования генов белков используют более тонкий метод — редактирование генов миРНК. С помощью знаменитой системы CRISPR-Cas или какой-нибудь другой, например TALEN, в эти гены вносят минимальные изменения — всего в несколько нуклеотидов. В результате миРНК прицельно перенаправляется на новый ген-мишень и уменьшает количество его продукта. Для получения кофе без кофеина мишенью могут быть гены ферментов, производящих этот алкалоид: мало мРНК — мало ферментов — мало кофеина.

Бескофеиновый кофе любят не все. В Tropic Biosciences сделали также кофе с облегченной экстракцией, который требует менее высоких температур для заваривания. А чтобы разработать новые сорта бананов и риса, устойчивых к вредителям и болезням, миРНК этих растений нацеливают не на собственные гены растения, а на «вражеские» гены вирусов, грибов или насекомых.

Но даже самым вкусным кофе сыт не будешь. Поговорим о яйцах.

Яйца из грибов

Яичный белок — один из лучших природных источников питательных веществ. Он состоит в основном из воды (88%) и белков (11%), остальное — углеводы, минеральные вещества и следовые количества липидов. (Не зря в русском и немецком языках полимеры аминокислот исходно назывались не «протеинами», а тем же словом, что белая часть птичьего яйца.) Основной белок яичного белка — овальбумин; он состоит из 386 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу 45 кДа.

Onego Bio (Финляндия) производит Bioalbumen — овальбумин, который синтезируют клетки нитчатого гриба-аскомицета Trichoderma reesei. В культуре этого гриба пробовали вырабатывать и другие белки. Предварительное исследование показало, что производство овальбумина грибного происхождения по сравнению с традиционной яичной промышленностью может уменьшить закисление почвы, эвтрофикацию морской среды и даже разрушение стратосферного озона. Эти результаты были опубликованы в Nature Food в 2021 году. Компания готова к созданию полномасштабного производства, которое даст столько же овальбумина, сколько ферма с шестью миллионами кур-несушек.

Так выглядит нитчатый гриб-аскомицет Trichoderma reesei, который научили производить яичный белок Фото: Аcta Polytechnica CTU Proceedings 21:42–45, 2019

Как это работает? Последовательность куриного гена SERPINB14, кодирующего овальбумин, в составе специальной ДНК-конструкции — экспрессионного плазмидного вектора — внедряется в клетки гриба T. reesei. После этого они, помимо собственных белков, начинают вырабатывать яичный белок. Культуру гриба выращивают в биореакторе, куда подают воду, сахара и минеральные вещества. В светлом будущем источником углеводов для гриба вместо сахара могут стать, например, отходы деревообрабатывающей промышленности. В конце процесса биореактор заполняется биоальбумином, водой и клетками T. reesei. Получившийся яичный белок отделяют от грибной биомассы, фильтруют, очищают и высушивают до порошка.

Этот процесс называют «прецизионной ферментацией» по аналогии с теми реакциями, которые лежат в основе производства многих традиционных продуктов, от пива до квашеной капусты. Тем, кто сейчас подумал «фу, грибки», стоит вспомнить, что продукты жизнедеятельности дрожжей и молочнокислых бактерий люди употребляют в пищу многие тысячи лет. Прилагательное «прецизионный» подразумевает точность и понимание процесса на молекулярном уровне.

Конечно, овальбумин не единственный компонент яйца, но овальбумин из грибов успешно заменяет яичный белковый порошок во многих рецептах выпечки, кондитерских изделий, соусов, пасты и т.п. Высокая питательная ценность, нейтральный вкус, способность давать крепкую пену при взбивании — отличная основа для белкового омлета!

А теперь переходим к мясу.

Мясо мамонта (ну, почти)

Еще один новый термин, более широкий, «клеточное земледелие» (cell agriculture) означает производство продуктов животного происхождения из клеточной культуры. Помимо прецизионной ферментации, о которой я рассказала в предыдущей главе, клеточным земледелием называют выращивание целых одноклеточных организмов (например, хлореллы) для производства пищевых продуктов и культивирование биомассы для создания искусственного мяса.

Мясом из сои, гороха, фасоли, даже из картофеля и риса уже никого не удивить. Принципиально другой подход к культивированию мяса используют голландская биотехнологическая компания Meatable и некоторые другие. Они выращивают стволовые клетки крупного рогатого скота, которые затем дифференцируются в мышечные и жировые клетки, из них и производят мясную продукцию. Многие помнят, как профессор Маастрихтского университета Марк Пост получил финансовую поддержку от соучредителя Google Сергея Брина для производства первого в мире бургера из культивированной говядины. Бургер съели на пресс-конференции в Лондоне в августе 2013 года. В последующие десять лет несколько компаний работали в этом направлении, и теперь гамбургер уже стоит не 215 тысяч фунтов, а несколько фунтов.

Культивирование мяса in vitro может начинаться с эксплантатов — тканей или клеток, полученных от животных, которые растут и самоорганизуются в биореакторе. Например, Марк Пост выращивал клетки скелетных мышц коровы. Но клетки вне организма растут неохотно. Альтернативой может быть их выращивание на трехмерном пористом каркасе из коллагена или другого полимера. Каркас можно засеять стволовыми клетками, полученными от эмбрионов или взрослых животных, либо миосателлитами или миобластами (клетками — предшественниками мышц). Чтобы мясо было сочным, можно добавить адипоциты — жировые клетки.

Идея состоит в том, чтобы получать ценный животный белок, не затрачивая огромные ресурсы на выращивание скота. Есть и другие аргументы: отказ от убийства и содержания в неприемлемых условиях крупных млекопитающих, возможность попробовать котлету из самого экзотического животного, наконец, биобезопасность (больше никаких прионных болезней и опасного для человека птичьего гриппа у коров).

Но есть проблема: типичная среда для выращивания клеток животных (для мяса или для научных целей) содержит фетальную бычью сыворотку, получаемую из крови плода (именно плода, потому что в ней мало антител и много факторов роста клеток). Получают ее, естественно, при убое скота, как побочный продукт современной мясной промышленности. Поэтому от фетальной бычьей сыворотки в рецепте надо избавляться.

Уже разработаны бессывороточные среды, состоящие из растительных или синтетических соединений. Есть клеточная среда на основе гриба майтаке. Однако стоит отметить, что питательные среды с растительными белками могут вызывать аллергические реакции у некоторых людей. Полимерный каркас для выращивания клеток тоже не должен содержать компонентов, полученных из животных. Но эту задачу, как и продукцию белковых факторов роста для клеточной среды, вполне может решить прецизионная ферментация.

3D-каркас можно применять для создания структуры, аналогичной настоящему мясу, но как источник вкуса и запаха его не рассматривали. Совсем недавно в Nature Communications вышла статья корейских исследователей, которые сделали каркас из желатина, содержащий особые боковые группы. При нагреве до 150°C и выше эти группы отщепляются и высвобождаются соединения, имитирующие летучие продукты термообработки обычного мяса, проще говоря, запах жареной говядины.

Культивирование мяса позволяет создавать уникальные продукты. Наверное, самый сенсационный — фрикаделька из мамонтятины от Vow Food. Основанная в 2019 году австралийская компания начинала с производства мяса, выращенного в лабораторных условиях из свинины и клеток кенгуру, и с тех пор расширила меню, включив в него кроликов, мышей (мало ли кому что захочется попробовать), коз, буйволов и даже альпаку. В конце марта 2023 года Vow Food представила огромную фрикадельку из мяса мамонта в научном музее Nemo. «Держу пари, это вкуснее, чем в IKEA», — написал один из пользователей Twitter.

Представители Vow Food подробно описали технологию получения фрикадельки почти из мяса мамонта. В мышечные стволовые клетки овцы внедрили ген миоглобина мамонта. Пробелы в последовательности «ископаемого» миоглобина заполняли, используя участки из генома африканского слона. Миоглобин содержится преимущественно в клетках мышц позвоночных, придает мясу характерный вкус и служит важным источником биодоступного железа. Для создания фрикадельки вырастили более 20 миллиардов клеток с мамонтовым гемоглобином. Правда, употреблять ее в пищу создатели не советовали, поскольку «никто не видел этот белок тысячи лет» и неизвестно, как на него отреагирует человеческий организм…

Как жаль, что это оказался просто маркетинговый ход. Австралийцы хотели таким образом привлечь внимание общественности к технологиям, которые могут помочь в решении проблемы разрушения окружающей среды. Но палеогенетика не стоит на месте, и когда-нибудь мы попробуем фрикадельки из мамонта.

Однако яичного белка и мяса недостаточно для полноценного завтрака. Нужны овощи.

Томаты чили

Капсаициноиды — соединения группы алкалоидов, содержащиеся в различных видах стручкового перца чили (род Capsicum), которые отвечают за острый вкус. Основные представители этой группы — капсаицин и дигидрокапсаицин.

Стручковый перец содержит капсаицин, который отвечает за жгучий вкус

Капсаициноиды обладают антиоксидантными, противовоспалительными и противоопухолевыми свойствами. Забавный факт: семена острого перца менее подвержены заражению грибком Fusarium, поэтому экземпляры с более острыми плодами размножаются лучше. Вероятно, защита от болезней и отпугивание растительноядных млекопитающих и были изначальной функцией капсаициноидов. Эти вещества образуются в результате сложных каскадов биохимических реакций.

Интересно, что из всех овощей только плоды стручкового перца содержат эти полезные соединения. В то же время стручковый перец и томат — не такие уж дальние родственники: у обоих видов 12 хромосом; морфологические и физиологические процессы завязывания плодов у них аналогичны. При этом урожайность острого перца не превышает 3 тонн с гектара за 4–5 месяцев выращивания, в то время как у томатов может достигать 110 т/га в течение 120-дневного цикла посева.

Было бы выгодно использовать помидоры в качестве биофабрики для синтеза капсаициноидов, тем более что все необходимые для этого гены в томатах есть; однако в сравнении с перцем чили томаты слабее экспрессируют шесть из этих генов, а два гена, хотя и присутствуют в геноме, не экспрессируются вообще.

Ученые из Бразилии и Ирландии в 2019 году предложили использовать технологии генного редактирования для создания первого помидора с острым вкусом. Гены ферментов даже не нужно внедрять в геном помидора — они там уже есть. Достаточно их активировать. А для этого можно ввести в клетки специфические белки-активаторы или отредактировать промоторный (находящийся перед геном) участок, заменив его на тот, который активен в томате.

В отличие от остальных проектов, о которых рассказано в статье, пока это теория. Требуется дальнейшее исследование, чтобы определить, полностью ли функциональны продукты этих генов в томате и удастся ли таким образом запустить нужную цепочку реакций. Но если все получится, мы сможем приготовить пикантную сальсу из томатов чили.

И наконец, салат и десерт.

Горчица без горечи и вишня без косточек?

Усовершенствование и выведение новых сортов растений — игра вдолгую, требующая терпения и настойчивости. Селекционерам могут понадобиться годы или даже десятилетия, чтобы создать новые сорта фруктов и овощей. Однако их работа сейчас приобретает особую актуальность из-за роста населения и изменений климата.

Компания Pairwise из Северной Каролины (США) использует технологию редактирования генов CRISPR-Cas для создания и вывода на рынок фруктов и овощей с улучшенным вкусом, увеличенным сроком хранения, повышенной урожайностью и с более длительным периодом вегетации. Их первый продукт — негорькая листовая горчица — поступил в американские продуктовые магазины в 2023 году как первое съедобное CRISPR-отредактированное растение. Кстати, среди основателей компании — Фэн Чжан, человек, который впервые описал CRISPR-редактирование в клетках животных. Компания продолжает развивать технологии редактирования, создавая новые инструменты повышенной точности.

Листья горчицы Brassica juncea богаты витаминами, минералами, фенольными соединениями, кальцием и железом. Ее сорта очень разнообразны по цвету, размеру и текстуре листьев. Если разжевать лист горчицы, образуются соединения, которые придают ей остроту; эта реакция защищает растение от травоядных животных. При разрушении растительных клеток высвобождаются и взаимодействуют фермент мирозиназа и его субстраты, например синигрин. В результате образуется аллилизотиоцианат — соединение, которое присутствует и в других острых растениях, таких как хрен. Этот эффект назвали mustard bomb: mustard по-английски значит «горчица», mustard gas — «иприт».

Аллилизотиоцианат, конечно, не настолько опасен, как боевое отравляющее вещество, но может быть неприятным для потребителей. Поэтому горчичную зелень употребляют в небольших количествах либо подвергают тепловой обработке: при нагреве теряют активность ферменты, в том числе мирозиназа. Но в то же время снижается содержание таких полезных веществ, как фолиевая кислота и лютеин.

Чтобы имитировать эффект тепловой обработки, команда Pairwise отключила ген мирозиназы с помощью генного редактирования. Сделать ген нефункциональным с помощью CRISPR намного проще, чем восстановить утраченную функцию или создать отсутствующую; нежгучую горчицу создать легче, чем помидор с капсаицином. И все же это было далеко не простой задачей. Основная сложность заключалась в том, что горчица тетраплоидна, то есть у нее четыре копии генома, как и у многих других растений, а не две, как у нас с вами. И в каждом геноме нужный ген представлен не одной копией. Изменения надо было внести во все — таких работающих копий оказалось 17. Отредактированные растения потеряли резкий запах.

Важно отметить, что это растение не является генно-модифицированным организмом (ГМО). В геном не встраивается чужеродный ген, а значит — не происходит синтез чужеродного белка. В США продукты, подвергнутые генетическому редактированию, не так жестко регулируются, как ГМО, и не требуют обязательной маркировки.

Вот так выглядит горчица Brassica juncea, сорт Red Giant, гены которой отредактировали и получили новый сорт без горького вкуса

Помимо горчицы, Pairwise улучшает фрукты. В числе других ее проектов — ежевика без семечек и шипов, растущая на компактных кустах, которым нужно меньше земли, воды и удобрений, и вишня без косточек.

Мы говорили о различных способах культивировании клеток, о выращивании измененных растений. Но есть еще одна технология будущего — 3D-печать, точнее биопечать. Если печатать на принтере жизнеспособные ткани все еще сложно, то печатать съедобное — вполне решаемая задача.

Стейк-пюре

Испанская компания Cocuus использует 3D-биопечать для производства продуктов питания и надеется выйти на международный рынок. Компания лидирует в разработке промышленных решений для 3D-печати аналогов миметических пищевых продуктов (от англ. mimetic food) — то есть продуктов, имитирующих реальные блюда, из растительного или клеточного животного белка. В октябре 2023 года Cocuus представила свой 3D-печатный растительный бекон в сотнях испанских супермаркетов Carrefour под брендом Foody’s.

Пищевой 3D-принтер работает по принципу экструзионной печати — выдавливает и приклеивает расплавленные или пастообразные материалы, тем самым создавая продукт слой за слоем. Белок, растительный, животный или синтезированный микроорганизмами, — основной компонент «чернил». Принцип прост, но создать такие чернила, чтобы они легко выдавливались из сопел, а затем застывали и сохраняли форму (и чтобы были вкусными и питательными!), — нетривиальная задача. Для создания твердых продуктов хорошо подходит желатин, а чтобы получить сбалансированный аминокислотный состав, к нему добавляют белки сои и гороха. Добавление горохового белка также улучшает структуру и стабильность продукта и придает ему жирный вкус, не повышая калорийности.

Cocuus работает в четырех основных направлениях — стейки и другие мясные продукты с помощью технологии повторного использования промышленных обрезков мяса (звучит непривлекательно, зато экономно); веганские аналоги традиционных продуктов; новые методы промышленного культивирования клеток in vitro и, наконец, пищевые продукты из пюре для людей с дисфагией, которые не могут глотать и потому не едят твердую пищу. Например, курица и горох, такие же на вид и на вкус, как «оригиналы», но мягкие. Также компания производит принтеры для печати продуктов.

Напечатанный на принтере стейк от Cocuus — вкусный и мягкий

Напоследок — белок из воздуха. И это не белок растений, живущих в симбиозе с бактериями-азотфиксаторами, вроде тех же сои и гороха.

Еда из воздуха

Грибной овальбумин — это прекрасно, но грибы все же надо кормить углеводами. Финская компания Solar Foods, основанная в 2017 году, трудится над разработкой продукта, который представит альтернативу. Продукт под названием Solein (солеин) получают «из воздуха», как утверждает компания. На самом деле он производится с помощью микробиологической ферментации, но бактерии в некотором смысле питаются воздухом.

Кроме воздуха для производства солеина нужны вода, электричество и культура микроорганизмов — штамм VTT-E-193585 бактерии рода Xanthobacter, обнаруженный одним из основателей компании в лесу на берегу Балтийского моря возле города Наантали (Финляндия). Замечателен он тем, что может расти на минимальной среде, содержащей кальций, фосфор, азот и калий. VTT-E-193585 получает энергию из окисления водорода, а углерод для построения органических молекул — из углекислого газа. Водород, в свою очередь, получают электролизом воды.

Готовый продукт — порошок, по составу похожий на сушеную сою или водоросли (например, спирулину). В нем 65–70% белка (включая девять незаменимых аминокислот), 5–8% жира, 10–15% пищевых волокон и 3–5% минеральных питательных веществ, таких как железо, а также витамины группы B.

Очищенный солеин, полученный после ферментации в биореакторах и сушки, — желтый порошок с приятным вкусом, напоминающим белые грибы и умами.

Солеин — белковый порошок «из воздуха и воды» — производят микроорганизмы в биореакторе Фото: solarfoods.com

Для такого производства белка не нужны поля или фермы. Завод можно разместить и в городе, и в отдаленном районе, и в космосе либо на Марсе — лишь бы там были СО₂, вода и электричество. Первый производственный объект Solar Food, Factory 01, уже начал работать в Вантаа, в нескольких минутах езды от хельсинкского аэропорта. Это позволит компании начать масштабирование производства солеина и вывести его на рынок.

В настоящее время Solar Foods разрабатывает портативный биореактор, который сможет производить солеин в космических условиях для миссии NASA «Artemis» и будущих миссий на Марс.

Пока неизвестно, каким будет первый продукт для потребителей, содержащий солеин. Скорее всего его, как и бактериальный альбумин, будут добавлять в различные уже существующие продукты, от мороженого до пасты и выпечки. Solar Foods не планирует самостоятельно производить продукты питания, но на веб-сайте компании можно увидеть изображения демонстрационных продуктов, таких как кусочки курицы с макаронами, супы, хлеб и смузи.

На этом всё, мы собрали почти идеальный завтрак. Однако будущее фудтеха уже стоит на пороге, и невозможно объять все инновации в этой сфере. Мы еще не рассказали, например, об альтернативных приемах пищи — питательных коктейлях, заменяющих обед, и многом другом. Очевидно, не все эти молодые компании останутся на рынке через 50 лет. Одно ясно — будущие продукты питания не будут скучными и однообразными.

Приятного аппетита!

См. также:
Фальшивый заяц: место на столе
Съесть кусок мяса (2024 №1)