Содержание статьи:
Животноводство давно стало одним из ключевых источников нагрузки на окружающую среду. Огромные площади уходят под корма, расход воды исчисляется миллиардами литров, а выбросы метана и закиси азота заметно влияют на климат. При этом многие покупатели всё чаще задумываются о благополучии самих животных. Рынок альтернативных продуктов питания уже оценивается в сумму от 6,7 до 8,1 миллиарда евро ежегодно, и эксперты ожидают его дальнейшего роста. Традиционные методы производства так называемого фальшивого мяса опираются на микробную инженерию: гены животных встраивают в бактерии или дрожжи, которые работают в огромных биореакторах. Однако группа исследователей предложила иной путь, который может оказаться гораздо эффективнее и экологичнее.
Растения научились синтезировать мышечный белок
Ученые из Имперского колледжа Лондона под руководством доктора Алексии Грофф провели эксперимент, результаты которого меняют представление о возможностях сельского хозяйства. Им удалось внедрить гены, отвечающие за производство миоглобина, непосредственно в хлоропласты растений. Хлоропласты — это внутренние структуры клетки, которые обычно занимаются фотосинтезом и превращением солнечного света в энергию. Теперь эти природные фабрики начали вырабатывать важнейший компонент мяса.
Миоглобин — это белок, который в природе находится в сердце и скелетных мышцах позвоночных. Именно он отвечает за характерные свойства привычных нам продуктов:
- Насыщенный красный цвет, так как молекула связывает кислород;
- Металлический привкус, обусловленный высоким содержанием железа;
- Глубокий умами-вкус, который сложно воссоздать из одних растительных компонентов;
- Питательную ценность, сопоставимую с натуральным продуктом.
Чтобы добиться этого, исследователи сначала клонировали гены свиньи и крупного рогатого скота. Затем начался самый интересный этап работы.
Технология генетической модификации хлоропластов
Для доставки чужеродной наследственной информации внутрь растительной клетки ученые использовали метод, известный как «генный пистолет». Физический выстрел микрочастицами позволил внедрить копии генов прямо в хлоропласты ростков табака и салата-латука. В лаборатории подтвердили, что некоторые растения успешно встроили новый материал в свою кольцевую ДНК.
Эти модифицированные образцы выросли до взрослого состояния, дали цветы и семена. Потомство унаследовало новые свойства. Для сравнения авторы работы также внедряли гены в ядро клетки и в хлоропласты одноклеточной водоросли.
Выбор табака и салата обусловлен разными причинами. Табак стал идеальной моделью для отработки методики, а салат рассматривается как съедобная культура для будущего производства ингредиентов. Преимущества использования именно хлоропластов перед ядром клетки очевидны:
- Высокая копийность: в одной клетке их очень много, что увеличивает выход вещества;
- Бактериальное происхождение: эти структуры эволюционно лучше приспособлены к массовому синтезу белка;
- Стабильность наследования: признак передается следующим поколениям растений;
- Отсутствие вмешательства в основной геном ядра, что упрощает регуляторные процедуры.
Сравнение показателей и эффективности синтеза
Анализ, проведенный с помощью жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии, показал впечатляющие результаты. Выход миоглобина составил примерно 800 миллиграммов на килограмм сухого веса табака и 810 миллиграммов на килограмм салата. Это минимум в три раза превышает показатели тех растений, где ген был встроен в ядро.
Конечно, в натуральном мясе концентрация белка выше — от 8,1 до 11,2 миллиграммов на грамм сухого веса. Но авторы работы обращают внимание на другой аспект. Выращивание растений требует несоизмеримо меньше ресурсов, чем разведение скота. По расчетам ученых, урожайность белка с одного гектара земли при использовании новой технологии может сравняться с показателями животноводства или даже превзойти их. При этом потребление воды и выбросы парниковых газов будут значительно ниже. Подробные данные эксперимента опубликованы в научном издании по биологии растений Frontiers in Plant Science.
Перспективы коммерческого использования
Следующий этап — превращение лабораторного успеха в промышленный продукт. Миоглобин можно извлекать из листьев и очищать стандартными методами, которые уже применяются в пищевой промышленности. Поскольку полученный белок идентичен животному, его можно добавлять в состав растительных котлет и фарша. Это улучшит их внешний вид, сделает вкус более привычным и обогатит продукт железом.
Соавтор исследования доктор Киоко Моримото, занимающая пост главного научного сотрудника в компании Kyomei, занимающейся биотехнологиями, отмечает, что модифицированный салат может стать самостоятельным функциональным продуктом. Речь идет о создании овощей с повышенным содержанием гемового железа, что полезно для людей, следящих за уровнем этого элемента в организме. Правда, для этого потребуется одобрение регуляторов и законодателей.
По мнению исследователей, использование хлоропластов в качестве производственных площадок открывает путь к созданию по-настоящему устойчивой системы питания, где ценные компоненты создаются самими растениями прямо на грядке.
Экологический след и будущее фермерства
Переход на новые технологии позволит высвободить огромные территории, которые сейчас используются под пастбища и выращивание фуражного зерна. Это даст шанс восстановить естественные экосистемы и снизить нагрузку на пресные водоемы. В отличие от методов ферментации в реакторах, где требуются специальные питательные среды и стерильные условия, растениям нужны только почва, вода и солнце.
Развитие биотехнологий в этой области не означает полного исчезновения традиционного животноводства. Скорее, речь идет о расширении ассортимента и появлении новых инструментов для производства еды. Фермеры смогут выращивать культуры, которые одновременно служат и сырьем для переработки, и источником ценных белков. Это превращает обычное поле в высокотехнологичное производство, где конечный продукт созревает вместе с листьями.
Научный подход к созданию ингредиентов
Работа с хлоропластами требует ювелирной точности. Исследователям пришлось учитывать особенности строения растительной клетки, чтобы не нарушить её жизнедеятельность. Табак показал отличную жизнеспособность, а салат подтвердил, что технология применима к пищевым культурам. Важно, что полученный миоглобин не требует сложной химической модификации перед попаданием на стол потребителя.
Ученые продолжают работать над увеличением концентрации белка в биомассе. Хотя текущие цифры уже выглядят многообещающими, дальнейшая селекция и оптимизация генетических конструкций позволят сделать процесс еще дешевле. Это критически важно для того, чтобы альтернативные продукты стали доступны широкому кругу людей, а не только узкому сегменту покупателей.
Технология, позволяющая превращать листья салата в фабрики по производству мышечного белка, демонстрирует, насколько далеко шагнула современная биология. Использование природных механизмов фотосинтеза для создания ценных пищевых компонентов решает сразу несколько задач: снижает нагрузку на экологию, экономит ресурсы и предлагает новые варианты питания. В ближайшие годы мы, вероятно, увидим, как подобные разработки перейдут из разряда лабораторных экспериментов в реальный сельскохозяйственный сектор, меняя привычный облик ферм и продуктовых полок.