Учитывая, что на рынке уже представлены молочные продукты, не содержащие животных, и убедительные вегетарианские заменители мяса, легко увидеть, как биотехнология может изменить пищевую промышленность. Достижения в области генной инженерии позволяют нам использовать микроорганизмы для производства продуктов, не подвергающихся жестокому обращению, которые полезны для потребителей и более здоровы для окружающей среды.
Одним из наиболее многообещающих источников инновационных продуктов питания являются грибы — разнообразное царство организмов, которые естественным образом производят огромный спектр вкусных и питательных белков, жиров, антиоксидантов и ароматических молекул. Шеф-повар, ставший биоинженером Ваю Хилл-Майни, сотрудник отдела биологических наук Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), исследует множество возможностей создания новых вкусов и текстур, которые можно получить путем модификации генов, уже присутствующих в грибах.
«Я думаю, что фундаментальным аспектом синтетической биологии является то, что мы получаем пользу от организмов, которые в ходе эволюции стали действительно хороши в определенных вещах», — сказал Хилл-Майни, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли в лаборатории эксперта по биоинженерии Джея Кислинга. «То, что мы пытаемся сделать, — это посмотреть на то, что создает гриб, и попытаться как бы раскрыть и улучшить это. И я думаю, что это важный момент, когда нам не нужно вводить гены совершенно разных видов. Мы исследуем, как мы можем соединить вещи воедино и разблокировать то, что уже есть».
В своей недавней статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Хилл-Майни и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли, Объединенного института биоэнергетики и Центра биоустойчивости Фонда Ново Нордиск изучили многоклеточный гриб под названием Aspergillus oryzae, также известный как плесень коджи, который использовался в Восточной Азии для ферментации крахмала в сакэ, соевый соус и мисо на протяжении веков.
Во-первых, команда использовала CRISPR-Cas9 для разработки системы редактирования генов, которая может вносить последовательные и воспроизводимые изменения в геном плесени коджи. После того, как они создали набор инструментов для редактирования, они применили свою систему для внесения изменений, которые повышают роль плесени в качестве источника пищи.
Для начала Хилл-Майни сосредоточился на увеличении выработки плесенью гема — молекулы на основе железа, которая встречается во многих формах жизни, но наиболее распространена в тканях животных, придавая мясу цвет и характерный вкус. (Синтетически полученный гем растительного происхождения также придает «Невозможному гамбургеру» свойства подражать мясу.) Затем команда увеличила производство эрготионеина, антиоксиданта, обнаруженного только в грибах, который связан с пользой для здоровья сердечно-сосудистой системы.
После этих изменений некогда белые грибы стали красными. При минимальной подготовке — удалении лишней воды и измельчении — собранным грибам можно было придать форму котлеты, а затем обжарить в аппетитный на вид бургер.
Следующая цель Hill-Maini — сделать грибы еще более привлекательными, настроив гены, контролирующие текстуру плесени. «Мы думаем, что есть много возможностей для изучения текстуры, варьируя морфологию клеток, напоминающую волокна. Таким образом, мы могли бы запрограммировать структуру волокон так, чтобы она была длиннее, что дало бы ощущение, более похожее на мясо». И тогда мы сможем подумать об улучшении липидного состава для улучшения ощущений во рту и дальнейшего питания», — сказал Хилл-Майни, который во время исследования был научным сотрудником Института фундаментальных исследований Миллера в Калифорнийском университете в Беркли. «Я очень воодушевлен тем, как мы можем дальше изучить гриб и, знаете ли, поработать с его структурой и метаболизмом для получения пищи».
Хотя эта работа является лишь началом пути к использованию геномов грибов для создания новых продуктов питания, она демонстрирует огромный потенциал этих организмов в качестве легко выращиваемых источников белка, которые позволяют избежать сложных списков ингредиентов современных заменителей мяса и ценовые барьеры и технические трудности, препятствующие выпуску культивированного мяса. Кроме того, разработанный командой инструментарий для редактирования генов является огромным шагом вперед для области синтетической биологии в целом.
В настоящее время большое разнообразие биопромышленных товаров производятся с помощью модифицированных бактерий и дрожжей, одноклеточных родственников грибов и плесени. Тем не менее, несмотря на долгую историю одомашнивания человечеством грибов для непосредственного употребления в пищу или производства таких продуктов питания, как мисо, многоклеточные грибы еще не используются в качестве инженерных клеточных фабрик в такой же степени, поскольку их геномы гораздо более сложны и имеют адаптации, которые затрудняют редактирование генов. Набор инструментов CRISPR-Cas9, разработанный в этой статье, закладывает основу для легкого редактирования плесени коджи и ее многочисленных родственников.
«Эти организмы веками использовались для производства продуктов питания, и они невероятно эффективны в преобразовании углерода в широкий спектр сложных молекул, в том числе многие из них, которые было бы практически невозможно произвести с использованием классического хозяина, такого как пивные дрожжи или кишечная палочка», - сказал Джей Кислинг, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли. «Открывая плесень коджи посредством разработки этих инструментов, мы раскрываем потенциал огромной новой группы хозяев, которых мы можем использовать для производства продуктов питания, ценных химикатов, энергоемкого биотоплива и лекарств. Это захватывающий новый путь для биопроизводства».
Учитывая свой кулинарный опыт, Хилл-Майни стремится к тому, чтобы продукты следующего поколения на основе грибов были не только вкусными, но и по-настоящему желанными для клиентов, в том числе для людей с изысканным вкусом. В отдельном исследовании он и Кислинг сотрудничали с шеф-поварами Alchemist, ресторана с двумя звездами Мишлен в Копенгагене, чтобы поиграть с кулинарным потенциалом другого многоклеточного гриба, Neurospora intermedia.
Этот гриб традиционно используется в Индонезии для производства основного продукта питания, называемого онком, путем ферментации отходов, оставшихся от приготовления других продуктов, таких как тофу. Заинтригованные его способностью превращать остатки пищи в пищу, богатую белком, ученые и повара изучали гриб на тестовой кухне Alchemist. Они обнаружили, что N. intermedia по мере роста производит и выделяет множество ферментов. При выращивании на крахмалистом рисе грибы вырабатывают фермент, который разжижает рис и делает его очень сладким.
«Мы разработали процесс, включающий всего три ингредиента — рис, воду и грибы — чтобы приготовить красивую кашу яркого оранжевого цвета», — сказал Хилл-Майни. «Это стало новым блюдом в дегустационном меню, в котором в десерте используется грибковая химия и цвет. И я думаю, что это действительно показывает, что есть возможность соединить лабораторию и кухню».
