Микробные пищевые продукты для улучшения здоровья человека и планеты

Предлагаем вашему вниманию перевод опубликованной в Cell статьи, в которой рассмотрен один из путей развития пищевой промышленности — масштабный переход на новые микробные пищевые продукты. Пугает ли вас такой сценарий? Или и вы ждёте появления на обеденном столе новых «приятных и восхитительных вкусов и текстур»?

Авторы публикации — Леони Ян (Leonie J. Jahn), Ваю М. Рекдал (Vayu M. Rekdal) и Мортен О. А. Зоммер (Morten O. A. Sommer), биологи из Датского технического университета (дат. Danmarks Tekniske Universitet, DTU).

Аннотация

Нынешняя система питания оказывает негативное влияние на здоровье планеты и человека. Крайне необходим переход к устойчивой и справедливой продовольственной системе. Одним из инструментов реализации этого перехода, по-видимому, являются микроорганизмы, так как они способны, почти не воздействуя на окружающую среду, синтезировать вкусные и полезные пищевые продукты. В нашем обзоре рассмотрены традиционные и современные подходы к производству таких продуктов, как ферментированные продукты, микробная биомасса и пищевые ингредиенты, получаемые в результате микробной ферментации. Мы рассуждаем о том, как будущие достижения в наукоёмкой ферментации, синтетической биологии и стабильном обеспечении сырьём позволят создать новое поколение микробных пищевых продуктов, т. е. пищевых продуктов микробного синтеза, способных влиять на нашу систему питания — на её устойчивость, гибкость и полезность для здоровья.

Введение

Наша система питания ставит перед нами множество проблем, так как в настоящее время она крайне неустойчива, расточительна и в целом нездорова¹. Производство продуктов питания является наиболее важным фактором изменения климата и утраты биоразнообразия². Ущерб окружающей среде усугубляется неэффективностью продовольственной системы, что приводит к огромному количеству отходов³. В то же время одна значительная часть населения планеты недоедает⁴, а другая страдает от неинфекционных заболеваний, частично вызываемых потреблением подвергшихся глубокой переработке, высококалорийных продуктов питания⁵. Эти проблемы требуют от учёных, представляющих разные направления и виды науки, немедленных разномасштабных действий.

Микроорганизмы станут ключевыми ингредиентами рецепта позитивных перемен.

Микроорганизмы уже играют центральную, но часто упускаемую из виду роль в нашей продовольственной системе, начиная с производства и обработки пищи и кончая процессом потребления. Сельское хозяйство зависит от почвенного микробного биоразнообразия и растительных микробиомов, которые влияют на опыление, здоровье, урожайность, питательность и вкус растений^6,7,8. После сбора урожая сельскохозяйственные продукты часто подвергаются дополнительной обработке, и одним из её старейших и наиболее распространённых вариантов является микробиологическая ферментация⁹. Полученные таким образом продукты потребляются, и в пищеварительном тракте, где обитают сотни различных видов микроорганизмов, происходит метаболизм. Рацион человека существенно влияет на микробные сообщества в кишечнике, формирует их, что, в свою очередь, влияет на пищевой статус человека и общее состояние его здоровья¹⁰.

В системе питания микроорганизмы, помимо указанных основных функций, способны выполнять и другие. Мы можем использовать их для производства новых продуктов питания, чтобы смягчить кризис здоровья человека и всей планеты¹¹. Согласно данным двух недавних исследований, мы ослабим потенциал глобального потепления на 80%, а также сократим землепользование и водопользование, если удастся заменить все продукты животного происхождения на новые продукты питания, в частности на микробные белки и молоко, получаемое в результате прецизионной ферментации¹¹; мы сократим на 50% обезлесение и связанные с землепользованием выбросы в атмосферу углерода, если 20% мяса жвачных животных будет заменено микробным белком, который выращивается на потоках отходов производства сахарного тростника¹². Микробиологически произведённые продукты питания, определяемые здесь как «микробные пищевые продукты», создаются с помощью научно обоснованной микробной ферментации, микробной биомассы или пищевых ингредиентов, получаемых на фабриках микробных клеток (Рис. 1). Хотя в настоящее время микробное производство пищевых продуктов осуществляется как в кустарных, так и в промышленных масштабах, для реализации всего потенциала микробных пищевых продуктов следующего поколения потребуются инновации в нескольких областях. Эти области требуют 1 понимать и использовать микробное биоразнообразие для производства продуктов питания, чтобы улучшить здоровье человека и всей планеты; 2 применять наукоёмкую ферментацию и научные инструменты, включая генную инженерию, для улучшения производства микробных пищевых продуктов и 3 повышать эффективность продовольственной системы за счёт использования в качестве субстратов для создания микробных пищевых продуктов отходов и атмосферного углекислого газа.

Использование микробного биоразнообразия для улучшения здоровья человека и всей планеты

Микробиомы ферментированной пищи для устойчивого питания и здоровья

Ферментированную пищу, старейшую и традиционнейшую версию микробных пищевых продуктов, можно определить как твёрдую и жидкую пищу, производимую посредством контролируемой микробной трансформации ингредиентов¹³. Человечество использует микроорганизмы для создания пищи в течение тысячелетий^14,15,16; по-видимому, с самого раннего этапа своего развития¹⁷, на что указывает наблюдавшееся учёными намеренное ферментирование фруктов обезьянами¹⁸. Кроме того, давнюю связь между людьми и ферментированной пищей подтверждают генетические данные¹⁹. Например, в отличие от других млекопитающих, у людей имеется дополнительная копия рецептора гидроксикарбоновой кислоты 3 (HCA3). Эта копия взаимодействует с D-фенилмолочной кислотой — метаболитом, который обычно вырабатывается молочнокислыми бактериями и присутствует в ферментированных продуктах²⁰. Сегодня такие продукты широко используются во всём мире и составляют около одной трети потребляемых продуктов²¹.

Увеличение доли ферментированных продуктов в нашем рационе способствует оздоровлению планеты и человека сразу в нескольких аспектах. Рассмотрим эти аспекты.

Во-первых, ферментацию можно использовать для того, чтобы продукты питания лучше сохранялись и были более безопасными при потреблении. Условия ферментации и микробная активность снижают количество клеток патогенных организмов, например, за счёт изменения pH²², конкуренции в потреблении питательных веществ²³ или производства консервантов с противомикробной или противогрибковой активностью^24,25.

Вследствие этого ферментированные пищевые продукты зачастую безопаснее для потребления, чем их неферментированные аналоги²⁶.

Кроме того, увеличенный срок хранения многих ферментированных пищевых продуктов позволяет сократить потери продуктов питания во всех звеньях производственно-сбытовой цепи, начиная с полей и заканчивая магазинными и домашними полками, в результате чего растёт эффективность производства продуктов питания и улучшается использование пищевых ресурсов.

Во-вторых, микробная активность в процессе ферментации является мощным инструментом для создания de novo восхитительных вкусов и текстур. Разнообразные текстуры сыра, вкус шоколада, соевого соуса, вина и многих других твёрдых и жидких продуктов представляют собой результат микробной ферментации²⁷. Этот потенциал можно использовать для повышения привлекательности новых полезных для здоровья и экологически чистых продуктов питания. Поскольку органолептические свойства пищи определяют производство новых продуктов и выбор уже имеющихся²⁸, потенциал ферментации в плане создания приятных и восхитительных вкусов и текстур будет иметь огромное значение для изменения пищевых привычек в сторону более устойчивых вариантов.

В-третьих, в процессе ферментации происходит изменение питательного состава пищевых продуктов. Ингредиенты, содержащие такие антипитательные вещества, как фитиновая и щавелевая кислоты²⁹, которые хелируют ионы металлов и тем самым снижают питательный потенциал, содержание клетчатки³⁰, а в некоторых случаях даже токсины³¹, можно трансформировать путём ферментации в безопасную вкусную пищу. Например, маниока (Manihot esculenta), крахмалистые клубни которой могут расти на самых разных видах почвы, во многих южных регионах планеты является основным продуктом питания, хотя в её корнях и листьях высоко содержание цианидов³². Обычно эти корни и листья ферментируют, в результате чего содержание цианидов снижается до уровней безопасного потребления³³. Аналогичным образом ферментация может превращать в пищевые продукты растения и продукты, ранее пребывавшие за рамками системы питания, способствуя сокращению пищевых отходов и адаптации человечества к изменяющимся климатическим условиям путём создания новых сельскохозяйственных культур. Помимо улучшения здоровья планеты, изменения в составе питательных веществ могут служить и улучшению здоровья человека, так как ферментация может увеличивать биологическую ценность³⁴, снижать аллергенность³⁵ белков и добавлять витамины³⁶.

Наконец, микроорганизмы, создаваемые ими экзополисахариды, микробные строительные блоки, белки и метаболиты, вероятно, прямо или косвенно взаимодействуют с нашей физиологией, а также с микробиомом нашего кишечника, тем самым влияя на наше здоровье³⁷. Хотя исследований на тему интервенций в человеческий рацион было сравнительно мало, большинство полученных данных свидетельствует о том, что потребление ферментированных продуктов полезно для здоровья, особенно в плане смягчения метаболических заболеваний и улучшения управления весом и настроением, а также снижения общей смертности³⁷. В этом отношении представляет интерес недавнее исследование влияния, которое оказывает обогащение рациона ферментированными продуктами на воспаление кишечника и разнообразие кишечного микробиома у взрослых людей Запада³⁸. Было отмечено, что диета, обогащённая ферментированными продуктами, уменьшает воспалительные сигналы и увеличивает разнообразие кишечного микробиома³⁸. Чем объясняются эти положительные эффекты, ещё неясно, но определённую роль могут играть перемещение микробов из пищи в кишечник, поскольку микробы из ферментированных продуктов способны выжить в желудочно-кишечном тракте³⁹, и взаимодействия, которые происходят между микробными пищевыми метаболитами, кишечным микробным сообществом и организмом хозяина. Достижения в области метагеномного секвенирования в сочетании с клиническими испытаниями должны улучшить наши знания о микробных и молекулярных взаимодействиях между ферментированными продуктами и человеческим организмом. В долгосрочной перспективе, если потребление ферментированных продуктов действительно может изменить и обогатить микробиом нашего кишечника, эти продукты могут сыграть важную роль в противодействии критической потере микробного биоразнообразия кишечника⁴⁰ и связанному с этим ухудшению здоровья.

Микробное биоразнообразие как новый источник пищи

В ферментированных продуктах могут существовать разнообразные микробиомы; тем не менее, количество микроорганизмов, которые намеренно были добавлены в контролируемые человеком виды ферментации, остаётся весьма ограниченным. Хотя многие микроорганизмы, вероятно, не годятся на роль нашей пищи, изучение ареалов тех из них, которые потенциально съедобны, в сочетании с нашей растущей способностью культивировать их, а также генотипически и фенотипически характеризовать, обещает выявить новые метаболические возможности микробных пищевых продуктов, в том числе новые виды вкуса⁴¹, текстур, полезных для здоровья эффектов¹⁶ и положительно влияющих на питание микробов⁴² (Рис. 2). Как по применяемому подходу, так и по потенциальному воздействию этот «биологический поиск» новых полезных микробных штаммов может оказаться похожим на традиционный поиск по всему миру создаваемых различными микробами натуральных продуктов, увенчавшийся разработкой множества исключительно важных, глубоко повлиявших на нашу жизнь лекарств⁴³.

Изучение микробного биоразнообразия позволяет выявить новые организмы, биомасса которых можно непосредственно потребляться. В прошлом столетии были предприняты огромные усилия для анализа пищевых профилей микроорганизмов с конечной целью производства биомассы для питания людей и животных⁵⁰. Благодаря успехам в культивировании, в том числе в осуществлении подпитываемых процессов, в начале ХХ века стало возможным производить микробную биомассу из дешёвых потоков отходов в богатую белком биомассу⁵¹. Несмотря на крупномасштабные инвестиции в индустрию микробной биомассы и быструю окупаемость затрат⁵¹, с 1980-х годов на этом рынке осталась только одна компания. В то время как большинство компаний производило пищевые добавки, эта компания создала из экологического изолята нитчатого гриба Fusarium venenatum микопротеин, который имеет полный аминокислотный профиль, обладает мясными вкусом и текстурой и используется в ряде продуктов, имитирующих мясо⁵².

По прогнозам специалистов, производство микробной биомассы и её последующее внедрение в рацион человека окажут существенное положительное влияние на экологию. Созданная из сточных вод путём извлечения питательных веществ и анаэробного сбраживания микробная биомасса, если сравнивать её с говядиной, снижает на 96% негативное воздействие на климат, улучшает на 99% землепользование и снижает на 85% потребление пресной воды⁵³. Вот почему сейчас многие компании вернулись к идее использовать микробную биомассу и осуществлять инновации с применением новых методов ферментации⁵⁴ и организмов, включая альтернативы мясу, изготовляемые на основе съедобного штамма Fusarium из горячих источников Йеллоустона⁵⁵, и новые альтернативы молоку, изготовляемые на основе изолята из человеческого кишечника с исключительно высоким содержанием белка⁴².

Мицелий съедобных базидиальных грибов также привлекает всё большее внимание при производстве продуктов питания⁵⁶. Мицелиальные грибы известны прежде всего тем, что обладают богатым потенциалом для производства вкусных, питательных и естественно текстурированных продуктов, но, кроме того, своей способностью продуцировать биологически активные белки и метаболиты⁵⁷. Возможно, что многие из этих естественных организмов обладают лечебными свойствами; например, известно, что ловастатин, содержащийся в шиитаке, снижает у людей уровень холестерина⁵⁸. Съедобная плесень Monascus, которая является ключевым компонентом красного риса — традиционного ферментированного продукта, — также способна снижать уровень холестерина и используется в традиционной китайской медицине⁵⁹. Вероятно, есть и другие, неизвестные нам штаммы, ожидающие, что их откроют и будут использовать в лечебных целях. Дополнительные исследования требуются, впрочем, не только для определения терапевтического потенциала биоактивных соединений мицелия, но и для оценки безопасности известных и новых штаммов мицелиальных грибов.

Широкий доступ к ресурсам биоразнообразия позволяет совершенствовать не только производство микробной биомассы, но и ферментацию пищевых продуктов, что показали дрожжи рода Lanchacea, выделенные из кишечника осы и успешно применённые в коммерческом пивоварении. Эти дрожжи, во-первых, растут быстрее обычных пивоваренных дрожжей, а во-вторых — дают восхитительный фруктовый вкус^41,60.

Приведённые примеры красноречиво свидетельствуют о том, как важно выделять микроорганизмы из новых районов обитания, чтобы проверить их пригодность для производства продуктов питания (Рис. 2). Ожидается, что достижения в сфере глубокого метагеномного профилирования и методов культивирования в ближайшие годы сделают выявление новых микроорганизмов, пригодных для производства продуктов питания, ещё более стремительным.

Микробные пищевые продукты нового поколения на основе научно обоснованной ферментации и синтетической биологии

Научно обоснованная ферментация для устойчивого и здорового производства продуктов питания

Несмотря на кажущуюся точность и воспроизводимость многочисленных методов ферментации, многие из них были разработаны эмпирически, без глубокого понимания лежащей в их основе микробиологии⁶¹. Классифицируя виды ферментации, можно выделять «дикие»^62,63 и инокулированные преднамеренно⁶⁴. В первом случае микробы появляются из субстрата или из окружающей среды, во втором — вводятся как заквасочные культуры или добавляются из предыдущей партии ферментации (добавление барды предыдущего брожения). Эти различные методы в сочетании с человеческим влиянием на формирование условий ферментации путём выбора субстратов и регулирования доступности кислорода, концентрации соли и температуры используются для того, чтобы воздействовать на ферментирующие микробные сообщества.

Однако мы только сейчас начинаем понимать микробиологию и биохимию пищевой ферментации. Благодаря культивированию и секвенированию ДНК традиционных и новых ферментированных продуктов стало ясно, что ферментированные продукты обязаны своими качествами огромному биоразнообразию микроорганизмов. Традиционные ферментированные продукты часто содержат очень сложные, но при этом устойчивые сообщества микроорганизмов⁶⁵, в отличие от современных заквасочных культур, которые обычно требуют поддерживать определённые условия роста. Следовательно, научное исследование ферментации должно учитывать сложность природных микробных сообществ, чтобы в будущем появились более надёжные закваски. Критическое значение для формирования вкуса, помимо разнообразия на уровне типов и видов, имеют штаммоспецифические вариации в ферментированных пищевых продуктах. Например, в ходе филогенетической кластеризации и геномного анализа 30 штаммов бактерии Streptococcus thermophilus, производящей йогурт, недавно обнаружены специфические мутации, связанные с повышенным производством уксусной кислоты и улучшением вкуса йогурта⁶⁶.

По мере углубления наших знаний о ферментирующих микробных сообществах становится возможным разрабатывать более сложные и специализированные виды ферментации. Например, учёные изучили, как функционирование популярных овощных ферментов, содержащихся в квашеной капусте, кимчи и маринованных огурцах, связано с изменением с течением времени уровня кислотности⁶⁷. Выбор определённой продолжительности ферментации может увеличить или определить уровень кислотности, влияя на вкус, срок годности и безопасность пищевых продуктов⁶⁷. Ключевым параметром для управления процессом ферментации помимо времени является температура. Недавнее исследование, в ходе которого проводилось сравнение различных температур ферментации при производстве йогурта, показало, что для оптимизации питательной ценности йогурта лучше всего подходит температура 37°C (свободные аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты), а вкусовой профиль оптимален при 42°C, т. е. при обычной для промышленного изготовления йогурта температуре⁶⁸. Чтобы модифицировать закваски, можно использовать не только условия ферментации, но и, к примеру, обогащение традиционных заквасок бактериями, способными синтезировать для повышения пищевой ценности продуктов витамин B12⁶⁹.

До сих пор влияние различных заквасок и условий ферментации изучалось на отдельных ферментах и в скромных масштабах. Систематические исследования, база данных выявленных фактов и прогнозирование на основе искусственного интеллекта могли бы стать отличными инструментами для более лёгкого достижения при управлении процессами ферментации конкретных характеристик, таких как вкус, текстура, питательная ценность и оздоровительные эффекты (Рис. 2).

Улучшение натуральных пищевых микробиомов с помощью синтетической биологии

Выявление свойств микроорганизмов, оптимальных для производства пищевых продуктов, делает возможным улучшение этих характеристик. Одомашнивание⁷⁰, адаптивная лабораторная эволюция⁷¹, селекция⁷² и скрининг естественной изменчивости⁷³, а также случайный мутагенез в сочетании с селекцией⁷⁴, являются общепризнанными методами, которые можно использовать для выявления штаммов с улучшенной функциональностью. Недавно сообщалось об успешном лабораторном одомашнивании для производства сыра нового вида Penicillium, что свидетельствует о пригодности данного подхода для улучшения или создания желаемых свойств микроорганизмов⁷⁵.

Генная инженерия позволяет придавать микробным пищевым продуктам совершенно новые свойства. Недавно это было продемонстрировано на пивных дрожжах Saccharomyces cervisiae: для производства линалоола и гераниола, двух основных детерминантов вкуса в охмелённом пиве, учёные применили CRISPR-Cas9-инженерию⁷⁶. Генетически модифицированные дрожжи позволяют обходиться без традиционно применяемого хмеля Humulus lupulus, экономя затраты пивоваров, снижая воздействие на окружающую среду⁷⁷ и открывая новые возможности для точного контроля вкуса. Аналогичный подход к производству вкусовых компонентов может быть распространён на другие съедобные микробы для улучшения ферментации пищевых продуктов за счёт производства на месте ароматических и вкусовых соединений. Недавно оказались коммерчески привлекательными в качестве заменителей мяса на растительной основе создаваемые различными организмами гемоглобины. Их старт на данном поприще представляет значительный интерес, ибо их можно трансформировать в съедобную микробную биомассу или в ферменты на растительной основе⁷⁸.

Удаление неприятных привкусов — ещё одна потенциальная область применения генной инженерии. Фотосинтезирующие цианобактерии питательны, растут на устойчивых ресурсах питательных веществ, однако из-за образования неприятных привкусов они пока что используются как микробная биомасса для производства продуктов питания весьма ограниченно⁷⁹. Применяя высокопроизводительную культивацию и метаболомический скрининг, пути возникновения привкусов можно успешно выявлять, а затем полностью устранять⁸⁰.

Кроме того, для решения глобальных проблем в продовольственной сфере генные инженеры обещают разработать программирование микробного содержания питательных веществ. Микробы будут конструироваться для увеличения содержания белка за счёт сверхэкспрессии ценных белков с идеальным балансом аминокислот⁸¹. Вдобавок, чтобы добиться высокой производительности, можно сверхэкспрессировать рационально сконструированные белки с оптимальными пищевыми профилями⁸². А ещё можно сконструировать микробы для производства таких питательных веществ, как предшественники каротиноидных витаминов⁸³, которые в настоящее время предполагается использовать для создания микробного корма для рыб⁸⁴ или для производства полезных для здоровья веществ и лекарств. Учёные, возможно, совместят конструирование пробиотиков для лечения заболеваний и предоставления полезных для здоровья добавок in situ в желудочно-кишечном тракте с разработкой новых продуктов питания⁸⁵.

Вдобавок генная инженерия способна оказать помощь в воссоздании — по крайней мере частичном — таких неблагоприятно влияющих на экологию продуктов животного происхождения, как яйца и молочные продукты. Для этого нужно использовать микроорганизмы в качестве клеточных фабрик, где микробы генетически запрограммированы на перепроизводство белков или молекул, которые можно собирать из клеток или супернатантов в биореакторах⁸⁶. Данный подход традиционно применяется по отношению к ферментам и пищевым ингредиентам⁸⁷, но компании всё чаще прибегают к использованию этой технологии для производства заменителей экологически дорогостоящих продуктов, таких как молочные продукты, яичные белки и жиры. В настоящее время наиболее важными являются молочные белки, такие как казеины и сыворотка, которые производятся в различных микробных хозяевах^88,89,90. Всё большее число компаний разрабатывает на основе этой технологии заменители молочных продуктов, и исходные продукты уже представлены на рынке США⁹¹. Использование синтетической биологии позволяет нам переосмыслить традиционные продукты животного происхождения, поскольку теперь можно контролировать точный питательный состав и рецептуру этих продуктов, чтобы разрабатывать продукты, специально адаптированные к нашим потребностям в питании и здоровье, а также к нашим кулинарным предпочтениям.

Устойчивые субстраты для производства микробных продуктов питания

Микроорганизмы играют решающую роль в круговороте питательных веществ во всех экосистемах Земли⁹². Частью этого круговорота является фиксация атмосферных газов, включая углекислый газ, метан и азот^93,94,95, а также разложение органики⁹⁶ и даже неорганики⁹⁷. Метаболическую способность микроорганизмов расти на различных субстратах, включая метан, лигноцеллюлозу и углеводороды, можно использовать для того, чтобы сделать производство микробных пищевых продуктов ещё более устойчивым путём предоставления микробам возможности эффективно преобразовывать непищевые субстраты в человеческую пищу^50,98.

В Индонезии потоки отходов используются в качестве субстрата для микробной ферментации на протяжении столетий. Здесь побочные продукты производства соевого молока (соевая пульпа, или окара) и арахисового масла (арахисовый жмых) инокулируются съедобным нитчатым грибом Neurospora intermedia для производства онкома — микробного пищевого продукта, который в местной кухне либо жарят, либо добавляют в тушёное мясо⁹⁹. Приготовленный онком по вкусу напоминает мясной фарш и богат белком¹⁰⁰. Даже без учёта ферментации производство микробных белков из потоков отходов и CO₂ интенсивно изучается и уже используется в промышленности¹⁰¹. Развитие производства продуктов питания на основе таких потоков отходов может оказать существенное положительное влияние на общий выброс CO₂ глобальной продовольственной системы¹².

Многие широко распространённые потоки отходов, такие как пивная дробина, кукурузная солома, рисовые и пшеничные отруби, имеют благоприятный питательный состав с высоким содержанием клетчатки и белка^102,103,104. Сами по себе эти потоки отходов нежелательны или недостаточно удобоваримы для человеческого желудка. Микробная ферментация питательных отходов может сделать питательные вещества более доступными, а также создать желаемую пищу. Помимо благоприятного влияния на устойчивость питания, такие богатые клетчаткой рационы, вероятно, окажут положительное воздействие и на здоровье человека, ибо клетчатка способствует увеличению микробного разнообразия кишечника и улучшению обмена веществ¹⁰⁵.

Заглядывая вперёд

Ферментированные продукты, микробная биомасса и производимые микробами ингредиенты имеют долгую историю безопасного потребления и обладают огромным потенциалом для обеспечения устойчивого, сытного и вкусного питания растущего населения планеты. Включение микробных пищевых продуктов в наш рацион имеет огромный потенциал для радикального снижения воздействия на окружающую среду, поскольку 1 микробная биомасса оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем некоторые традиционно выращиваемые культуры¹⁰⁶; 2 пищевые отходы и другие источники углерода можно превращать во вкусную еду, повышая тем самым эффективность землепользования и сокращая отходы, а также выбросы углекислого газа¹⁰⁷; и 3 пища, получаемая с помощью микробов, может полностью заменить экологически дорогостоящие пищевые продукты. Мало того, что микробные пищевые продукты оказывают весьма слабое воздействие на окружающую среду, — их, к тому же, можно массово производить из ограниченных ресурсов в биореакторах, т. е. независимо от климатических условий и природных катастроф, что позволит обеспечивать пищей уязвимые группы населения¹⁰⁸. Наша способность совершенствовать синтез микробов и пищевых ингредиентов открывает широкий простор для создания персонализированных, питательно и здравоохранительно оптимизированных видов диеты.

В настоящее время в сфере создания пищевых продуктов мы наблюдаем потрясающий воображение взрыв инноваций, при этом ключевую роль играет промышленность. Некоторые компании, специализирующиеся на ферментации, предприняли попытки создать восхитительные варианты вкуса (например, проекты Noma¹⁰⁹) и устойчивые альтернативы мясу (например, MATR Foods¹¹⁰, Mediterranean Food Lab¹¹¹). В таких компаниях, как MyForest food¹¹², исследуют натурально текстурированную микробную биомассу, получаемую в результате твёрдофазной ферментации. На основе микробной биомассы, создаваемой из глубинной культуры, удалось разработать производство различных заменителей мяса (например, Quorn¹¹³, Mycorena¹¹⁴). Новые подходы, предположительно с использованием поверхностной ферментации на жидких субстратах, изучаются, например, в компании Aqua Cultured Foods¹¹⁵, чтобы создать альтернативу цельным морепродуктам. Помимо заменителей мяса, генерируются микробные белковые порошки, например, за счёт улавливания углерода (Air Protein¹¹⁶, Solar Foods¹⁰¹). Сходным образом, для замены растительных масел могут использоваться выделенные из микробной биомассы липиды, что продемонстрировала, например, компания Zero Acre Farms¹¹⁷, а компании Melt&Marble¹¹⁸ и Nourish Ingredients¹¹⁹ производят рекомбинантные животные жиры. Другие рекомбинантные продукты из клеточных фабрик — это кисломолочные продукты, которые производит растущий ряд компаний, в частности Perfect Day⁹¹ и Remilk¹²⁰.

Однако реализация потенциала микробных пищевых продуктов в больших масштабах потребует решения крупных проблем разного уровня.

Во-первых, следует тщательно оценить воздействие этих продуктов на устойчивость питания, чтобы определить, являются ли они более выгодными в данном отношении, чем существующие альтернативы. Это создаст фундамент для обоснования инвестиций в крупномасштабную инфраструктуру, разработку продуктов и маркетинг.

Во-вторых, микробные пищевые продукты должны быть питательными и безопасными для употребления, а также иметь привлекательный вкус, текстуру и внешний вид, чтобы конкурировать с продуктами, представленными на рынке в настоящее время. Хотя провести анализ питательной ценности пищи нетрудно, количественная оценка безопасности и органолептических свойств пищи до сих пор далека от идеала. Многие микроорганизмы продуцируют вторичные метаболиты, большинство из которых не охарактеризовано. Между тем, некоторые метаболиты могут оказаться токсичными. Для выяснения степени безопасности определённых микробных пищевых продуктов важно разработать быстрые и надёжные тесты на производство микробами токсинов. Вдобавок, чтобы исключить токсические или аллергенные эффекты, следует тщательно тестировать на безопасность и микробную биомассу. При этом нам необходимо разработать систему простого и эффективного мониторинга долгосрочных последствий использования микробной биомассы в нашем рационе. Более того, органолептические свойства обычно оцениваются в рамках органолептического анализа или путём количественных измерений с помощью метаболомических или текстурных анализаторов. Органолептический анализ имеет качественный характер и зависит от ряда личных и ситуационных факторов, а количественные измерения очень трудно переводить на язык реальных ощущений. Следовательно, нам потребуется разработать новую систему, способную интегрировать количественные и качественные данные для оценки и описания пищевых продуктов.

В-третьих, микробиом и влияние нашего рациона на здоровье нуждаются в дополнительном изучении в рамках клинических исследований на тему интервенций в питание, а также в рамках фундаментальной молекулярной биологии, позволяющей выявить конкретные механизмы. Впоследствии, опираясь на полученные данные, необходимо соответствующим образом обновить рекомендации по питанию.

В-четвёртых, устойчивая продовольственная система должна быть равноправной, справедливой и повсеместно доступной. Многие традиционные процессы ферментации были разработаны или всё ещё практикуются на Глобальном Юге¹²¹. Хотя наука может дополнительно оптимизировать эти методы для получения новых устойчивых продуктов питания, нам необходимо подумать о том, как отдать должное богатым традиционным знаниям. Кроме того, будущие разработки микробных пищевых продуктов должны учитывать технологическую доступность и возможность производства в различных контекстах. В то время как традиционные методы ферментации развивались в местных условиях и хорошо адаптированы к местным материалам и климатическим условиям, современное микробное производство продуктов питания, включая получение биомассы и ферментацию с использованием определённых заквасочных культур, обычно осуществляется крупномасштабно, промышленно, в строго контролируемых условиях. В будущем для производства микробных пищевых продуктов в больших количествах потребуется разработать более технологичные решения, внедрение и эксплуатацию которых можно будет осуществлять везде.

Наконец, хотя, по прогнозам, развитие производства новых микробных пищевых продуктов зависит, в основном, от генной инженерии, широкое внедрение этих продуктов встречает на своём пути серьёзные преграды в виде существующих во многих частях мира ограничительных норм и скептицизма потребителей в отношении генетически модифицированных организмов. Если данные проблемы будут решены, микробные пищевые продукты могут радикально изменить нашу продовольственную систему уже в ближайшие годы.

Благодарности

Работа была поддержана грантом NNF NNF20CC0035580 Фонда Ново Нордиск (Novo Nordisk Foundation), Институтом хорошей еды (Good Food Institute), а также стипендией Института Миллера (Miller Institute) для фундаментальных научных исследований.