Синтетическая биология изменит то, как мы выращиваем пищу, что мы едим и где мы получаем материалы и лекарства. Кристофер Войгт из Массачуссетского института технологий (США) в своем обзоре в журнале Nature выбрал шесть продуктов, которые сейчас представлены на рынке, выделив базовые технологии и заглянув в будущее, которое можно ожидать в течение следующих десяти лет, передает журнал Агробизнес.
За последнее десятилетие произошел быстрый технический прогресс, и продукты синтетической биологии быстро проникают в общество. И к 2030 году будет весьма вероятным, что вы их ели, носили, использовали или лечились ими.
Хотя существует множество биотехнологических, фармацевтических и сельскохозяйственных компаний, автор выбрал те продукты, которые, по его мнению, лучше всего отражают применение инструментов синтетической биологии, разработанных в 2000–2020 годах и доступных к 2021 году. Мы расскажем о тех из них, которые имеют отношение к сельскому хозяйству и производству продуктов питания.
Бургеры с кровью
Компания Impossible Foods признала, что кровь, особенно железосодержащий гем, важна для вкуса и ощущений от еды гамбургера. Некоторые корни растений «кровоточат» при срезании, и дрожжи Pichia pastoris были разработаны для производства соевого легоглобина, который улучшает мясной вкус и аромат при добавлении в бургер на растительной основе. Оптимизация производственного штамма включала синтез ДНК, сборку Гибсона, библиотеки генетических частей и петлю положительной обратной связи для автоиндукции. По сравнению с котлетой из говядины, Impossible Burger требует на 96% меньше земли и на 89% меньше парниковых газов. Их продукция доступна в более чем 30 000 ресторанов и 15 000 продуктовых магазинов по всему миру.
Количество пищевых добавок, получаемых из модифицированных дрожжей, быстро растет, и появляются продукты, содержащие витамин E (DSM), стевию (Amyris и DSM) и молочную сыворотку (Perfect Day). Также можно реконструировать биологические пути животных; например, производство акульего сквалена для вакцин и гормонов моли для уничтожения сельскохозяйственных вредителей.
Удобрение для кукурузы
Фермеры должны добавлять азот в сельхозкультуры для получения высоких урожаев, большая часть которых производится с использованием промышленного химического процесса, который потребляет 1-2% мировой энергии. Бактерии, связывающие азот из воздуха, используются в качестве биологических азотных удобрений, но они несовместимы с зерновыми культурами (кукуруза, пшеница, рис). Pivot Bio создала первое биологическое удобрение для кукурузы на основе γ-протеобактерии (KV137), которая ассоциируется с корнями кукурузы и имеет необходимые гены для фиксации азота. Однако гены отключаются, когда это больше всего необходимо, поэтому для включения генов использовалась синтетическая биология, которая руководила ремоделированием генома KV137. Эта бактерия является активным ингредиентом жидкого удобрения Proven, которое снижает потребность в химических удобрениях на 25 фунтов/акр (28 кг/га), увеличивая урожайность на 5,8 бушелей (147 кг). В отличие от химических удобрений, дождь не выщелачивает азот в грунтовые воды, являющиеся основным источником загрязнения, и не попадает в атмосферу в виде мощного парникового газа N2O. В 2020 году Proven использовался на более 100 000 га (на фото вверху), а затем площадь увеличилась кратно в 2021 году.
Почва, вода и животные являются местом обитания сложных микробных сообществ, в которых есть потенциал для добавления полезных функций или устранения вредных функций этих экосистем. Сделать это путем внедрения нового штамма может быть сложно, поскольку среда микробиома плохо охарактеризована, динамична и экологически богата. Лучше всего выполнять новую функцию из целевой среды, поскольку их способность процветать в этом контексте нетривиально закодирована в их геноме; например, Pseudomonas simiae требует 115 генов для оптимальной колонизации корня. Есть много потенциальных препятствий, из которых можно выбирать: микробиомы могут быть заняты тысячами видов, а инструменты для генетической модификации не одомашненных бактерий улучшились. Достижения в области микрофлюидики, трансформации и редактирования генома упрощают культивирование видов и вставку больших фрагментов ДНК. Используя эти методы, инженерные бактерии, ассоциированные с растениями, проходят испытания для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, защиты от вредителей и увеличения допустимого диапазона климатических и почвенных условий. В более широком смысле, искусственно созданные пробиотики могут вакцинировать цыплят, защищать медоносных пчел от клещей, предотвращать выживание малярии среди комаров, а также в качестве лечения людей от инфекций, воспалений, нарушений обмена веществ и ожирения.
Масло с высоким содержанием олеиновой кислоты
Масло Calyno от компании Calyxt — первый продукт из растения с измененным геномом, который попал в продукты питания США. Соевое масло на 90% состоит из масла семян, но с высоким содержанием линолевой кислоты, которая нестабильна при хранении и быстро разлагается во фритюрнице. Чтобы уменьшить количество пищевых отходов, его можно частично гидрогенизировать, но это приводит к нездоровым трансжирам Calyxt отредактировал геном сои, чтобы инактивировать два гена десатуразы жирных кислот, которые снижают выработку нестабильной линолевой кислоты. Делеции (хромосомные перестройки) дают масло, содержащее 80% олеиновой кислоты, тогда как у немодифицированной сои — только 20%. Редактирование гена выполнялось с использованием эффекторных нуклеаз, подобных активаторам транскрипции (TALEN), которые можно запрограммировать на разрезание целевой последовательности ДНК. Это приводит к небольшим делециям и отсутствию рекомбинантной ДНК, что упрощает одобрение регулирующих органов, в отличие от предшествующих попыток заглушить гены с помощью РНК-интерференции. Масло Calyno было выпущено в 2019 году, и теперь соя с отредактированным геномом выращивается на примерно 40 000 га.
Редактирование генома произвело революцию в биотехнологии, и многие продукты выйдут на рынок в течение следующего десятилетия, особенно в сельском хозяйстве и медицине. TALEN и более ранние методы могут направлять изменения в расположение генома с высокой точностью, но их сложно спроектировать. CRISPR/cas9 решает эту проблему. Многие продукты находятся на подходе со 140 геномноизмененными вариантами 36 сельхозкультур, которые улучшают урожайность и питание, уничтожают инфекции и вредителей и расширяют диапазон условий. Горчица с улучшенным вкусом (компания Pairwise) или улучшенная кукуруза восковой спелости (Corteva) могут быть первым построенными продуктами по технологии CRISPR/cas9, чтобы попасть в поставки продовольствия в 2021 году. Геном домашнего скота, птицы и рыбы также редактируется с использованием 67 примеров, включая безрогий рогатый скот (устранение физического удаления рогов), овец с более длинной шерстью, коз, которые производят молоко с человеческим сывороточным белком, устойчивых к вирусам свиней и цыплят, а также яйца, не содержащие аллергенов.
Что еще ждет в будущем?
Футуристическая анимация представляла людей, летающих на пчелах, деревья, которые превращаются в дома, и жилые космические корабли, похожие на кальмаров. Это может быть преувеличением, но Кристофер Войгт также рассматривает это как способ изобразить появление компонентов биологического происхождения в обществе: материалы насекомых в аэрокосмической отрасли, токсичные клеи в архитектурных материалах заменены мицелием, а НАСА обращается к синтетической биологии для производства продуктов питания и лекарств для дальних космических путешествий. В следующем десятилетии появится больше продуктов, чьи превосходные характеристики и доступность будут основаны на инженерной биологии. Эта область уже оказывает влияние. Годовой объем продаж описанных здесь продуктов составляет около 2 млрд долл., и доля немедицинских приложений будет неуклонно расти. Мы стоим на пороге потока новых инноваций; в 2030 году для написания подобного обзора может потребоваться пересмотр сотен, если не тысяч, продуктов.
По мере роста населения и увеличения количества продуктов ферментации сахар станет менее жизнеспособным сырьем для производства потребительских товаров. В течение следующих десятилетий необходимо будет разработать новые микробные системы, которые могут извлекать углерод из альтернативных источников, таких как пластиковые отходы, или CO2 из атмосферы либо напрямую, либо путем связывания с неорганическим «искусственным листом». Пресная вода также является ограниченным ресурсом, который интенсивно используется в ферментации, и могут быть разработаны галофилы, которые будут расти в биореакторах, содержащих океанскую воду. Бесклеточное производство предлагает потенциал для сокращения использования воды, физического воздействия и неопределенности клеточных связей.
После 2030 года продукты перейдут на системы, в которых элементы предназначены для совместной работы или интеграции в неживые материалы или электронику. В сельском хозяйстве функции могут быть распределены между созданными симбиозами растений и бактерий, предназначенными для взаимодействия и взаимодействия друг с другом и с БПЛА, получения информации и отправки сигналов для контроля экспрессии генов в ответ. Котлеты для гамбургеров будущего могут быть выращены с использованием консорциумов бактерий, грибов и клеток домашнего скота, подобных йогурту или сыру, которые вместе создают тактильные структуры и синтезируют молекулы для питания, вкуса и аромата. Архитектурные материалы, напоминающие жилые здания Сингапура, могут быть встроены в живые инженерные клетки, которые обеспечивают ответные функции, такие как самовосстановление или очистка воздуха от загрязнения. Чтобы сохранить инфраструктуру, разработанные консорциумы красок могут предотвратить биообрастание корпуса судна и уменьшить коррозию трубопроводов, или будут распыляться на поверхность для стабилизации почв аэродрома. Связь инженерных живых клеток с электроникой способствует созданию интерфейсов «мозг-компьютер» и роботов, которые используют живые сенсоры для навигации или генерации энергии из окружающей среды. Для полной реализации этой возможности требуются инструменты проектирования, которые настолько надежны, что миллионы вариантов не нужно проверять, и стратегии создания прототипов, выходящие за рамки измерений титра, которые могут оценивать производительность в смоделированных реальных средах.
3 )
КОММЕНТАРИИ