Біологія
Біологія

Мікробна ферма. Як отримують молоко та інші тваринні продукти із мікроорганізмів?

Поступове збільшення населення, вичерпування ресурсів та екологічні проблеми призведуть до кардинальних змін у харчовій промисловості. Зокрема, перетворення стосуватимуться продуктів тваринного походження, що обґрунтовано прагненням людства зменшити вуглецевий слід та уникнути жорстокого поводження з тваринами. У матеріалі «М'ясо з пробірки» ми вже розповідали, як класичне тваринництво замінюється вирощуванням м'яса та морепродуктів із м'язових клітин у біореакторах. Але чи можемо ми обходитися взагалі без експлуатації тварин? Адже це джерело не тільки м'ясної продукції, але й молока, яєць, масла, сиру і таких менш очевидних речей, як колаген або желатин. Попит на джерела білка зростає і щоб задовольнити його, потрібно знайти здорову альтернативу тваринництву, без втрати звичних смакових якостей. Тож цього разу поговоримо про більш незвичні синтетичні продукти з мікробів, метою яких є зміна процесу виробництва, а не зміна їжі.

Картина з science art проєкту «Метатіла» (2013), створена завдяки мікроорганізмам і синтетичній біології. Ars Electronica / Flickr

Картина з science art проєкту «Метатіла» (2013), створена завдяки мікроорганізмам і синтетичній біології. Ars Electronica / Flickr

Чому не влаштовують рослинні аналоги?

Виробництво харчових продуктів за допомогою рослин використовує велику кількість води, займає значні площі землі й не може гарантувати продовольчу безпеку. Промислове сільське господарство є руйнівним для довкілля, сприяє зміні клімату, погіршує здоров'я населення. Попри те, що з'явилося багато замінників, зокрема, молока, які виготовлені на основі вівса, сої, мигдалю та іншого, вони зовсім не схожі на смак традиційного молока і під час приготування їжі поводяться інакше.

Смак веганського сиру теж відрізняється. Любителі звичайного сиру навряд чи задовольняться, якщо їм запропонують замість піци «Чотири сири» альтернативу з веганською моцарелою і чедером. Веганські сири готуються з рослинних олій, горіхів та ароматизаторів, і не дивлячись на те, що вони стають дедалі кращими, вони не можуть повністю відтворити текстуру, запах і смак молочного сиру, а також значно відрізняються за поживністю. Інша проблема продуктів рослинного походження — це низький вміст білка і нестача незамінних амінокислот, необхідних у раціоні людини.

Отже, відмовитися від споживання звичних тваринних продуктів у найближчому майбутньому людство точно не зможе. Тому слід знайти щось, що матиме усі переваги тваринної їжі, максимально виключаючи її шкоду, а може навіть покращуючи властивості оригіналу. Наприклад, робити продукцію безлактозною або ж без цукру чи холестерину і з меншим ризиком спричинити алергію. Такі продукти націлені й на аудиторію, що вже відмовилася від продуктів тваринного походження, і на ту, яка не збирається виключати їх із раціону.

Wellcome Collection gallery / Wikimedia Commons 

Wellcome Collection gallery / Wikimedia Commons

Як отримуватимуть тваринну їжу без тварин?

Одним з найбільш перспективних шляхів отримання тваринної їжі етичним шляхом є використання модифікованих мікроорганізмів. Дріжджі, гриби та бактерії здатні виробляти тваринний білок, жири та інші важливі харчові компоненти. А допомагає їм у цьому ферментація, яка пройшла довгий шлях від домашнього консервування до виробництва харчових продуктів та напоїв у промислових масштабах, а також складної технології виготовлення фармацевтичних препаратів, біохімічних речовин та ферментів. Тепер ферментація стає однією з ключових технологій, трансформуючи процес отримання білків, який традиційно залежить від тваринництва.

Якщо ввести тваринний білок в мікроорганізми, належно годувати їх і забезпечити гарними умовами для росту, це дозволить їм синтезувати білки з амінокислотними послідовностями, ідентичними тим, що отримані від тварин. Поєднання різних методів ферментації з сучасними технологіями, зокрема синтетичною біологією, дозволяють створювати продукти, які можуть конкурувати з аналогічними тваринного походження. Тож розглянемо на прикладі яєчних білків.

Біотехнологічна компанія The EVERY Company (що ще нещодавно була Clara Foods) із Сан-Франциско спеціалізується на яєчних білках. Процес їх створення полягає у використанні дріжджів та цукру з подальшою ферментацією та застосуванням передових технологій для створення білка майбутнього. The EVERY Company виробляють свою продукцію методами синтетичної біології, працюючи з генетичними послідовностями, як програмісти з комп'ютерним кодом, які потім вставляють у геном мікроорганізмів, як-от дріжджів та бактерій.

Компанія налагодила виробництво в досить великих масштабах і заявляє про те, що за такого підходу до виготовлення синтетичного тваринного білка суттєво знижуються витрати та скорочується обсяг відходів. До кінця 2021 року стартап планував розпочати випуск синтетичного аналога яєчних білків і виконав обіцянку. Їхній білок має назву ClearEgg, та поки що використовується як інгредієнт для смузі. Коктейль вже пропонують в офісах Нью-Йорка і Лос-Анджелеса за ціною 7,95 долара. Високорозчинний яєчний білок надалі використовуватиметься в протеїнових напоях, батончиках, випічці та інших харчових продуктах. Подібно до того, як виготовляються пишні булочки або пиво, за такою ж схемою готується яєчний білок — не альтернатива, а справжній білок, але без курки.

Як щодо молочних продуктів?

Perfect Day Foods, найстаріша (створена у 2014 році) та найбільш фінансована серед конкурентів компанія, зробила молочні продукти нетваринного походження: йогурт, сир, молоко та морозиво. Щоб отримати версію молока майбутнього, потрібно ввести тваринні гени в організм, відмінний від коров'ячого. Гени корови можна отримати не інвазивним способом з волосся або навіть мазка зі щоки, але для команди все було ще простіше, оскільки ці гени вже були занесені до відкритих наукових баз даних. Використовуючи мікроорганізми, їм дають генетичний «план», що відповідає білкам сироватки та казеїну, даючи бактеріям та грибкам здатність виробляти справжні молочні білки, ідентичні коров'ячим. Мікрофлора, харчуючись рослинним цукром, вирощується у великих резервуарах при оптимальних pH, температурі та солоності. У результаті виходять білки, ідентичні тим, що в традиційному молоці, але вони не містять лактози, холестерину, гормонів чи антибіотиків. Такі собі молочні ферми без корів. Перші продукти компанії вже вийшли на ринок, це два види морозива, які можна купити на сайті.

За такою ж схемою працюють і інші стартапи, такі як Real Vegan Cheese, що додають гени сирних білків до дріжджів та іншої мікрофлори й перетворюють їх на маленькі білкові фабрики, а потім виготовляють справжній сир, додаючи рослинні жири та цукор.

Наше сприйняття їжі пов'язане зі взаємодією багатьох органів чуття. Ми відчуваємо запах летких молекул, те, як жири тануть за різних температур у роті, і смак певних амінокислот у білках. Тож стартап Change Foods намагається досягти того, щоб їхній сир набув такої ж текстури й консистенції, як і молочний — був еластичним і плавким та зберіг усі корисні речовини, притаманні оригінальному.

На що ще здатні мікроорганізми?

У березні 2021 року вищезгадана The EVERY Company заявила про перший у світі комерційний запуск біоідентичного мікробного пепсину — ферменту, що зазвичай виробляється клітинами слизової оболонки шлунка, і здійснює розщеплення білків їжі на амінокислоти. Оскільки пепсин грає велику роль у травленні ссавців, його часто приймають як біодобавку, а також використовують у чистому вигляді або у складі сичужної закваски для згортання молока при виробництві сирів, жувальних цукерок та інших видів харчових продуктів. Отримують пепсин зі слизової оболонки шлунка свиней, але добавку не вимагають вказувати як інгредієнт на етикетках харчових продуктів. Для виробництва 1 кг свинячого пепсину потрібно понад 100 свиней, а крім цього на постачання продукту можуть впливати такі фактори, як свинячий грип.

Подібною є ситуація і з інсуліном, для якого до 1978 року також була потрібна величезна кількість підшлункових залоз сільськогосподарських тварин. Але зараз, завдяки Genetic Engineering Technology, кишкова паличка та пекарські дріжджі, у геном яких впроваджують відповідну ділянку ДНК тварин, самостійно виробляють людський інсулін. Мета The EVERY Company – замінити продукти тваринного походження на більш екологічну та безпечну альтернативу, але з тією самою функціональністю та конкурентоспроможною вартістю.

Натомість компанію Geltor цікавить колаген без використання тварин. Вони хочуть виробляти солодощі та косметику, замінивши желатин та колаген на синтетичний аналог. Geltor вже зробили мармеладних ведмедиків з желатину, отриманого зі збереженої ДНК мастодонтів – вимерлих слоноподібних істот, послідовність білків яких викладена у відкритому доступі. Відтворюючи необхідний відрізок ДНК мастодонта, вони створили справжній палеожелатин, який змішали з цукром і пектином та отримали желатинові цукерки. Як вам ідея желейок з білка мастодонта? Творці жартують, що, можливо, саме це і є справжньою палеодієтою, а не все те, що зазвичай нею називають. Це цілком могло би бути science art проєктом.

Виставка мастодондів в Музеї штату Нью-Йорк. Kenneth C. Zirkel / Wikimedia Commons 

Виставка мастодондів в Музеї штату Нью-Йорк. Kenneth C. Zirkel / Wikimedia Commons

Крім того, Geltor виростили в лабораторії справжній лист шкіри для книжкової палітурки, який був виставлений на eBay зі стартовою ставкою 10 000 доларів. Пол Шапіро, автор книги «Чисте м'ясо», шукав того, хто зможе зробити для його книги подібну палітурку, і Geltor зголосилися йому в цьому допомогти, обравши для цього гнучкий, але твердий колаген медузи. Тим самим автор і компанія хотіли продемонструвати, що немає потреби у вбивстві тварин заради виробництва виробів зі шкіри.

З того часу компанія виробляє традиційний колаген на основі ДНК звичних нам тварин, яку продає на косметичному ринку. Зазвичай колаген, що використовується в косметології, витягується зі свинячих шкіри, кісток і хрящів, які «купаються» в кислотній ванні, поки тканини не розпадуться. Але у Geltor програмують генетичний код бактерій, які потім починають виробляти білки. Найближчим часом вони планують випустити веганський колаген для харчових продуктів, який міг би додаватися до всього: від напоїв до випічки та жувальних цукерок.

Мало хто працює над відтворенням жирів, але вони мають велике значення, адже надають продуктам характерний смак, текстуру і кулінарні властивості. Аби імітувати смак тваринних жирів, розробники найчастіше використовують пальмові або кокосову олію. Покращити альтернативи можна відтворюючи тригліцериди з правильним співвідношенням жирних кислот, чим зайнялася компанія Nourish Ingredients, що зосередилися на виробництві жирів за допомогою запатентованих штамів дріжджів і процесу бродіння. Такі жири допоможуть відтворити смак м'яса, риби, молока, сиру та інших продуктів, аби вони були не відмінними від оригіналу.

Процес створення жирів у якості сировини для культивованого м’яса, риби або лабораторних молочних продуктів компанією Nourish Ingredients / Nourish Ingredients

Процес створення жирів у якості сировини для культивованого м’яса, риби або лабораторних молочних продуктів компанією Nourish Ingredients / Nourish Ingredients

Чи можна без модифікації мікроорганізмів?

Стартапи, що використовують синтетичну біологію, роблять це задля надання мікроорганізмам певних якостей, які їм природно не властиві. Але є невеликий відсоток мікробів, яких можна перетворити на білок, що підходить у ролі інгредієнта або заміни багатих білком продуктів. І хоча це не те саме, що можна отримати, додаючи гени тварин до бактерій, деякі мікроорганізми мають дійсно непоганий потенціал у конкуренції за майбутній ринок.

Один з таких мікроорганізмів – ацидофільний гриб, що мешкає в Єллоустонському національному парку. У лютому 2021 року Nature's Fynd (колишня Sustainable Bioproducts) випустила свої перші продукти – веганський вершковий сир та пісні котлети для сніданку, створені з таких грибів. Ще у 2009 році співзасновник компанії Марк Козубал, у ході дослідження екстремофілів, яке фінансувалося НАСА, визначив, що ацидофільний гриб Fusarium flavolapis, знайдений у геотермальних джерелах супервулкану, може бути перетворений на ліпід, який далі можна перетворити на біодизель. Компанія, заснована у 2012 році в Чикаго, спочатку була націлена на створення ефективного біопалива, відтак деякий час — на переробці біологічних відходів, проте потім перекваліфікувалася і зосередилася на продуктах харчування.

Виявлений Козубалом гриб шляхом ферментації можна перетворити на повноцінний білок, що містить 20 амінокислот, вітаміни, мінерали й клітковину. Названий Fy Protein, білок можна перетворити на порошок, тверду речовину або рідину і використовувати для створення різноманітних страв. Ось, наприклад, для виготовлення котлет, цих ниткоподібних грибів годують обраною сумішшю поживних речовин в спеціальних камерах для росту, щоб ініціювати утворення білка. За кілька днів нитки розростаються, сплітаються та утворюють килимок з текстурою, що нагадує м'язове волокно. Також він містить гемоглобін — білок, що транспортує залізо і надає м'ясистий смак.

Продукти, випущені у лютому, були розпродані за 24 години, тож у жовтні компанія заявила про розширення. Крім сиру і котлет, надалі вони збираються виробляти курячі нагетси, яловичину, пельмені та шоколадний мус. Також компанія співпрацює з НАСА над біореактором, який використав би мікроб Fy в космічних умовах.

Дослідження показали, що вирощувати багату білками мікробну масу можна завдяки сонцю і відновлювальній енергетиці. Наприклад, фінський стартап Solar Foods використовує особливі мікроорганізми – гідрогенотрофи (організми, здатні метаболізувати молекулярний водень). Їх годують не цукром, а вирощують лише завдяки повітрю та електриці, що, за словами компанії, у 20 разів ефективніше фотосинтезу. Сонячна електроенергія, зокрема, потрібна для виробництва водню. Мікроорганізми отримують необхідну воду з повітря, щоб жити й розмножуватися в ній, а підживлюють їх крихітними бульбашками вуглекислого газу та поживними речовинами, на кшталт азоту, кальцію, калію та фосфору, які зазвичай рослини поглинають через коріння з ґрунту. Коли утворюється необхідна кількість біомаси, її відділяють від рідини шляхом центрифугування або мікрофільтрації через мембрану з подальшою сушкою і термічною обробкою продукта. В результаті виходить порошок багатий на поживні речовини, названий Solein. Він складається із клітин, які на 65-70% складаються з білка. Макроелементний склад клітин схожий на склад водоростей або сушеної сої, а на смак цей білок нагадує яйце, тому його можна додавати до млинців, хліба, макаронних виробів, а також йогуртів, смузі, або у якості інгредієнту рослинних замінників м'яса.

Попередньо продукція Solar Foods має з'явитися на ринку у 2023 році. Найбільше вона орієнтована на райони, які не підходять для виробництва харчових продуктів із використанням наявних методів, але мають потенціал вітрової та сонячної енергії, такі як Сахара, арктичні регіони, а також космос.

Нещодавно ми писали про дослідження фінських науковців, серед яких була компанія Solar Foods. Воно показало, що отримання яєчного білка овальбуміну з допомогою модифікованих мікроорганізмів має менший вплив на довкілля та потребує менше землі у порівнянні з традиційним добуванням білка із курячих яєць.

Білок, який вирощує компанія Solar Foods. Solar Foods / Facebook

Білок, який вирощує компанія Solar Foods. Solar Foods / Facebook

Тож коли можна буде купити всі ці продукти?

Експерти запевняють, що тваринна продукція без тварин з'явиться на полицях супермаркетів не скоро. Всупереч успіху у виготовленні невеликої кількості лабораторних білків і жирів, масштабувати таке виробництво вкрай дорого і важко. На щастя, ця галузь приваблює інвесторів, які з ентузіазмом ставляться до ринку подібних харчових продуктів. На прикладі Perfect Day, компанії яка отримує значне фінансування, можна припустити, що ця галузь може привернути більше інвесторів, а вже коштом подальшого розширення виробництва можна буде розраховувати на зниження вартості продукції до конкурентної із традиційними продуктами та рослинними аналогами.

Але все ж більшість стартапів перебуває на фазі досліджень і розробок, тож далі їх чекає пошук способів комерціалізації технології. І хоча дехто з них обіцяє, що вже через два роки з'явиться на ринку, поки що це не буде масовим явищем.

Інше питання — чи приймуть споживачі такі продукти, які містять інгредієнти, розроблені в лабораторії? Поки не відомо, але є вірогідність того, що спершу на полицях магазинів з'явиться культивоване м'ясо, яке задасть тренд до лабораторних продуктів. І до того часу, коли зроблена завдяки мікроорганізмам їжа буде готова вийти на ринок, люди перестануть остерігатися її. Але це доволі оптимістичний погляд, тому що наразі, як показують дослідження, люди здебільшого бояться таких продуктів і не готові заради етичних та екологічних міркувань перейти до їх споживання. Хай там як, але майбутнє харчових продуктів завдяки новим технологіям і науці рано чи пізно сильно зміниться, і ми можемо стати свідками цього перевороту.