Ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να παράγουν σταθερά μυοσφαιρίνη –μία βασική ζωική πρωτεΐνη που επηρεάζει το χρώμα, τη γεύση και τη θρεπτική αξία του κρέατος– μέσα στους χλωροπλάστες ανώτερων φυτών.
Η πρωτεΐνη χοίρου παρήχθη σε καπνό και, κυρίως, σε βρώσιμο μαρούλι, ανοίγοντας έναν πιθανό δρόμο για νέα φυτικά τρόφιμα με χαρακτηριστικά πιο κοντά στο πραγματικό κρέας. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, όμως η τεχνολογία απέχει ακόμη από την εμπορική αξιοποίηση: η παραγωγή παραμένει χαμηλότερη από εκείνη των ζωικών μυών και μόνο περίπου το 35% της μυοσφαιρίνης που απομονώθηκε από τα φυτά είχε δεσμεύσει την απαραίτητη αίμη.
Μπορεί ένα φύλλο μαρουλιού να λειτουργήσει στο μέλλον ως μικρό «βιοεργοστάσιο» παραγωγής μιας από τις σημαντικότερες πρωτεΐνες του κρέατος;
Αυτό ακριβώς επιχειρεί να αποδείξει νέα ερευνητική εργασία επιστημόνων από το Imperial College London και το Bezos Centre for Sustainable Protein, οι οποίοι χρησιμοποίησαν γενετική μηχανική για να κάνουν φυτικά κύτταρα να παράγουν μυοσφαιρίνη (myoglobin – Mb), μια πρωτεΐνη που φυσιολογικά βρίσκεται στους μυς των ζώων.
Το σημαντικό στοιχείο είναι ότι οι ερευνητές δεν πέτυχαν απλώς μια παροδική παραγωγή της πρωτεΐνης.
Κατάφεραν να ενσωματώσουν το γενετικό υλικό στους χλωροπλάστες των φυτών, δημιουργώντας γενετικά τροποποιημένες γραμμές καπνού και μαρουλιού που παρήγαγαν σταθερά τη μυοσφαιρίνη και μπορούσαν να μεταβιβάσουν το χαρακτηριστικό στους απογόνους τους.
Σύμφωνα με τους ίδιους τους ερευνητές, πρόκειται για την πρώτη καταγεγραμμένη σταθερή παραγωγή μυοσφαιρίνης σε ανώτερα φυτά και την πρώτη γνωστή έκφραση ετερόλογης αιμοπρωτεΐνης σε μαρούλι.
Γιατί η μυοσφαιρίνη είναι τόσο σημαντική για το κρέας
Η μυοσφαιρίνη είναι μία πρωτεΐνη περίπου 17 kDa που βρίσκεται κυρίως στους σκελετικούς και καρδιακούς μυς των σπονδυλωτών και έχει ως βασική λειτουργία τη δέσμευση οξυγόνου.
Όμως για τη βιομηχανία τροφίμων είναι πολύ περισσότερα από αυτό.
Η μυοσφαιρίνη είναι μία από τις ουσίες που καθορίζουν:
το χαρακτηριστικό κόκκινο χρώμα του κρέατος,
τη μεταλλική και umami γεύση του,
καθώς και μέρος της διατροφικής του αξίας, επειδή περιέχει αίμη —τη μορφή σιδήρου που απορροφάται ευκολότερα από τον ανθρώπινο οργανισμό σε σχέση με τον μη αιμικό σίδηρο που κυριαρχεί στα φυτικά τρόφιμα.
Η κατάσταση της μυοσφαιρίνης επηρεάζει ακόμη και την εμφάνιση του κρέατος: όταν δεσμεύει οξυγόνο, η οξυμυοσφαιρίνη προσδίδει το γνώριμο λαμπερό κόκκινο χρώμα, ενώ η μορφή χωρίς δεσμευμένο οξυγόνο δίνει πιο σκούρα, πορφυρή απόχρωση.
Αυτός είναι και ο λόγος που η μυοσφαιρίνη θεωρείται εξαιρετικά ενδιαφέρουσα για τη νέα γενιά εναλλακτικών προϊόντων κρέατος.
Το μεγάλο πρόβλημα του φυτικού «κρέατος»
Οι φυτικές πρωτεΐνες μπορούν να αναπαράγουν σε κάποιο βαθμό την υφή και το θρεπτικό προφίλ του κρέατος, αλλά η αντιγραφή της χαρακτηριστικής γεύσης, του χρώματος και της συμπεριφοράς του κατά το μαγείρεμα παραμένει δύσκολη.
Γι’ αυτό και η βιομηχανία έχει στραφεί εδώ και χρόνια στις αιμοπρωτεΐνες.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η leghemoglobin που χρησιμοποιείται σε ορισμένα προϊόντα φυτικού κρέατος και παράγεται ανασυνδυασμένα σε ζύμες.
Η νέα προσέγγιση είναι διαφορετική: αντί η πρωτεΐνη να παράγεται σε μεγάλους βιοαντιδραστήρες με βακτήρια ή ζύμες, οι ερευνητές διερευνούν εάν το ίδιο το φυτό μπορεί να λειτουργήσει ως εργοστάσιο παραγωγής ζωικής πρωτεΐνης.
Οι χλωροπλάστες μετατράπηκαν σε «βιοεργοστάσια»
Oι επιστήμονες επέλεξαν τους χλωροπλάστες, τα κυτταρικά οργανίδια όπου πραγματοποιείται η φωτοσύνθεση.
Οι χλωροπλάστες διαθέτουν δικό τους γενετικό υλικό και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών.
Στη συγκεκριμένη έρευνα εισήχθη στους χλωροπλάστες:
γονίδιο μυοσφαιρίνης χοίρου σε καπνό και μαρούλι,
ενώ στο πράσινο μικροφύκος Chlamydomonas reinhardtii εκφράστηκε μυοσφαιρίνη βοοειδών.
Η γενετική μεταφορά στα φυτά πραγματοποιήθηκε με βιολιστικό βομβαρδισμό, κατά τον οποίο μικροσκοπικά σωματίδια χρησιμοποιούνται για να εισαγάγουν το νέο DNA στα φυτικά κύτταρα.
Πολύ μεγαλύτερη παραγωγή στον καπνό και το μαρούλι
Τα αποτελέσματα έδειξαν σαφή διαφορά ανάμεσα στα συστήματα.
Η μυοσφαιρίνη αντιστοιχούσε περίπου στο:
2,7%-2,8% της συνολικής διαλυτής πρωτεΐνης στον καπνό,
1,5% στο μαρούλι,
ενώ στο Chlamydomonas reinhardtii παρέμενε κάτω από 0,25%.
Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι στον καπνό η παραγωγή μέσω των χλωροπλαστών ήταν τουλάχιστον τρεις φορές υψηλότερη σε σχέση με τις φυτικές γραμμές στις οποίες το ίδιο γονίδιο είχε εισαχθεί στον πυρήνα του κυττάρου.
Το εύρημα ενισχύει την ιδέα ότι οι χλωροπλάστες μπορούν να αποτελέσουν αποδοτικότερη πλατφόρμα για την παραγωγή τέτοιων πρωτεϊνών.
Πόση μυοσφαιρίνη παρήγαγαν τελικά τα φυτά
Σε όρους πραγματικής φυτικής βιομάζας, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η παραγωγή έφτασε περίπου:
94 ± 12 mg μυοσφαιρίνης ανά κιλό νωπού καπνού
και
48 ± 2,6 mg ανά κιλό νωπού μαρουλιού.
Σε ξηρό βάρος, όμως, η διαφορά σχεδόν εξαφανίστηκε:
800 ± 110 mg/kg στον καπνό
και
810 ± 60 mg/kg στο μαρούλι.
Οι ίδιοι οι συγγραφείς τονίζουν ότι οι τιμές αυτές αποτελούν προσεγγιστικές εκτιμήσεις, καθώς η ποσοτικοποίηση βασίστηκε σε περιορισμένο αριθμό βιολογικών δειγμάτων και σε ανοσολογικές τεχνικές που μπορεί να επηρεάζονται από τεχνικούς παράγοντες.
Ακόμη περίπου 10 φορές λιγότερη από το πραγματικό κρέας
Εδώ βρίσκεται ένας από τους σημαντικότερους περιορισμούς.
Οι ζωικοί μύες περιέχουν πολύ περισσότερη μυοσφαιρίνη.
Οι ερευνητές αναφέρουν ενδεικτικά ότι σε ξηρό μυϊκό ιστό βοοειδών η συγκέντρωση μπορεί να είναι περίπου:
8.100 mg/kg στον ψοΐτη μυ, από τον οποίο προέρχεται το φιλέτο,
και
11.160 mg/kg στον επιμήκη ραχιαίο μυ, που χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων για ribeye.
Με βάση αυτά τα δεδομένα, η συγκέντρωση μυοσφαιρίνης στο ζωικό μυϊκό ιστό παραμένει περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από εκείνη που πέτυχαν τα γενετικά τροποποιημένα φυτά.
Αυτό σημαίνει ότι τα αποτελέσματα αποτελούν απόδειξη ότι η ιδέα μπορεί να λειτουργήσει, όχι απόδειξη ότι υπάρχει ήδη έτοιμη εμπορική τεχνολογία που μπορεί να αντικαταστήσει την παραγωγή κρέατος.
Το μεγαλύτερο εμπόδιο κρύβεται στην αίμη
Η ποσότητα της πρωτεΐνης δεν είναι το μοναδικό πρόβλημα.
Για να λειτουργήσει πραγματικά η μυοσφαιρίνη όπως στο ζωικό κρέας πρέπει να περιέχει αίμη.
Όταν οι επιστήμονες απομόνωσαν τη μυοσφαιρίνη από τα φύλλα καπνού, διαπίστωσαν ότι η πρωτεΐνη είχε τη σωστή τρισδιάστατη δομή και παρουσίαζε ελάχιστες ενδείξεις οξειδωτικής βλάβης.
Ωστόσο, μόνο περίπου 35% της φυτικά παραγόμενης μυοσφαιρίνης είχε δεσμευμένη αίμη.
Για σύγκριση, όταν η ίδια πρωτεΐνη παρήχθη σε E. coli, το αντίστοιχο ποσοστό ήταν περίπου 80%.
Αυτό είναι κρίσιμο.
Χωρίς αίμη, η πρωτεΐνη δεν μπορεί να προσφέρει πλήρως τα χαρακτηριστικά που την καθιστούν ενδιαφέρουσα για τα τρόφιμα —ιδιαίτερα το χρώμα, τη γεύση και μέρος της θρεπτικής της λειτουργίας.
Γιατί το φυτό δεν κατάφερε να δώσει αρκετή αίμη
Οι ερευνητές θεωρούν ότι η παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων μιας ξένης αιμοπρωτεΐνης μπορεί να υπερβαίνει την ικανότητα του φυσικού μηχανισμού των φυτών να παράγει αίμη.
Παράλληλα, η σύνθεση αίμης και χλωροφύλλης χρησιμοποιεί κοινούς μεταβολικούς πρόδρομους, με αποτέλεσμα να υπάρχει ενδεχομένως ανταγωνισμός για τις διαθέσιμες πρώτες ύλες.
Η ανεπαρκής ενσωμάτωση αίμης στη μυοσφαιρίνη μπορεί επομένως να αποτελεί το βασικό βιολογικό bottleneck της τεχνολογίας.
Οι επιστήμονες προτείνουν για το μέλλον παρεμβάσεις που θα μπορούσαν να αυξήσουν την παραγωγή αίμης στους χλωροπλάστες, όπως γενετική ενίσχυση συγκεκριμένων ενζύμων ή τροφοδότηση της σχετικής βιοσυνθετικής οδού με κατάλληλους πρόδρομους παράγοντες.
Τα φυτά αντέδρασαν αυξάνοντας την παραγωγή αίμης
Ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον εύρημα ήταν ότι τα φυτά του καπνού φαίνεται να προσπάθησαν να προσαρμοστούν.
Τα συνολικά επίπεδα αίμης στα φυτά που παρήγαγαν μυοσφαιρίνη ήταν περίπου διπλάσια σε σχέση με τα φυτά ελέγχου.
Παρά την αυξημένη μεταβολική απαίτηση, οι βασικοί δείκτες φωτοσύνθεσης δεν εμφάνισαν σημαντική επιδείνωση.
Οι ερευνητές δεν εντόπισαν ουσιαστική διαφορά στην απόδοση του φωτοσυστήματος II, στη ροή ηλεκτρονίων ή στους μηχανισμούς φωτοπροστασίας.
Αυτό αποτελεί θετικό εύρημα, καθώς δείχνει ότι —τουλάχιστον υπό τις συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες— η παραγωγή της ξένης αιμοπρωτεΐνης δεν «κατέρρευσε» τη φωτοσυνθετική λειτουργία του φυτού.
Το μαρούλι έχει ιδιαίτερη σημασία
Ο καπνός αποτελεί εξαιρετικό πειραματικό μοντέλο, αλλά προφανώς δεν είναι τρόφιμο.
Το μαρούλι, αντίθετα, είναι βρώσιμο.
Και αυτό κάνει το συγκεκριμένο πείραμα πολύ πιο ενδιαφέρον από πλευράς εφαρμογών.
Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι ένα βρώσιμο φυτό θα μπορούσε θεωρητικά να επιτρέψει την ενσωμάτωση της φυτικής βιομάζας απευθείας σε τρόφιμα, με περιορισμένη ή ακόμη και χωρίς πλήρη καθαρισμό της πρωτεΐνης.
Αυτό θα μπορούσε στο μέλλον να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής και επεξεργασίας σε σύγκριση με την απομόνωση και τον καθαρισμό μιας ανασυνδυασμένης πρωτεΐνης από βιοαντιδραστήρες.
Δεν σημαίνει, ωστόσο, ότι το γενετικά τροποποιημένο μαρούλι της μελέτης είναι έτοιμο ή εγκεκριμένο για κατανάλωση.
Η εργασία αποτελεί πειραματική μελέτη παραγωγής πρωτεΐνης και όχι μελέτη ασφάλειας τροφίμου ή κλινική αξιολόγηση.
Φυτά αντί για τεράστιους βιοαντιδραστήρες;
Σήμερα πολλές ανασυνδυασμένες πρωτεΐνες παράγονται με βακτήρια ή ζύμες μέσα σε μεγάλες εγκαταστάσεις ζύμωσης.
Οι συγκεκριμένες πλατφόρμες έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα: διαθέτουν δεκαετίες βιομηχανικής εμπειρίας, προβλέψιμες αποδόσεις και πιο ώριμα ρυθμιστικά συστήματα.
Οι φυτικές πλατφόρμες βρίσκονται πολύ πιο νωρίς στην ανάπτυξή τους.
Από την άλλη πλευρά, οι επιστήμονες θεωρούν ότι τα φυτά θα μπορούσαν να προσφέρουν διαφορετικό μοντέλο παραγωγής: αντί για ενεργοβόρους βιοαντιδραστήρες που χρειάζονται συνεχή τροφοδοσία, θα μπορούσαν να χρησιμοποιούνται καλλιέργειες που αξιοποιούν το φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα.
Η μελέτη υποστηρίζει ότι, παρά τη χαμηλότερη συγκέντρωση μυοσφαιρίνης ανά κιλό φυτικού ιστού, η πολύ μεγαλύτερη αποδοτικότητα της φυτικής παραγωγής μπορεί θεωρητικά να οδηγήσει σε ανταγωνιστική παραγωγή ανά εκτάριο. Ωστόσο, οι συγγραφείς τονίζουν ότι απαιτείται ειδική τεχνοοικονομική μελέτη πριν εξαχθούν συμπεράσματα για την πραγματική εμπορική βιωσιμότητα.
Δεν δοκίμασαν ακόμη αν «γεύεται σαν κρέας»
Αυτό αποτελεί επίσης κρίσιμη διευκρίνιση.
Η μελέτη απέδειξε ότι η φυτικά παραγόμενη μυοσφαιρίνη έχει δομή συμβατή με σωστά αναδιπλωμένη πρωτεΐνη.
Δεν απέδειξε όμως ακόμη ότι σε ένα πραγματικό τρόφιμο θα προσφέρει:
- το ίδιο κόκκινο χρώμα,
- την ίδια μεταβολή κατά το μαγείρεμα,
- την ίδια γεύση,
- την ίδια οσμή,
ή γενικότερα τις ίδιες λειτουργικές ιδιότητες με τη μυοσφαιρίνη του πραγματικού κρέατος.
Οι ίδιοι οι επιστήμονες αναφέρουν ότι το επόμενο βήμα πρέπει να περιλαμβάνει μελέτες σύνδεσης μορίων, οξειδοαναγωγικής συμπεριφοράς και, κυρίως, δοκιμές χρώματος και γεύσης σε πραγματικά συστήματα τροφίμων.
Οι σημαντικοί περιορισμοί της μελέτης
Παρότι το τεχνολογικό επίτευγμα είναι ενδιαφέρον, η μελέτη βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο.
Οι βασικοί περιορισμοί είναι σημαντικοί.
Πρώτον, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν μόνο μία ανεξάρτητη μετασχηματισμένη φυτική γραμμή στον καπνό και μία στο μαρούλι.
Οι συγγραφείς αναγνωρίζουν ότι τα αποτελέσματα πρέπει να επιβεβαιωθούν σε πρόσθετες ανεξάρτητες γενετικά τροποποιημένες γραμμές, ώστε να αποκλειστεί το ενδεχόμενο ορισμένα χαρακτηριστικά να σχετίζονται με την καλλιέργεια ιστών ή άλλες πειραματικές μεταβολές.
Δεύτερον, οι λεπτομερείς αναλύσεις της φυσιολογίας και της φωτοσύνθεσης έγιναν μόνο στον καπνό και όχι στο μαρούλι. Οι ερευνητές επομένως δεν μπορούν ακόμη να αποκλείσουν λεπτότερες μεταβολικές επιπτώσεις στο βρώσιμο φυτό.
Τρίτον, τα διαφορετικά συστήματα δεν παρήγαγαν ακριβώς την ίδια μυοσφαιρίνη: στα φυτά χρησιμοποιήθηκε μυοσφαιρίνη χοίρου, ενώ στο Chlamydomonas βοοειδών, γεγονός που δεν επιτρέπει απόλυτα άμεση σύγκριση των αποδόσεων μεταξύ των οργανισμών.
Τέταρτον, η χαμηλή δέσμευση αίμης παραμένει βασικό εμπόδιο στην παραγωγή μιας πλήρως λειτουργικής πρωτεΐνης.
Και υπάρχει και το ρυθμιστικό ζήτημα
Η ιδέα ενός φυτού που παράγει μια ζωικής προέλευσης πρωτεΐνη δημιουργεί μια εντελώς νέα κατηγορία προϊόντων.
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι τα κανονιστικά πλαίσια για τις ζωικές πρωτεΐνες που παράγονται μέσα σε φυτά βρίσκονται ακόμη υπό διαμόρφωση.
Πέρα από την ασφάλεια των τροφίμων, θα χρειαστεί να αντιμετωπιστούν ζητήματα:
γενετικά τροποποιημένων οργανισμών,
περιβαλλοντικής απελευθέρωσης,
επισήμανσης,
καταναλωτικής αποδοχής,
καθώς και πιθανές ηθικές και θρησκευτικές προεκτάσεις της παραγωγής μιας πρωτεΐνης χοίρου ή βοοειδούς μέσα σε ένα φυτικό τρόφιμο.
Ποιο είναι τελικά το πραγματικό επίτευγμα
Η μελέτη δεν σημαίνει ότι από αύριο θα αγοράζουμε μαρούλι που «γεύεται σαν μπριζόλα».
Αποδεικνύει όμως για πρώτη φορά κάτι πολύ πιο συγκεκριμένο και επιστημονικά σημαντικό:
ένα ανώτερο φυτό μπορεί να τροποποιηθεί σταθερά ώστε οι χλωροπλάστες του να παράγουν μια πραγματική ζωική αιμοπρωτεΐνη με σωστή αναδίπλωση και μερική ενσωμάτωση αίμης.
Στον καπνό η μυοσφαιρίνη έφθασε περίπου στο 2,7% της συνολικής διαλυτής πρωτεΐνης και στο μαρούλι στο 1,5%, χωρίς εμφανή δραματική διαταραχή της ανάπτυξης των φυτών και χωρίς σημαντική υποβάθμιση της φωτοσυνθετικής λειτουργίας που εξετάστηκε στον καπνό.
Οι αποδόσεις παραμένουν χαμηλότερες από εκείνες του ζωικού μυός και η ανεπαρκής ενσωμάτωση αίμης πρέπει να αντιμετωπιστεί πριν η τεχνολογία μπορέσει να προσφέρει πλήρως τα χαρακτηριστικά του κρέατος.
Εάν όμως τα δύο προβλήματα —ποσότητα πρωτεΐνης και δέσμευση αίμης— επιλυθούν, η συγκεκριμένη τεχνολογία θα μπορούσε να ανοίξει έναν νέο δρόμο στη βιομηχανία εναλλακτικών πρωτεϊνών: φυτά που δεν θα παρέχουν απλώς φυτικές πρωτεΐνες, αλλά θα λειτουργούν ως βιολογικές μονάδες παραγωγής επιλεγμένων πρωτεϊνών που μέχρι σήμερα συνδέονταν αποκλειστικά με το ζωικό κρέας.
Οι ίδιοι οι ερευνητές καταλήγουν ότι τα αποτελέσματα αποτελούν μια βάση για την ανάπτυξη μελλοντικών «plant-made animal proteins», αλλά τονίζουν ότι απαιτείται σημαντική περαιτέρω βελτιστοποίηση πριν η παραγωγή μπορεί να ανταγωνιστεί τον ζωικό μυ.
Κάντε like στη σελίδα μας στο facebook για να μαθαίνετε όλα τα νέα
Διαβάστε επίσης
SORLA: Η πρωτεΐνη που μπορεί να ανοίξει νέο δρόμο για τη νόσο Alzheimer
Αλτσχάιμερ: Φυσική πρωτεΐνη προστάτευσε τον εγκέφαλο από την τοξική tau
