Мясо из пробирки улучшили каротиноидами

Биоинженеры получили культуру мышечных стволовых клеток, способную к синтезу каротиноидов — фитоена, ликопина и бета-каротина. Антиоксидантная активность каротиноидов значительно замедлила процесс окисления липидов в культуре клеток — это одна из ключевых реакций, виновных в ухудшении вкуса мяса со временем и снижении его питательной ценности. Работа опубликована в журнале Metabolic Engineering.

Синтетическая биология клеток млекопитающих сегодня стремительно развивается, однако подавляющее большинство исследований посвящено производству терапевтических белков и созданию моделей для изучения различных заболеваний, а экспериментам по внедрению генов представителей дальних таксонов (например, растений) в геном млекопитающих уделяется совсем мало внимания. При этом такой подход может открыть новые способы улучшения качества так называемого синтетического мяса, приближая нас к решению весьма неоднозначного с экологической, этической и экономической точек зрения вопроса потребления мяса животных в пищу.

Ученые из Университета Тафтса под руководством Дэвида Каплана (David L. Kaplan) занялись решением этой проблемы, внедрив гены синтеза каротиноидов в геном мышечных стволовых клеток быка. Для этого они отредактировали их с помощью транспозонной системы переноса генов Sleeping beauty, добавив гены синтеза каротиноидов из основного предшественника — геранилгеранилпирофосфата (GGPP), который встречается в клетках млекопитающих как один из интермедиатов в биосинтезе холестерина.

Генетические конструкции, встраиваемые в клетки с помощью Sleeping beauty, и соответствующие продукты в биосинтезе каротиноидов. В каждой конструкции с одной стороны от синтетического двунаправленного промотора RBPSA/CMV имеется ген устойчивости к пуромицину (PuroR) в качестве селективного маркера, с другой стороны — целевые гены (фитоенсинтазы (CrtB), фитоендесатуразы (CrtI) и ликопинциклазы (CrtY)) с встроенными между ними последовательностями 2А-пептидов и репортерным GFP на конце (eGFP). 2А-пептиды в составе полипептидной цепи способны к самовырезанию, что в данном случаем обеспечивает в итоге работу нескольких отдельных ферментов, закодированных в полицистронной последовательности. В контрольную группу клеток встраивали конструкцию без целевых генов

Чтобы убедиться в том, что трансформированные клетки действительно синтезируют каротиноиды, ученые провели анализ посредством ВЭЖХ и удостоверились в том, что CrtB-клетки производят фитоен, CrtB/I-клетки — фитоен и ликопин, а клетки CrtB/I/Y — фитоен, ликопин и бета-каротин. Содержание каротиноидов в клетках составило 27,8 (CrtB-клетки), 32,3 (CrtB/I-клетки) и 3,7 (CrtB/I/Y) микрограммов/грамм белка. Проблема заключается в том, что по неизвестной причине синтез каротиноидов в последней группе клеток заметно ниже, а количество бета-каротина (2,08 микрограммов/грамм белка) даже не превышает норму его содержания в говядине — 1,6–2,9 микрограммов/грамм белка (речь идет об экзогенном бета-каротине, то есть полученном животным с пищей).
Для устранения этой проблемы было решено оптимизировать синтез каротиноидов в CrtB/I/Y-клетках, причем двумя способами. Первый заключался в усилении селективного давления на трансгенные клетки: концентрацию пуромицина в среде для селекции увеличили в четыре раза (до 10 микрограммов на миллилитр), так как при такой концентрации ученые заметили усиление экспрессии GFP при отсутствии значимых изменений в выживаемости клеток. Второй способ — накопление прекурсоров каротиноидов за счет ингибирования синтеза холестерина кетоконазолом (пять микрограммов на миллилитр). Смысл в том, что и холестерин, и каротиноиды имеют общих предшественников, и в случае, если синтез первого будет приостановлен, у прекурсоров будет больше шансов пойти по каротиноидному метаболическому пути.

Слева: количество бета-каротина в клетках в присутствии/отсутствие кетоконазола, с одно- и четырехкратной концентрацией пуромицина. Мышечные стволовые клетки быка в оптимизированных условиях производят в 10 раз больше бета-каротина, чем в неоптимизированных (22,6 и 2,1 микрограммов/грамм белка, соответственно; p < 0,05). Справа: сравнение уровня пигментации разных трансформированных клеток

Основная цель авторов заключалась в улучшении пищевых показателей качества трансгенных культур клеток. Особое значение они придают замедлению перекисного окисления липидов, так как его продукты приводят к уменьшению срока хранения сырого и приготовленного мяса, а также отрицательно сказываются на здоровье человека. Чтобы определить влияние каротиноидов как мощных антиоксидантов на эти процессы в трансгенных клетках, исследователи измерили концентрацию малонового диальдегида (MDA, характерного продукта перекисного окисления липидов) в сыром и «приготовленном» виде (после нагрева до 100 градусов Цельсия в течение 10 минут) до и после хранения в прохладных условиях (четыре градуса Цельсия) в течение одного и восьми дней.
Оказалось, что в контрольной группе содержание малонового диальдегида достигло 2,2 миллиграмма на грамм белка для сырых и 4,9 — для «приготовленных» клеток после суток хранения, после восьми суток — 2,1 и 8,0 миллиграмма на грамм белка соответственно. В CrtB-клетках уровень MDA возрос по сравнению с контролем для сырых клеток после суток хранения, но для «приготовленных» клеток значительных изменений не наблюдалось. Более того, после восьми суток хранения концентрация MDA в сырых клетках не изменилась, а вот в «приготовленных», по сравнению с контролем, было заметно значительно меньшее количество малонового диальдегида. Для клеток CrtB/I и CrtB/I/Y наблюдали снижение активности окисления липидов по сравнению с контролем во всех вариантах эксперимента.

Авторы видят большие перспективы в проведении дальнейших исследований на основе полученных результатов. В первую очередь они предлагают наладить генноинженерными методами эндогенную оптимизацию выработки каротиноидов трансгенными клетками, чтобы, таким образом, отбросить нужду в кетоконазоле и высоких концентрациях антибиотиков. Также можно заняться регулированием соотношения экспрессии ферментов синтеза каротиноидов и получить, таким образом, спектр клеток с различными питательными и вкусовыми качествами.

Получение искусственного мяса, по своим свойствам не уступающего традиционному, с самого момента возникновения идеи вдохновляет исследователей и внушает надежду на решение глобальных проблем. Однако все оказалось не так однозначно: по крайней мере, углеродный след «чистого» мяса точно не меньше, чем обычного. Об этой и других сложностях читайте в нашем «Котлета из пробирки».

Наталия Миранда

https://nplus1.ru/