По данным ООН, на Земле полтора миллиарда человек (то есть каждый четвертый) живут впроголодь. Возникает вопрос: можно ли сполна обеспечить человечество продовольствием? На пороге XXI века эта проблема вошла в десятку важнейших для современной науки (см. "Наука и жизнь" № 11, 1999 г.). Как ее решать? Об этом размышляют многие ученые, специалисты, предлагают свои решения. Биолог Л. С. Попов с 1988 года работает над идеей производства искусственного мяса. Реализовать ее, по мнению Леонида Сергеевича, помогут методы трансгенеза - области генной инженерии, в которой он работает и о которой не раз уже рассказывал на страницах журнала (№ 1, 1987 г.; № 7, 1994 г.; № 8, 1999 г.). В очередной статье развивается идея использования выращенных искусственным путем, "в пробирке", клеток животной ткани в качестве сырья для пищевой промышленности.
Есть основания предполагать, что в недалеком будущем биотехнология станет использовать культуры соматических (телесных) клеток в качестве сырья для производства искусственного мяса.
Напомним читателям, что такое культура (культивирование) клеток или тканей. Это выращивание клеток (в нашем случае - животных) вне организма, в специальной культуральной среде, а проще говоря, в питательном бульоне, где клетки, взятые из живого организма, размножаются, растут, развиваются и в конце концов образуют белковую биомассу, обладающую нужными человеку свойствами. Она используется для широкого круга научных и практических целей, главным образом в области медицины и биологии. Это получение и ядерной ДНК, и различных белков и вакцин, и лимфоцитов, и макрофагов для иммунной защиты организмов и выращивание трансплантатов кожи и других тканей и т. п. Идея же применения культуры клеток животных в качестве сырья для искусственного мяса пока нигде даже не сформулирована, не говоря уж о разработке. Дело тут, думаю, в сложнейших проблемах, которые надо преодолеть для ее реализации.
Первая из них и, пожалуй, самая важная - необходимость наделить клетку способностью к безграничному размножению (или, как говорят ученые, сделать клетку бессмертной). Это путь к выращиванию больших объемов биомассы клеток, что и нужно для производства искусственного мяса.
Как долго продолжается жизнь отдельных клеток у высокоорганизованных организмов? Однозначного ответа на этот вопрос нет, ибо все зависит от типа клеток: лимфоциты человека вне организма живут 1-2 суток, эритроциты - 3 месяца, нервные клетки могут жить до 100 лет, а стволовые клетки относятся к бессмертным клеткам, они способны к неограниченному делению.
Стволовые клетки играют особую роль: они пополняют в организме запас клеток, обновляющихся после их естественной возрастной, физиологической или травматической гибели (клетки крови, кожи, мышц и других тканей). В частности, миобласты - тоже стволовые клетки - служат в организме как источник мышечных волокон. После деления миобласта одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая участвует в образовании скелетных мышц (то есть таких, которые прикреплены к костям скелета).
Среднее время удвоения клеток животных в культуре - от 20 до 40 часов. Миобласты делятся каждые 12-18 часов. Стало быть, клетки мускулатуры от природы обладают способностью очень длительного размножения. Но ведь мясо состоит не только из мышечной ткани, в нем есть также соединительная ткань, нервная и эпителий (покровная ткань). Клеток для них нужно тоже очень много - речь ведь идет о массовом производстве. А эти клетки долго размножаться не могут.
Но существует возможность искусственно сделать клетку бессмертной. Для этого нужно ввести в ее геном соответствующий участок ДНК, его так и называют - ген бессмертия. Такие участки имеются в вирусных онкогенах, которые живут в каждом высшем организме. Из них можно выделить необходимую последовательность ДНК, ввести в геном клетки избранного вида и заставить там работать - производить белок, делающий деление клетки непрерывным. Интересно, что в гене бессмертия закодирован термочувствительный белок, который синтезируется при температуре культуральной среды 33°С и делает клетку бессмертной. При повышении температуры примерно до 40°С синтез быстро прекращается, и клетка возвращается в нормальное состояние. Стало быть, регулируя температуру, можно управлять процессом и сроками размножения. Это один путь к бессмертию клеток, проверенный на практике и вполне надежный.
Другой путь лежит через трансгенез. Напомним читателям, что трансгенез - это область генной инженерии, имеющая целью наделять животных признаками и свойствами, которых у них нет от природы. Для этого гены одних животных пересаживают другим, и если это, например, ген роста, то получившее его животное начинает быстрее расти. Коровам в клетки молочной железы вводят гены лекарственных белков, и они вместе с молоком вырабатывают лекарства. Таким же способом можно ввести в геном нужных нам клеток той же коровы ген бессмертия, и эти клетки получат способность безграничного деления.
Таким образом, в арсенале ученых есть две надежные стратегии вызывать непрерывное размножение клеток. По первой из них гены бессмертия вводят в клетки, взятые из какой-либо ткани организма, и запускают процесс их бесконечного размножения. К сожалению, эта стратегия не относится к легкому пути, хотя на первый взгляд прельщает простотой.
Вторая стратегия создания бессмертных клеток - получение трансгенных животных. Тут тоже можно использовать два метода. Первый из них традиционный - микроинъекция чужеродного гена (гена бессмертия) в зиготу (оплодотворенную клетку). Хотя он широко используется, но оказался малопродуктивным, потому что обычно чужеродный ген наследуется только у 5-10 процентов родившихся трансгенных животных.
По-видимому, более перспективным будет иной метод. В нем для получения трансгенных животных используют яйцеклетки, у которых ядра с гаплоидным (одинарным) набором хромосом заменяют ядрами из соматических клеток с диплоидным (двойным) набором хромосом и с предварительно введенным в них геном бессмертия. Или сначала культивируют клетки из молочной железы беременного животного (в этот период в железе активируется много стволовых клеток), потом в них встраивают конструкцию из необходимого гена и яйцеклетки с диплоидным набором и вводят в матку приемной самки.
В настоящее время интенсивно развивается еще один метод трансгенеза, при этом заметен вклад российских исследователей. Суть проста: берут у самца сперматозоиды, вводят в них ДНК с необходимым геном и осеменяют самку. Во всех трех случаях рождаются трансгенные животные, способные наследовать чужеродные гены бессмертия.
Итак, клетки с приобретенным свойством бессмертия способны размножаться неограниченно долго. Это обеспечивает более дешевый и простой способ получения большого количества биомассы клеток. К тому же такие клетки обладают преимуществами перед нормальными. Это, например, и более высокая скорость роста, и меньшая зависимость от питательной сыворотки, и даже возможность развития в более простых - бессывороточных средах.
Сыворотка - основной компонент питательной среды, обеспечивающий наилучшие условия для роста и развития клеток. Это чрезвычайно сложная смесь множества мелких и крупных молекул веществ, способных как стимулировать, так и тормозить рост клеток, а также обеспечивать другие их функции. В составе сыворотки различные факторы роста, гормоны, белки, а также минеральные вещества, липиды, аминокислоты, витамины и т. д. Но сыворотка - это дорогостоящий продукт, выделяемый из эмбрионов животных (чаще - теленка). Ее стоимость достигает 90% стоимости среды. Для промышленного выращивания громадного количества биомассы клеток это неприемлемо. Поэтому и созданы бессывороточные среды.
Что дает их применение? Вот некоторые из преимуществ: стабильность состава сред (разные партии сывороток отличаются одна от другой, и это может привести к нестабильности сред); снижение риска заражения культуры клеток вирусами, грибами, микоплазмой; упрощение выбора среды для определенного типа клеток, а также выделения из культуры нужных белков; и, наконец, снижение стоимости. Но все равно необходимые для роста клеток вещества, которые присутствуют в сыворотке, приходится добавлять в бессывороточные среды. А стоимость этих веществ в настоящее время исчисляется тысячами и десятками тысяч долларов за миллилитр! Сейчас предложено много различных способов удешевления, однако мировое производство культуральных сред пока растет медленно, и стоимость его почти не снижается. Думается, что прогресс тут зависит от дальнейшего развития биотехнологии и фундаментальных наук. Поэтому оставим экономику и перейдем к самому производству искусственного мяса, каким оно представляется сегодня.
Промышленный рост культуры клеток животных производят (уже сегодня) в биореакторах. Это громадные баки, расположенные в стерильном помещении и опутанные изрядным количеством различных труб, по которым подается все необходимое для поддержания жизни и размножения клеток. Они растут в стерильной бессывороточной среде при постоянном перемешивании. Большая часть трубок отходит от биореактора к системам автоматизированного анализа процессов, протекающих в биореакторе. Результаты анализов выводятся на экраны пульта управления. В любой момент там можно увидеть данные о поступлении и расходе углекислого газа, кислорода, питательных веществ, о плотности биомассы клеток и т. д. Автоматы же управляют и работой реакторов. Если, например, плотность биомассы в реакторе окажется ниже заданного уровня, то поступление среды в реактор автоматически приостанавливается, чтобы дать возможность увеличиться числу клеток. Как только снова установится необходимая плотность биомассы выросших клеток, автомат отведет часть среды с клетками в специальный резервуар, в котором клетки осаждаются. Одновременно в биореактор добавляется такое же количество свежей среды, и он продолжает работать.
Выращивают мясо в виде клеток мускулатуры тела (или, иначе, скелетных мышц). Эти клетки могут иметь огромные размеры (до полуметра в длину и 100 микрометров в диаметре), поэтому их называют мышечными волокнами. Это то самое мясо, которое используется в нашем обычном рационе. Каждое такое волокно представляет собой слияние многих клеток-предшественников - эмбриональных миобластов и соответственно содержит много ядер в общей цитоплазме. Поэтому клетки скелетных мышц не способны делиться. Миобласт же имеет одно ядро и может делиться, то есть новые клетки могут образоваться только в результате возобновления процесса формирования скелетных мышц, каким он бывает в период эмбрионального развития. И процесс этот - деление миобластов.
Таким образом, мышечное волокно можно вырастить в биореакторе при использовании одних только миобластов, которые размножаются, как все клетки. Разница лишь в том, что миобласты и вне организма делятся неограниченно, как это присуще всем стволовым клеткам. При определенных условиях в культуральной среде миобласты синхронно сливаются друг с другом и образуют зрелое мышечное волокно.
Искусственное мясо будет содержать не только клетки скелетных мышц, но, как и обычное мясо, еще и клетки эпителия, соединительной и нервной тканей. Эти клетки будут выращивать отдельно. Потом специалисты-технологи соединят все поставляемое сырье в таком соотношении, какое соблюдается в природе. Не исключено, что это соотношение будут менять, чтобы изготавливались, скажем, колбасы ароматнее и вкуснее, чем сейчас можно купить в магазинах.
Технология приготовления мясных продуктов из клеточных культур будет, скорее всего, такой же, как и из природного мяса. По-видимому, поначалу из них будут делать фарш как для колбас, так и для пельменей, различных паштетов и т. п. Со временем на прилавках магазинов можно будет увидеть мясные полуфабрикаты не только из говядины, но также из кур, индейки и т. д.
Поначалу, конечно, такие фантастические мясные продукты люди встретят настороженно (как, впрочем, и всякую новинку генетики), но, думаю, постепенно распробуют и станут покупать, не задумываясь.
Такова идея. Сейчас еще трудно сказать, когда и как она будет реализована. Но уже сегодня можно назвать некоторые очевидные преимущества использования культуры клеток в качестве пищевого сырья. Так, вместо большей части животноводческих ферм с пастбищами появятся стерильные автоматизированные предприятия, занимающие значительно меньшую площадь и требующие примерно втрое меньше кормов. Вытаптывание земли, повреждение лесов и лугов, необходимость утилизировать жизненные отходы скота - все это многократно уменьшится в масштабах и тем самым оздоровит экологическую обстановку на планете. А главное - откроется новый источник продовольствия для людей.
Конечно, чтобы воплотить эту идею в жизнь, потребуется немало труда ученых, экономистов, инженеров... Пока мы к этому не готовы. Но все необходимые заделы уже есть, и это позволяет взяться за работу. Правда, одному государству одолеть эту проблему, видимо, не под силу. Но вполне возможно объединение специалистов разных стран, создание международного центра по разработке проблемы искусственного мяса наподобие Европейского центра ядерных исследований. Важно не медлить. Эта "овчинка" стоит выделки.
ЛИТЕРАТУРА
Альбертс Б., Брей Д., Льюинс Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. - М.: Мир, 1987.
Культура животных клеток. - М.: Мир, 1989.
Попов Л. С., Эшкинд Л. Г. Трансгенные животные. - "Наука и жизнь" № 1, 1987.
Попов Л. С. Аптечное вымя. - "Наука и жизнь" № 7, 1994.
Попов Л. С. Стадо для чеддера. - "Наука и жизнь" № 8, 1999.
Parmjit Jat. Transgenic rodents as a source of conditionally immortalised cell lines. - Presented by Heury Stewart conference studies Russel Youse. 29 november 1996. Cafe Royal, London W1.
