БИФШТЕКС ИЗ ПРОБИРКИ
ФИЛЕ ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
В марте 2002 года биотехнологи из нью-йоркского Колледжа Туро (Touro College) устроили презентацию проекта, выполненного по заказу NASA. Им удалось заставить мышечную ткань золотой рыбки (Carassius auratus ) расти в питательном растворе, удваивая вес примерно за месяц. Обжаренные в оливковом масле с чесноком, лимоном и перцем, кусочки выглядели и пахли точь-в-точь как жареная рыба, но никто из приглашенных на презентацию не решился убедиться в том, что и на вкус они не отличаются от рыбы. Пробовали ли сами авторы свой продукт - неизвестно, но если они настоящие экспериментаторы, то наверняка рискнули, не дожидаясь одобрения FDA (Food and Drug Administration - Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США).
Разработчики и заказчики уверены, что космонавты не будут привередничать, и продолжают работу. Кусочки куриного и говяжьего филе уже способны жить в питательном растворе, осталось только добиться их роста, устроить еще одну презентацию и продолжать исследования. Статью М. А. Бенжаминсона (M. A. Benjaminson) и его коллег можно найти в журнале "Acta Astronautica" за декабрь 2002 года. Исследование, несомненно, ценное, но скорее для тканевой инженерии, а не для пищевой промышленности.
Причин, по которым даже космонавты в ближайшие сотню-другую лет будут есть "пробирочные" бифштексы в лучшем случае только в День космонавтики, и то на Земле, множество. Прежде всего - закон сохранения массы. Для синтеза одного грамма сухого вещества мышечной ткани теоретически потребуется не менее десяти граммов сухого веса реактивов. А на практике - во много раз больше: воду можно регенерировать, а питательную среду, испорченную продуктами метаболизма клеток, придется отправлять в конвертер вместе с неиспользованными реактивами. Да и сам биореактор, в котором раз в неделю созревал бы фунт филе, весит немало. Дешевле запасти мороженого мяса на дорогу до Марса и обратно. Так что пока космические технологии отрабатывают на перенаселенной и недоедающей Земле. Но могут ли земляне рассчитывать на бифштексы из пробирки?
В научной фантастике встречается описание биофабрик, где выращивают мышечную ткань с оптимально сбалансированным для питания человека составом - угадайте, какого вида живых существ? Если вам не хочется котлет из культуры человеческих эмбриональных клеток, можно пустить на развод стволовые клетки, выделенные из вашего собственного костного мозга. Тоже не нравится? Ну, хотя бы против мышечных клеток рогатого скота у вас предубеждения нет? Тогда доставайте чековую книжку.
Пожалуй, для выращивания космического филе лучше всего подойдет питательная среда на основе сыворотки крови телячьих эмбрионов: содержащиеся в ней гормоны, цитокины и другие известные и неизвестные вещества стимулируют рост клеток. Клетки считают не килограммами, а миллионами штук, диаметром 20-30 микрон каждая, но, попутавшись в нулях, я получил, что только реактивы для выращивания килограмма клеток обойдутся в 10 тысяч долларов. Даже если удастся вырастить бифштекс (скорее все-таки фарш) на менее дорогой сыворотке из крови взрослых быков и коров, он все равно будет во много раз дороже черной икры. На дешевых бессывороточных средах клетки животных не растут. Снижение цен на стерилизаторы, биореакторы и питательные среды в ближайшие сто лет не предвидится. А еще придется решить массу технических вопросов. В культуре клетки прилипают ко дну и друг к другу, прекращают рост и гибнут. Чтобы не допустить этого, среду перемешивают. Попытки вырастить in vitro не культуру клеток, а ткань создают массу дополнительных сложностей. В организме действует система тканевой микроциркуляции, которая доставляет к каждой клетке питательные вещества и кислород и удаляет продукты метаболизма. Чтобы обеспечить нечто подобное в биореакторе, необходимо предусмотреть включение в систему капилляров и более крупных сосудов, подсоединенных вместо сердца к пламенному мотору. И если такие решения будут найдены, использовать их следует не для производства бифштексов, а для выращивания искусственных органов с целью пересадки - только в этом случае окупится цена на вес золота.
Что касается продуктов питания, то их можно получать не просто более дешевыми, но даже рентабельными методами. И при этом удастся обойтись без культуры животных тканей.
Лет тридцать назад, когда на каждой лестничной площадке стояли вонючие баки с пищевыми отходами, выдвигался такой прожект: выращивать на этих и других отходах личинки обычных домашних мух на корм скоту, а возможно, и для человеческого питания. В кулинарных книгах народов мира есть много оригинальных рецептов, от сырых вшей до печеных миссионеров. По составу опарыши действительно полезнее говядины, но из эстетических соображений я предпочту им бифштекс из хорошо прожаренных микроорганизмов.
ВСЕЯДНЫЕ ДРОЖЖИ
Идея использовать для производства пищевого белка дрожжи возникла в конце XIX века. В Первую мировую войну в Германии в год производили до 10 тысяч тонн дрожжей для пищевых эрзацев, а в тридцатых годах XX века во всем мире заработали заводы по переработке в кормовой белок отходов самых разных производств, от патоки и молочной сыворотки до гидролизованных серной кислотой опилок и кукурузных кочерыжек. Тогда же советский фантаст Александр Беляев написал повесть "Вечный хлеб". Сюжет ее похож на сказку про волшебный горшочек: некий профессор, желая облагодетельствовать человечество, открыл дрожжи, которые питались воздухом и производили безвкусную, но питательную биомассу. Дело чуть не кончилось глобальной катастрофой: халява начала бесконтрольно распространяться по биосфере, раз в полчаса удваиваясь в объеме. К счастью, профессор успел открыть вирус, смертельный для "вечного хлеба" и безвредный для всего остального.
В шестидесятые годы ХХ века на волне, поднятой прогнозами скорой экологической и демографической катастрофы, вывели (старинными методами - генной инженерии тогда еще не было) штаммы дрожжей, способных питаться нефтепродуктами. Заводов по переводу нефти на корм скоту понастроили по всему миру, от Англии до Японии. Впереди планеты всей была богатая и великая страна СССР. К счастью, в семидесятых годах разразился нефтяной кризис, и к середине восьмидесятых производство белка из нефти практически прекратилось. К счастью - потому, что нефтяной белок и отходы его производства оказались настолько сильными аллергенами, что заболеваемость бронхиаль ной астмой в городе Кириши Ленинградской области, расположенном на окраине комбината "Киришинефтеоргсинтез" с крупнейшим советским производством белково-витаминного концентрата (БВК), была раз в десять выше среднестатистической.
Сейчас БВК, он же - белок одноклеточных организмов (БОО), получают главным образом из дрожжей, выращенных на отходах пищевой промышленности, и используют в качестве добавки к кормам для сельскохозяйственных животных. Как-то я из любопытства пожевал гранулу такого концентрата - честно говоря, гадость, но куры клевали с энтузиазмом. Если такой концентрат дезодорировать и ароматизировать, в колбасе его было бы не отличить от сои.
Но в дрожжах слишком много нуклеиновых кислот: чем быстрее клетки делятся, тем больше в них ДНК и РНК. А пуриновые основания в организме человека превращаются в мочевую кислоту и в больших количествах нарушают пуриновый обмен и вызывают заболевания, прежде всего, суставов и почек. Два грамма нуклеиновых кислот в день в дополнение к обычной диете - максимум, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения. Поэтому в человеческом питании применяют только биологически активные добавки из пивных дрожжей - источник витаминов группы В и других биологически активных веществ. У дрожжей и водорослей, в том числе у популярной среди героев научно-фантастических романов хлореллы, есть еще один недостаток - слишком прочная клеточная стенка, из-за которой содержимое клеток плохо усваивается.
Животные едят корма с добавкой БОО из дрожжей или хлореллы с удовольствием и пользой для здоровья. Толстая клеточная стенка в пищеварительной системе коровы или курицы переваривается без проблем, и пуриновые основания скотине не страшны: мочевая кислота в организме животных превращается в мочевину.
Кстати, гена, кодирующего необходимый для этого фермент уриказу, нет только у приматов. Эту делецию - выпадение гена из хромосомного набора - считают одной из причин того, что мы, приматы, такие умные. Мочевая кислота по строению молекулы похожа на кофеин и, возможно, стимулирует деятельность головного мозга. У всех животных, кроме приматов, мочевая кислота разлагается, не успев стукнуть в голову, - зато у них реже, чем у нас, случаются подагра и камни в почках.
НЕПРИХОТЛИВАЯ СПИРУЛИНА
Перспективный объект для получения пищевого белка - нитчатые одноклеточные цианобактерии (сине-зеленые водоросли) рода Spirulina . В отличие от бактерий и грибов спирулина способна усваивать атмосферный азот. В природе - далёко-далёко на озере Чад, в мелких прибрежных заливах и прудах со щелочной водой - биомасса спирулины удваивается за три-четыре дня. Сбившиеся в клубки спиральные нити длиной в несколько миллиметров с заполненными газом вакуолями всплывают на поверхность, а ветер и прибой выбрасывают их на берег. Местами берега романтического озера Чад покрыты толстым-толстым слоем биомассы S. platensis . Попробовать ее на вкус догадались, наверное, самые первые местные жители. Независимо от них по другую сторону Атлантики жители окрестностей мексиканских озер стали собирать биомассу родственного вида спирулины.
У спирулины тонкая клеточная стенка, и переваривается она легче, чем хлорелла или дрожжи. В ней в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в дрожжах, много витаминов, микроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот и 65-70% от сухого веса почти идеального по составу белка.
Описание фитотрона для выращивания спирулины хоть на космической, хоть на полярной станции (были бы тепло, вода, минеральные соли и свет) я читал еще в восьмидесятые годы. Но до сих пор в качестве продукта питания спирулину используют только бедные мексиканцы и африканцы, у которых она валяется под ногами. Всем остальным ее продают не фунтовыми лепешками, а в таблетках по цене биологически активной добавки, хотя все, что нужно для ее выращивания, это много солнца и щелочная среда в водоеме.
В тропических странах тысячи лет готовят лепешки из углеводного сырья, перебродившего под действием различных плесневых грибков, компенсируя тем самым нехватку белков и витаминов. И технология промышленного производства таких лепешек давно отработана, но не стала популярной даже в тропиках, хотя из пшеничной муки при этом получается полезный и, по описаниям, вкусный продукт, обогащенный витаминами и содержащий в шесть-семь раз больше белка (до 70%), к тому же лучшего по питательным свойствам, чем белок злаков. По-моему, главная причина того, что такие лепешки (например, темпех из сои, ферментированной грибком Rhizopus oligosporous ) покупают только вегетарианцы, - консерватизм потребителей.
В семидесятых годах ХХ века британское министерство сельского хозяйства после тщательных испытаний питательной ценности и безвредности дало разрешение на продажу микопротеина - выращенного на искусственной среде мицелия (попросту говоря, волокон плесени) мутантного штамма известного фитопатогена - грибка Fusarium graminearum . По виду и структуре прессован ный мицелий напоминал крабовые палочки (их, как известно, делают из филе дешевой рыбы и бульона от крабовых консервов), по вкусу - что-то идентичное натуральному, а по питательной ценности во всех отношениях был лучше мяса. В мясе в пересчете на сухой вес содержится около 60% белков и 40% жира; в микопротеине - 50% белков, 15% жиров (более полезных, чем говяжий жир), 10% углеводов и 25% полезных для здоровья пищевых волокон. Полуфабрикаты блюд на основе грибного белка в Англии и США при желании можно купить, но их производители рекламируют в основном отсутствие в продукте мяса и намекают на то, что все грибы, включая трюфели, - родственники.
С точки зрения эффективности синтеза белка ни одно сельскохозяйственное животное и в подметки не годится микроорганизмам. Для простоты сравнения сведем в таблицу всего два показателя: общую биомассу (без рогов и копыт, но с костями и хрящами, которых у микробов нет) и выход чистого белка на один килограмм корма.
Обратите внимание: из килограмма углеводов в составе питательной смеси фузариум синтезирует больше килограмма биомассы! Закон сохранения вещества при этом не нарушается. Это не сухой вес, а общий - и у плесени и у коровы это в основном вода. Но по чистому белку на килограмм корма грибок обгоняет животных в разы. В качестве дополнительного источника азота для синтеза аминокислот через питательную среду пропускают газообразный аммиак или добавляют мочевину и другие азотсодержащие вещества.
Если вы забыли школьный курс химии и слово "мочевина" вызывает у вас неприятные ассоциации, внимательно послушайте рекламу жевательной резинки с ксилитом и карбамидом. Карбамидом - "углеазотом" - на иностранный манер и в соответствии с международной химической номенклатурой называют выделенное когда-то из мочи животных вещество с неноменклатурным русским названием "мочевина". В качестве удобрения для растений ее под этим названием и продают привычным к навозу и компосту крестьянам и дачникам. Для человека мочевина в тех количествах, в которых она содержится в жвачке, безопасна, а для микробов (в больших количествах) может служить полноценным сырьем для синтеза белка.
МИКРОБЫ НАКОРМЯТ МИР?
Выращивать белки в биореакторе выгоднее, чем в стойле, и по многим другим причинам, кроме эффективности использования кормов. Самый скороспелый бройлер удваивает свою биомассу примерно за месяц и от пятидесятиграммового цыпленка до килограммовой куриной тушки вырастает за полгода. Микроорганизмы при благоприятных условиях удваивают биомассу за несколько часов, а то и быстрее, то есть по скорости производства белка микробы в сотни раз эффективнее, чем животные.
Бактерии или мицелий грибов, в отличие от водорослей, приходится выращивать не в прудах, а в ферментерах. Но микробы куда менее требовательны к условиям содержания, чем клетки животных и тем более их ткани. Прокормить микробов намного дешевле, чем свиней или кур. На любом заводе по переработке сельхозпродуктов отходы, содержащие массу углеводов, витаминов и микроэлементов, отдадут на дочернее или смежное производство БОО даром, да еще и скажут "спасибо" за то, что не надо возиться с их обезвреживанием. Правда, для выращивания микробов необходимо сложное оборудование, зато один квалифицированный оператор может заменить десятерых трактористов, пастухов и мясников.
Микробиологический заводик, занимающий площадь нескольких дачных участков, может каждые сутки производить из отходов традиционных производств десятки тонн вкусной, полезной и питательной биомассы. То же количество белка можно получить, если каждый день резать стадо коров или других меньших братьев. И, в отличие от животных, микробы не нуждаются в пастбищах и полях - значит, каждый завод по производству биомассы освобождает площадь для садов и лугов. А переработать на биогаз и удобрения отходы жизнедеятельности одних микроорганизмов можно в соседнем биореакторе с помощью других микроорганизмов. С навозом проблем намного больше.
Производство продуктов из микробной биомассы вполне может быть рентабельным - выгодно же делать из нее корм для скота. Еще несколько десятков лет экологические, демографические и экономические причины не заставят человечество переходить на фантастические продукты питания. А что будет лет через двадцать, если сохранятся сегодняшние темпы роста населения и продуктивности сельского хозяйства? Несомненно одно: если мир через несколько десятилетий станет более сытым и здоровым, то только благодаря все более широкому внедрению достижений биотехнологии.
Самый реалистичный источник увеличения продуктивности сельского хозяйства - трансгенные растения, прежде всего - устойчивые к болезням и вредителям, засолению, засухе, жаре, холоду и т.д. Во вторую очередь - с измененным составом питательных веществ и повышенной урожайностью. В 2004 году на Земле трансгенными растениями был засеян 81 млн га, более 6% мировой пашни. В основном это растения, устойчивые к насекомым-вредителям (общее количество насекомых на "трансгенных" полях больше, чем на обычных, протравленных инсектицидами) и к гербицидам (в результате чего общее количество "химии" на поле тоже снижается). Культуры с улучшенными потребительски ми свойствами ждут разрешения на внедрение. В 2003 году индийские биотехнологи закончили работу над сортом картошки с почти вдвое увеличенным содержанием белка (целых 3,5%). Дополнительное количество растительного белка позволило бы населению бедных стран меньше страдать от недоедания, но внедрение protato (protein + potato), риса с каротином (гиповитаминоз А - большая проблема в странах, где горсточка риса составляет основу рациона) и многих других трансгенных сортов растений все откладывается. Борьба политиканов, непримиримых "зеленых", производителей пестицидов и т.п. против ГМО, несмотря на доказанную и передоказанную компетентными правительственными организациями безопасность разрешенных к применению сортов, - отдельная и печальная история. Сейчас в опытных питомниках растет столько и такого, что одно перечисление названий и свойств этих растений заняло бы больше места, чем эта статья. Победа второй "зеленой революции" неизбежна, какие бы аргументы ни выдвигали противники трансгенных растений.
Трансгенные животные вот-вот выйдут из вивариев на поля и в стойла. Возможно, вначале практическое применение найдут животные, производящие в молоке белки для нужд медицины, а генетичес ки модифицированные мясные стада появятся позже. Они будут устойчивее к болезням, быстрее расти и т.д., потом изменятся их потребительские качества. Например, весной 2004 года ученые из Гарвардского университета создали линию мышей, в геном которых введен ген, позаимствованный у нематоды Caenorhabditis elegans , червя длиной в миллиметр. Кодируемый этим геном белок преобразует омега-6 жирные кислоты, которые синтезируют клетки млекопитающих, в омега-3 жирные кислоты, которые понижают давление, уменьшают вероятность сердечно-сосудистых заболеваний и давно известны как "витамин F" (от англ. fat - жир). Продолжение этих исследований позволит вывести породы домашних животных, мясо, молоко и яйца которых будут так же полезны для сердца, как рыба.
Перечислять названия и свойства перспективных трансгенных пород домашних животных тоже можно очень долго. Вопрос не в том, будут они разрешены к применению или нет, а в том, произойдет это через пять лет или через двадцать и насколько трудно будет убедить потребителей в безопасности генетически модифицированного мяса.
Микроорганизмы как источник пищевого сырья, в отличие от трансгенных растений и животных, вызывают у потребителей намного меньше опасений. Хлеб, сыр, вино, пиво с незапамятных времен делают с помощью микробов, и это никого не пугает. Производство микробного белка из углеводного сырья не представляет технических трудностей, в том числе и в России. Самое сложное - сформировать спрос на непривычный товар.
(Вопросы автору статьи - главному редактору интернет-журнала "Коммерческая биотехнология" можно задать на сайте www.cbio.ru - Ред.)
"Наука и жизнь" о биотехнологии:
Баев А. Индустрия ДНК: новый путь биотехнологии . - 1981, № 11.
Белоконева О. Медицинская биотехнология на пути к кабинету врача. - 2004, № 2.
Белоконева О. Технология XXI века в России. Быть или не быть? - 2001, № 1.
Глеба Ю. Еще раз о биотехнологии, но больше о том, как нам выйти в мир. - 2000, № 4.
Лебедев В. Миф о трансгенной угрозе. - №№ 11,2003г.. 12,2003г.
Медников Б. Власть над геном. - 1981, №№ 7-10.
Овчинников Ю. Биотехнология и ее место в научно-техническом прогрессе . - 1982, № 6.
Попов Л. Фантастический шницель. - 2000, № 4.
Попов Л. Стадо для чеддера. - 1999, № 8.
Соколов В. Будет ли следующая “зеленая революция”? - 2003, № 3.
