Наша система питания ставит перед нами множество проблем, так как в настоящее время она крайне неустойчива, расточительна и в целом нездорова. Производство продуктов питания является наиболее важным фактором изменения климата и утраты биоразнообразия. Ущерб окружающей среде усугубляется неэффективностью продовольственной системы, что приводит к огромному количеству отходов.
В то же время одна значительная часть населения планеты недоедает, а другая страдает от неинфекционных заболеваний, частично вызываемых потреблением подвергшихся глубокой переработке, высококалорийных продуктов питания. Эти проблемы требуют от учёных, представляющих разные направления и виды науки, немедленных разномасштабных действий.
Микроорганизмы станут ключевыми ингредиентами рецепта позитивных перемен.
Микроорганизмы уже играют центральную, но часто упускаемую из виду роль в нашей продовольственной системе, начиная с производства и обработки пищи и кончая процессом потребления. Сельское хозяйство зависит от почвенного микробного биоразнообразия и растительных микробиомов, которые влияют на опыление, здоровье, урожайность, питательность и вкус растений. После сбора урожая сельскохозяйственные продукты часто подвергаются дополнительной обработке, и одним из её старейших и наиболее распространённых вариантов является микробиологическая ферментация. Полученные таким образом продукты потребляются, и в пищеварительном тракте, где обитают сотни различных видов микроорганизмов, происходит метаболизм. Рацион человека существенно влияет на микробные сообщества в кишечнике, формирует их, что, в свою очередь, влияет на пищевой статус человека и общее состояние его здоровья.
В системе питания микроорганизмы, помимо указанных основных функций, способны выполнять и другие. Мы можем использовать их для производства новых продуктов питания, чтобы смягчить кризис здоровья человека и всей планеты.
Согласно данным двух недавних исследований, мы ослабим потенциал глобального потепления на 80%, а также сократим землепользование и водопользование, если удастся заменить все продукты животного происхождения на новые продукты питания, в частности на микробные белки и молоко, получаемое в результате прецизионной ферментации; мы сократим на 50% обезлесение и связанные с землепользованием выбросы в атмосферу углерода, если 20% мяса жвачных животных будет заменено микробным белком, который выращивается на потоках отходов производства сахарного тростника. Микробиологически произведённые продукты питания, определяемые здесь как «микробные пищевые продукты», создаются с помощью научно обоснованной микробной ферментации, микробной биомассы или пищевых ингредиентов, получаемых на фабриках микробных клеток (Рис. 1).
Хотя в настоящее время микробное производство пищевых продуктов осуществляется как в кустарных, так и в промышленных масштабах, для реализации всего потенциала микробных пищевых продуктов следующего поколения потребуются инновации в нескольких областях. Эти области требуют:
1) понимать и использовать микробное биоразнообразие для производства продуктов питания, чтобы улучшить здоровье человека и всей планеты;
2) применять наукоёмкую ферментацию и научные инструменты, включая генную инженерию, для улучшения производства микробных пищевых продуктов;
3) повышать эффективность продовольственной системы за счёт использования в качестве субстратов для создания микробных пищевых продуктов отходов и атмосферного углекислого газа.
Микробиомы ферментированной пищи для устойчивого питания и здоровья
Ферментированную пищу, старейшую и традиционнейшую версию микробных пищевых продуктов, можно определить как твёрдую и жидкую пищу, производимую посредством контролируемой микробной трансформации ингредиентов. Человечество использует микроорганизмы для создания пищи в течение тысячелетий; по-видимому, с самого раннего этапа своего развития, на что указывает наблюдавшееся учёными намеренное ферментирование фруктов обезьянами.
Кроме того, давнюю связь между людьми и ферментированной пищей подтверждают генетические данные. Например, в отличие от других млекопитающих, у людей имеется дополнительная копия рецептора гидроксикарбоновой кислоты 3 (HCA3). Эта копия взаимодействует с D-фенилмолочной кислотой — метаболитом, который обычно вырабатывается молочнокислыми бактериями и присутствует в ферментированных продуктах. Сегодня такие продукты широко используются во всём мире и составляют около одной трети потребляемых продуктов.
Увеличение доли ферментированных продуктов в нашем рационе способствует оздоровлению планеты и человека сразу в нескольких аспектах. Рассмотрим эти аспекты.
Во-первых, ферментацию можно использовать для того, чтобы продукты питания лучше сохранялись и были более безопасными при потреблении. Условия ферментации и микробная активность снижают количество клеток патогенных организмов, например, за счёт изменения pH, конкуренции в потреблении питательных веществ или производства консервантов с противомикробной или противогрибковой активностью.
Вследствие этого ферментированные пищевые продукты зачастую безопаснее для потребления, чем их неферментированные аналоги.
Кроме того, увеличенный срок хранения многих ферментированных пищевых продуктов позволяет сократить потери продуктов питания во всех звеньях производственно-сбытовой цепи, начиная с полей и заканчивая магазинными и домашними полками, в результате чего растёт эффективность производства продуктов питания и улучшается использование пищевых ресурсов.
Во-вторых, микробная активность в процессе ферментации является мощным инструментом для создания de novo восхитительных вкусов и текстур. Разнообразные текстуры сыра, вкус шоколада, соевого соуса, вина и многих других твёрдых и жидких продуктов представляют собой результат микробной ферментации. Этот потенциал можно использовать для повышения привлекательности новых полезных для здоровья и экологически чистых продуктов питания. Поскольку органолептические свойства пищи определяют производство новых продуктов и выбор уже имеющихся, потенциал ферментации в плане создания приятных и восхитительных вкусов и текстур будет иметь огромное значение для изменения пищевых привычек в сторону более устойчивых вариантов.
В-третьих, в процессе ферментации происходит изменение питательного состава пищевых продуктов. Ингредиенты, содержащие такие антипитательные вещества, как фитиновая и щавелевая кислоты, которые хелируют ионы металлов и тем самым снижают питательный потенциал, содержание клетчатки, а в некоторых случаях даже токсины, можно трансформировать путём ферментации в безопасную вкусную пищу. Например, маниока (Manihot esculenta), крахмалистые клубни которой могут расти на самых разных видах почвы, во многих южных регионах планеты является основным продуктом питания, хотя в её корнях и листьях высоко содержание цианидов. Обычно эти корни и листья ферментируют, в результате чего содержание цианидов снижается до уровней безопасного потребления.
Аналогичным образом ферментация может превращать в пищевые продукты растения и продукты, ранее пребывавшие за рамками системы питания, способствуя сокращению пищевых отходов и адаптации человечества к изменяющимся климатическим условиям путём создания новых сельскохозяйственных культур. Помимо улучшения здоровья планеты, изменения в составе питательных веществ могут служить и улучшению здоровья человека, так как ферментация может увеличивать биологическую ценность, снижать аллергенность белков и добавлять витамины.
Наконец, микроорганизмы, создаваемые ими экзополисахариды, микробные строительные блоки, белки и метаболиты, вероятно, прямо или косвенно взаимодействуют с нашей физиологией, а также с микробиомом нашего кишечника, тем самым влияя на наше здоровье. Хотя исследований на тему интервенций в человеческий рацион было сравнительно мало, большинство полученных данных свидетельствует о том, что потребление ферментированных продуктов полезно для здоровья, особенно в плане смягчения метаболических заболеваний и улучшения управления весом и настроением, а также снижения общей смертности.
В этом отношении представляет интерес недавнее исследование влияния, которое оказывает обогащение рациона ферментированными продуктами на воспаление кишечника и разнообразие кишечного микробиома у взрослых людей Запада. Было отмечено, что диета, обогащённая ферментированными продуктами, уменьшает воспалительные сигналы и увеличивает разнообразие кишечного микробиома. Чем объясняются эти положительные эффекты, ещё неясно, но определённую роль могут играть перемещение микробов из пищи в кишечник, поскольку микробы из ферментированных продуктов способны выжить в желудочно-кишечном тракте, и взаимодействия, которые происходят между микробными пищевыми метаболитами, кишечным микробным сообществом и организмом хозяина.
Достижения в области метагеномного секвенирования в сочетании с клиническими испытаниями должны улучшить наши знания о микробных и молекулярных взаимодействиях между ферментированными продуктами и человеческим организмом. В долгосрочной перспективе, если потребление ферментированных продуктов действительно может изменить и обогатить микробиом нашего кишечника, эти продукты могут сыграть важную роль в противодействии критической потере микробного биоразнообразия кишечника и связанному с этим ухудшению здоровья.
Микробное биоразнообразие как новый источник пищи
В ферментированных продуктах могут существовать разнообразные микробиомы; тем не менее, количество микроорганизмов, которые намеренно были добавлены в контролируемые человеком виды ферментации, остаётся весьма ограниченным. Хотя многие микроорганизмы, вероятно, не годятся на роль нашей пищи, изучение ареалов тех из них, которые потенциально съедобны, в сочетании с нашей растущей способностью культивировать их, а также генотипически и фенотипически характеризовать, обещает выявить новые метаболические возможности микробных пищевых продуктов, в том числе новые виды вкуса, текстур, полезных для здоровья эффектов и положительно влияющих на питание микробов (Рис. 2). Как по применяемому подходу, так и по потенциальному воздействию этот «биологический поиск» новых полезных микробных штаммов может оказаться похожим на традиционный поиск по всему миру создаваемых различными микробами натуральных продуктов, увенчавшийся разработкой множества исключительно важных, глубоко повлиявших на нашу жизнь лекарств.
Изучение микробного биоразнообразия позволяет выявить новые организмы, биомасса которых можно непосредственно потребляться. В прошлом столетии были предприняты огромные усилия для анализа пищевых профилей микроорганизмов с конечной целью производства биомассы для питания людей и животных. Благодаря успехам в культивировании, в том числе в осуществлении подпитываемых процессов, в начале ХХ века стало возможным производить микробную биомассу из дешёвых потоков отходов в богатую белком биомассу. Несмотря на крупномасштабные инвестиции в индустрию микробной биомассы и быструю окупаемость затрат, с 1980-х годов на этом рынке осталась только одна компания. В то время как большинство компаний производило пищевые добавки, эта компания создала из экологического изолята нитчатого гриба Fusarium venenatum микопротеин, который имеет полный аминокислотный профиль, обладает мясными вкусом и текстурой и используется в ряде продуктов, имитирующих мясо.
По прогнозам специалистов, производство микробной биомассы и её последующее внедрение в рацион человека окажут существенное положительное влияние на экологию. Созданная из сточных вод путём извлечения питательных веществ и анаэробного сбраживания микробная биомасса, если сравнивать её с говядиной, снижает на 96% негативное воздействие на климат, улучшает на 99% землепользование и снижает на 85% потребление пресной воды. Вот почему сейчас многие компании вернулись к идее использовать микробную биомассу и осуществлять инновации с применением новых методов ферментации и организмов, включая альтернативы мясу, изготовляемые на основе съедобного штамма Fusarium из горячих источников Йеллоустона, и новые альтернативы молоку, изготовляемые на основе изолята из человеческого кишечника с исключительно высоким содержанием белка.
Мицелий съедобных базидиальных грибов также привлекает всё большее внимание при производстве продуктов питания. Мицелиальные грибы известны прежде всего тем, что обладают богатым потенциалом для производства вкусных, питательных и естественно текстурированных продуктов, но, кроме того, своей способностью продуцировать биологически активные белки и метаболиты. Возможно, что многие из этих естественных организмов обладают лечебными свойствами; например, известно, что ловастатин, содержащийся в шиитаке, снижает у людей уровень холестерина. Съедобная плесень Monascus, которая является ключевым компонентом красного риса — традиционного ферментированного продукта, — также способна снижать уровень холестерина и используется в традиционной китайской медицине. Вероятно, есть и другие, неизвестные нам штаммы, ожидающие, что их откроют и будут использовать в лечебных целях. Дополнительные исследования требуются, впрочем, не только для определения терапевтического потенциала биоактивных соединений мицелия, но и для оценки безопасности известных и новых штаммов мицелиальных грибов.
Широкий доступ к ресурсам биоразнообразия позволяет совершенствовать не только производство микробной биомассы, но и ферментацию пищевых продуктов, что показали дрожжи рода Lanchacea, выделенные из кишечника осы и успешно применённые в коммерческом пивоварении. Эти дрожжи, во-первых, растут быстрее обычных пивоваренных дрожжей, а во-вторых — дают восхитительный фруктовый вкус.
Приведённые примеры красноречиво свидетельствуют о том, как важно выделять микроорганизмы из новых районов обитания, чтобы проверить их пригодность для производства продуктов питания (Рис. 2). Ожидается, что достижения в сфере глубокого метагеномного профилирования и методов культивирования в ближайшие годы сделают выявление новых микроорганизмов, пригодных для производства продуктов питания, ещё более стремительным.
Продолжение следует...
Авторы — Леони Ян (Leonie J. Jahn), Ваю М. Рекдал (Vayu M. Rekdal) и Мортен О. А. Зоммер (Morten O. A. Sommer), биологи из Датского технического университета (дат. Danmarks Tekniske Universitet, DTU).
Перевод — Александр Горлов, «XX2 ВЕК».
Источники: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.002.
Друзья! Если вам нравится то, что мы делаем, вы очень поможете нам, подписавшись на канал «XX2 век». Также мы будем рады вашим лайкам и комментариям. Поддержите распространение научного знания и научного взгляда на мир.