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.
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.
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
Для этого растению понадобилось 15 минут
Японские ученые отследили механизм работы белков семейства LAZY, занимающих ключевое место в восприятии силы тяжести растениями. В покое белки экспонированы на поверхности статолитов — органелл, имеющих высокую плотность и лежащих из-за этого в нижних частях клетки. Но наклон ростков резуховидки Таля приводил к тому, что статолиты перемещались в новые нижние участки клетки, оставляя отпечаток из белков LAZY. Белки, перенесенные с мембраны статолитов на цитоплазматическую мембрану, маркируют новое направление роста и изгиба корня. Исследование опубликовано в журнале Science. У корней большинства высших растений выражен гравитропизм, то есть движение в сторону источника силы тяжести. За гравитропизм корней отвечают клетки-статоциты, входящие в состав корневого чехлика. В них находятся органеллы статолиты — родственники хлоропластов, заполненные крахмалом и лежащие в нижней части клетки из-за более высокой, чем у цитоплазмы, плотности. Статолиты маркируют направление изгиба и роста корня, поскольку клетка экспортирует фитогормон ауксин в ту сторону, куда указывают органеллы, а ауксин вызывает растяжение клеток (по такому принципу поворачиваются растения подсолнечника в течение дня) и стимулирует их деление. Все эти детали были известны еще 50 лет назад, но механизмы, связывающие оседание статолитов и направление транспорта ауксина, за прошедшее время так и не были расшифрованы. Впрочем, было установлено, что белки семейств LAZY и RLD имеют отношение в гравитропизму, ведь корни растений, у которых выключены эти гены, перестают расти вниз. Молекулярные биологи и физиологи растений из нескольких университетов США и Японии при участии Миё Тэрао Морита (Miyo Terao Morita) из Национального института фундаментальной биологии в Окадзаки сосредоточились на изучении работы двух белков семейства LAZY — LZY3 и LZY4 — в корневом чехлике резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Анализ аминокислотной последовательности LZY3 и LZY4 показал, что у белков нет трансмембранного домена для заякоривания в мембране, зато есть гидрофобные и положительно заряженные участки для взаимодействия с фосфолипидами внутреннего слоя мембраны. Точечные мутации в этих участках белков нарушали гравитропизм у ростков резуховидки. Поскольку белок с таким строением неспособен прочно фиксироваться в мембране, но при этом критически важен для гравитропизма, то, предположили биологи, он может слабо прикрепляться попеременно к плазматической мембраной и к гликолипидам внешней мембраны статолитов. И действительно, LZY3 и LZY4 были обнаружены на поверхности обеих мембран. Далее ученые при помощи конфокальной микроскопии отследили, как меняется распределение LZY4 в живой клетке после наклона ростков на 90-135 градусов. Уже спустя три минуты статолиты оказывались в нижней части клетки. Через 15 минут обнаружились метки LZY4 на прилежащем участке плазмалеммы, а первые признаки изменения формы корня появились через полчаса с начала эксперимента. Помимо воздействия гравитацией, ученые подвигали амилопласты внутри живых клеток при помощи оптического пинцета, чтобы исключить, что полярность клетки управляется какими-либо другими органеллами, имеющими высокую плотность. Как и в эксперименте с наклоном ростка, через несколько минут флуоресцентная метка, пришитая к LZY4, переходила с пластид на плазматическую мембрану. После оседания LZY на мембране с ним связывались белки семейства RLD, которые, в свою очередь, привлекают на мембрану белки-экспортеры ауксина. Таким образом, японские ученые описали еще один механизм механорецепции живыми организмами. По словам авторов статьи, принцип работы LAZY-зависимых сенсоров, чувствующих направление силы притяжения, но не ее величину, похож на работу «аналогового» инклинометра. Человеческие же проприорецепторы, полукружные канальцы и отолитовые органы работают как акселерометры, детектирующие линейное или угловое ускорение при движении головы, внутренних органов или мышц. Подробнее о принципе их работы можно прочитать в нашем материале «Премия за самочувствие». Градиент ауксина в корне влияет на только на его рост в физиологических условиях, но и, к примеру, на заживление ран.