Растения могут производить ключевой молочный белок

Фото из открытых источников

Что если белок, придающий молоку питательные свойства, кремовую текстуру и пригодность для производства сыра, вообще не обязательно должен быть получен от коровы, а его можно было бы выращивать внутри обычного растения? 

Новые исследования приближают эту идею на значительный шаг вперед, раскрывая совершенно неожиданный способ, с помощью которого семена растений могут производить и хранить один из важнейших белков молока.

Исследование проводилось под руководством Одеда Шосеева из Еврейского университета в Иерусалиме в сотрудничестве с новозеландской компанией Miruku. Результаты исследования были опубликованы в журнале Frontiers in Plant Science.

Команда продемонстрировала, что растения способны успешно производить β-казеин, один из основных белков, содержащихся в коровьем молоке. Исследователи обнаружили, что белок накапливается внутри растительных клеток в месте, которого никто не ожидал.

Мировой спрос на молочную продукцию продолжает расти, несмотря на растущую обеспокоенность по поводу выбросов парниковых газов, землепользования и потребления воды, связанных с животноводством. Это противоречие подтолкнуло ученых к поиску устойчивых способов производства настоящих молочных белков без использования животных вообще. 

Молекулярное земледелие – по сути, превращение обычных сельскохозяйственных культур в миниатюрные фабрики по производству белка – стало одним из наиболее перспективных направлений развития. Это объясняется тем, что теоретически сельскохозяйственные культуры можно выращивать в больших масштабах, затрачивая при этом лишь малую часть ресурсов, необходимых для разведения молочного скота. 

Однако заставить растения производить сложные молочные белки по-прежнему остается серьезной технической проблемой, которая до настоящего времени ограничивала возможности этого подхода. Для решения этой задачи исследователи модифицировали семена арабидопсиса таким образом, чтобы они производили бычий β-казеин, слитый с небольшим участком растительного белка масляных телец, называемого олеозином, который связывается с масляными тельцами внутри растительной клетки. 

Затем они протестировали несколько различных «клеточных адресов», направляя белок в различные компартменты внутри клетки, чтобы определить, где он будет накапливаться наиболее эффективно. 

Команда предполагала, что белок будет накапливаться внутри специализированных вакуолей для хранения, клеточных компартментов, обычно используемых для такого рода хранения. Усовершенствованная электронная микроскопия выявила совершенно иную картину.

Вместо того чтобы оседать в предназначенном для хранения отсеке, молочный белок образовывал ранее неизвестные богатые белками структуры. Эти структуры очень напоминали природные мицеллы казеина, сгруппированные вокруг крошечных масляных телец внутри клеток семян.

Неожиданно образовавшиеся белково-масляные агрегаты успешно накапливались, в то время как семена продолжали нормально прорастать. Это явление позволяет предположить, что у растений может существовать совершенно альтернативный способ хранения сложных белков, который ученые ранее не обнаружили.

Наиболее успешные растения производили β-казеин в количестве примерно 1,26% от общего количества растворимого белка семян – это значительно более высокий выход, чем во многих предыдущих попытках получения казеина в растениях. 

«Один из самых захватывающих аспектов науки — это когда природа удивляет», — говорит Шосеев. «Мы планировали доставить белок в одно место внутри клетки, но вместо этого обнаружили, что растение фактически создало собственное хранилище. Понимание этого неожиданного поведения дает нам ценную информацию о том, как растения обрабатывают сложные белки, и может помочь нам разработать более эффективные системы для производства экологически чистых молочных белков в будущем».

Значение этого открытия выходит далеко за рамки одних лишь альтернатив молочным продуктам. Молекулярное земледелие на основе растений — это быстро развивающаяся область, которая использует сельскохозяйственные культуры для производства высокоценных белков для пищевых продуктов, питания и даже лекарств. 

Понимание того, где и почему рекомбинантные белки естественным образом накапливаются внутри растительных клеток, позволит исследователям создавать растения, дающие более высокие урожаи, одновременно упрощая очистку и снижая производственные затраты. 

Подобные преимущества могут распространяться на широкий спектр белковых продуктов, помимо казеина. К ним относятся терапевтические белки и другие высокоценные биопрепараты, для производства которых в настоящее время требуются гораздо более дорогостоящие производственные системы.

По мере роста спроса на более экологически устойчивые источники белка, подобные открытия приближают ученых к производству действительно качественных молочных ингредиентов, используя лишь солнечный свет, воду и почву.

Исследователи уже сделали шаг вперед по сравнению со своей первоначальной экспериментальной версией.  Недавно им удалось модифицировать растения сафлора, добавив в них те же молочные белки, что позволило продвинуть технологию за пределы модельного растения арабидопсис, использованного в первоначальном исследовании. 

Сафлор представляет собой действительно практичный выбор для масштабирования этого подхода, поскольку это масличная культура, хорошо подходящая для жаркого климата и засушливых земель. 

Благодаря своей устойчивости к высоким температурам, этот продукт становится все более актуальным вариантом, поскольку глобальное потепление меняет то, какие культуры можно выращивать и где, в то время как спрос на питательный белок продолжает расти. 

Такое сочетание — устойчивая культура в паре с естественным эффективным способом хранения — в конечном итоге может сделать выращенные на растениях молочные белки реальной альтернативой далеко за пределами исследовательских теплиц.