Hacken des Genoms von Pilzen für intelligente Lebensmittel der Zukunft

Da tierversuchsfreie Milchprodukte und überzeugende vegetarische Fleischersatzprodukte bereits auf dem Markt sind, ist es leicht zu erkennen, wie Biotechnologie die Lebensmittelindustrie verändern kann. Fortschritte in der Gentechnik ermöglichen es uns, Mikroorganismen zu nutzen, um tierversuchsfreie Produkte herzustellen, die für Verbraucher gesund und gesünder für die Umwelt sind.

Eine der vielversprechendsten Quellen für innovative Lebensmittel sind Pilze – ein vielfältiges Organismenreich, das auf natürliche Weise eine große Auswahl an leckeren und nahrhaften Proteinen, Fetten, Antioxidantien und Geschmacksmolekülen produziert. Der Chefkoch und Bioingenieur Vayu Hill-Maini, ein Tochterunternehmen im Bereich Biowissenschaften am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), erforscht die vielen Möglichkeiten für neue Geschmacksrichtungen und Texturen, die durch die Modifikation der bereits in Pilzen vorhandenen Gene hergestellt werden können.

„Ich denke, es ist ein grundlegender Aspekt der synthetischen Biologie, dass wir von Organismen profitieren, die sich in der Evolution so entwickelt haben, dass sie in bestimmten Dingen wirklich gut sind“, sagte Hill-Maini, Postdoktorandin an der UC Berkeley im Labor des Bioingenieurexperten Jay Keasling . „Was wir versuchen, ist zu untersuchen, was der Pilz erzeugt, und zu versuchen, es irgendwie zu erschließen und zu verbessern. Und ich denke, das ist ein wichtiger Aspekt, den wir nicht brauchen, um Gene von völlig unterschiedlichen Arten einzuführen. Wir“ Wir untersuchen erneut, wie wir Dinge zusammenfügen und das freisetzen können, was bereits vorhanden ist.

In ihrem jüngsten Artikel, erschienen in NaturkommunikationHill-Maini und Kollegen von der UC Berkeley, dem Joint BioEnergy Institute und dem Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability untersuchten einen mehrzelligen Pilz namens Aspergillus oryzae, auch bekannt als Koji-Schimmel, der in Ostasien zur Fermentation von Stärke zu Sake verwendet wurde. Sojasauce und Miso seit Jahrhunderten.

Zunächst nutzte das Team CRISPR-Cas9, um ein Gen-Editierungssystem zu entwickeln, das konsistente und reproduzierbare Veränderungen am Genom des Koji-Schimmelpilzes vornehmen kann. Nachdem sie einen Werkzeugkasten an Bearbeitungen erstellt hatten, wandten sie ihr System an, um Modifikationen vorzunehmen, die den Schimmel als Nahrungsquelle hervorheben.

Zunächst konzentrierte sich Hill-Maini darauf, die Hämproduktion des Schimmelpilzes zu steigern – ein eisenbasiertes Molekül, das in vielen Lebensformen vorkommt, aber am häufigsten in tierischem Gewebe vorkommt und dem Fleisch seine Farbe und seinen unverwechselbaren Geschmack verleiht. (Ein synthetisch hergestelltes pflanzliches Häm verleiht dem Impossible Burger auch seine fleischähnlichen Eigenschaften.) Als nächstes steigerte das Team die Produktion von Ergothionein, einem Antioxidans, das nur in Pilzen vorkommt und mit kardiovaskulären Gesundheitsvorteilen in Verbindung gebracht wird.

Nach diesen Veränderungen wurden die einst weißen Pilze rot. Mit minimaler Vorbereitung – überschüssiges Wasser entfernen und zermahlen – könnten die geernteten Pilze zu einem Pastetchen geformt und dann zu einem verführerisch aussehenden Burger frittiert werden.

Hill-Mainis nächstes Ziel besteht darin, die Pilze noch attraktiver zu machen, indem er die Gene optimiert, die die Textur des Schimmelpilzes steuern. „Wir denken, dass es viel Spielraum für die Erforschung der Textur gibt, indem man die faserartige Morphologie der Zellen variiert. Daher könnten wir die Struktur der Chargenfasern möglicherweise so programmieren, dass sie länger ist, was ein fleischähnlicheres Erlebnis ergeben würde.“ Und dann können wir darüber nachdenken, die Lipidzusammensetzung für ein besseres Mundgefühl und eine bessere Ernährung zu verbessern“, sagte Hill-Maini, die während der Studie Fellow am Miller Institute for Basic Research in Science an der UC Berkeley war. „Ich bin wirklich gespannt, wie wir den Pilz weiter untersuchen und, wissen Sie, an seiner Struktur und seinem Stoffwechsel für die Nahrung herumbasteln können.“

Obwohl diese Arbeit erst der Anfang der Reise ist, Pilzgenome zu erschließen, um neue Lebensmittel zu schaffen, zeigt sie das enorme Potenzial dieser Organismen, als einfach anzubauende Proteinquellen zu dienen, die die komplexen Zutatenlisten aktueller Fleischersatzprodukte und dergleichen umgehen Kostenbarrieren und technische Schwierigkeiten behindern die Einführung von Kulturfleisch. Darüber hinaus ist das Gen-Editing-Toolkit des Teams ein großer Fortschritt für das gesamte Gebiet der synthetischen Biologie.

Derzeit wird eine große Vielfalt an biotechnologisch hergestellten Produkten aus gentechnisch veränderten Bakterien und Hefen hergestellt, den einzelligen Verwandten von Pilzen und Schimmelpilzen. Doch trotz der langen Geschichte der Menschheit, Pilze zu domestizieren, um sie direkt zu essen oder Grundnahrungsmittel wie Miso herzustellen, wurden mehrzellige Pilze noch nicht in gleichem Maße als gentechnisch veränderte Zellfabriken genutzt, da ihre Genome weitaus komplexer sind und Anpassungen aufweisen, die die Genbearbeitung zu einer Herausforderung machen . Das in diesem Artikel entwickelte CRISPR-Cas9-Toolkit legt den Grundstein für die einfache Bearbeitung von Koji-Schimmel und seinen vielen Verwandten.

„Diese Organismen werden seit Jahrhunderten zur Herstellung von Nahrungsmitteln verwendet und sie sind unglaublich effizient bei der Umwandlung von Kohlenstoff in eine Vielzahl komplexer Moleküle, darunter viele, die mit einem klassischen Wirt wie Bierhefe oder E. coli kaum herzustellen wären.“ sagte Jay Keasling, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab und Professor an der UC Berkeley.

„Indem wir den Koji-Schimmel durch die Entwicklung dieser Werkzeuge erschließen, erschließen wir das Potenzial einer riesigen neuen Gruppe von Wirten, die wir zur Herstellung von Lebensmitteln, wertvollen Chemikalien, energiereichen Biokraftstoffen und Medikamenten nutzen können. Es ist ein aufregender neuer Weg für die Bioproduktion.“ .“

Aufgrund seines kulinarischen Hintergrunds möchte Hill-Maini sicherstellen, dass die nächste Generation von Produkten auf Pilzbasis nicht nur schmackhaft, sondern auch für Kunden, auch solche mit anspruchsvollem Geschmack, wirklich begehrenswert ist. In einer separaten Studie arbeiteten er und Keasling mit Köchen des Alchemist, einem mit zwei Michelin-Sternen ausgezeichneten Restaurant in Kopenhagen, zusammen, um mit dem kulinarischen Potenzial eines anderen vielzelligen Pilzes, Neurospora intermedia, zu experimentieren.

Dieser Pilz wird in Indonesien traditionell zur Herstellung eines Grundnahrungsmittels namens Oncom verwendet, indem Abfallprodukte, die bei der Herstellung anderer Lebensmittel wie Tofu übrig bleiben, fermentiert werden. Fasziniert von seiner Fähigkeit, Speisereste in proteinreiche Lebensmittel umzuwandeln, untersuchten die Wissenschaftler und Köche den Pilz in der Alchemist-Testküche. Sie entdeckten, dass N. intermedia während seines Wachstums viele Enzyme produziert und ausscheidet. Beim Anbau auf stärkehaltigem Reis produzieren die Pilze ein Enzym, das den Reis verflüssigt und ihn intensiv süß macht.

„Wir haben ein Verfahren mit nur drei Zutaten – Reis, Wasser und Pilzen – entwickelt, um einen schönen, auffällig orangefarbenen Brei herzustellen“, sagte Hill-Maini. „Das wurde zu einem neuen Gericht auf der Degustationskarte, das die Chemie und Farbe von Pilzen in einem Dessert nutzt. Und ich denke, es zeigt wirklich, dass es die Möglichkeit gibt, eine Brücke zwischen Labor und Küche zu schlagen.“