מטבח בעיצוב CRISPR: כיצד הנדסה גנטית משנה את מה שאנו אוכלים

פריצת הגנום של פטריות למזונות חכמים של העתיד.

עם מוצרי חלב ללא בעלי חיים ותחליפי בשר צמחוניים משכנעים שכבר קיימים בשוק, קל לראות כיצד ביוטכנולוגיה יכולה לשנות את תעשיית המזון. התקדמות ההנדסה הגנטית מאפשרת לנו לרתום מיקרואורגניזמים לייצור מוצרים נטולי אכזריות בריאים לצרכנים ובריאים יותר לסביבה.

אחד המקורות המבטיחים ביותר למזונות חדשניים הוא פטריות – ממלכה מגוונת של אורגניזמים המייצרים באופן טבעי מגוון עצום של חלבונים, שומנים, נוגדי חמצון ומולקולות טעם טעימים ומזינים. השף שהפך לביו-מהנדס Vayu Hill-Maini, שלוחה באזור מדעי הביולוגי במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי), בוחן את האפשרויות הרבות לטעמים ומרקמים חדשים שניתן ליצור משינוי הגנים שכבר קיימים בפטריות.

"אני חושב שזה היבט בסיסי של ביולוגיה סינתטית שאנחנו נהנים מאורגניזמים שהתפתחו להיות ממש טובים בדברים מסוימים", אמר היל-מיין, חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת ברקלי במעבדתו של מומחה הביו-הנדסה ג'יי קיסלינג. . "מה שאנחנו מנסים לעשות זה להסתכל מה מייצרת הפטרייה ולנסות לשחרר ולשפר אותה. ואני חושב שזו זווית חשובה שאיננו צריכים להכניס גנים שונים לגמרי מִין. אנחנו בודקים איך אנחנו יכולים לחבר דברים ולפתוח את מה שכבר יש".

שיפורים גנטיים בפטריות

במאמרם האחרון, שפורסם לאחרונה בכתב העת תקשורת טבעHill-Maini ועמיתיו באוניברסיטת ברקלי, במכון הביו-אנרגיה המשותף ובמרכז נובו נורדיסק לקיימות ביולוגית חקרו פטרייה רב-תאית הנקראת Aspergillus oryzae, המכונה גם עובש קוג'י, ששימש במזרח אסיה כדי להתסס עמילנים לסאקה, רוטב סויה ומיסו במשך מאות שנים. ראשית, הצוות השתמש ב-CRISPR-Cas9 כדי לפתח מערכת עריכת גנים שיכולה לבצע שינויים עקביים וניתנים לשחזור בגנום עובש הקוג'י. לאחר שהם הקימו ערכת כלים של עריכות, הם יישמו את המערכת שלהם כדי לבצע שינויים שמעלים את העובש כמקור מזון.

ראשית, היל-מיין התמקדה בהגברת ייצור ה-heme של העובש – מולקולה המבוססת על ברזל שנמצאת בצורות חיים רבות אך מצויה בשפע ברקמות החיות, ומעניקה לבשר את צבעו וטעמו הייחודי. (המה שמקורה בצמחים סינתטית היא גם מה שנותן ל-Impossible Burger את תכונותיו לטיפת בשר.) לאחר מכן, הצוות הגביר את הייצור של ארגותיונאין, נוגד חמצון המצוי רק בפטריות שקשור ליתרונות בריאותיים של הלב וכלי הדם.

לאחר השינויים הללו, הפטריות שהיו פעם לבנות אדומות. בהכנה מינימלית – הסרת עודפי מים וטחינה – ניתן לעצב את הפטריות שנקטפו לקציצה, ואז לטגן להמבורגר בעל מראה מפתה.

המטרה הבאה של Hill-Maini היא להפוך את הפטריות למושכות עוד יותר על ידי כוונון הגנים השולטים במרקם העובש. "אנחנו חושבים שיש הרבה מקום לחקור את המרקם על ידי שינוי המורפולוגיה דמוית הסיבים של התאים. אז אולי נוכל לתכנת את המבנה של סיבי המגרש להיות ארוך יותר מה שייתן חוויה דמוית בשר יותר. ואז נוכל לחשוב על הגברת הרכב השומנים לתחושת הפה ותזונה נוספת", אמר היל-מיין, שהיה עמית במכון מילר למחקר בסיסי במדע באוניברסיטת ברקלי במהלך המחקר. "אני ממש נרגש איך נוכל להסתכל עוד יותר על הפטרייה, ואתה יודע, להתעסק במבנה ובחילוף החומרים שלה למזון."

למרות שעבודה זו היא רק ההתחלה של המסע לנצל גנום פטרייתי כדי ליצור מזונות חדשים, היא מציגה את הפוטנציאל העצום של האורגניזמים הללו לשמש כמקורות חלבון קלים לגידול שנמנעים מרשימות הרכיבים המורכבות של תחליפי הבשר הנוכחיים חסמי עלויות וקשיים טכניים שמפריעים להשקת בשר מתורבת. בנוסף, ערכת הכלים לעריכת הגנים של הצוות מהווה קפיצת מדרגה עצומה עבור תחום הביולוגיה הסינתטית בכללותו.

נכון לעכשיו, מגוון גדול של מוצרים ביולוגיים מיוצרים על ידי חיידקים ושמרים מהונדסים, בני הדודים החד-תאיים של פטריות ועובש. עם זאת, למרות ההיסטוריה הארוכה של האנושות של ביות פטריות כדי לאכול ישירות או לייצור מצרך כמו מיסו, פטריות רב-תאיות עדיין לא נרתמו כמפעלי תאים מהונדסים באותה מידה מכיוון שהגנום שלהם מורכב הרבה יותר, ויש להם התאמות שהופכות את עריכת הגנים לאתגר. . ערכת הכלים CRISPR-Cas9 שפותחה במאמר זה מניחה את הבסיס לעריכה קלה של עובש קוג'י וקרוביו הרבים.

"אורגניזמים אלה שימשו במשך מאות שנים לייצור מזון, והם יעילים להפליא בהמרת פחמן למגוון רחב של מולקולות מורכבות, כולל רבות שכמעט בלתי אפשרי לייצרן באמצעות מארח קלאסי כמו שמרי בירה או אי – קולי," אמר ג'יי קיסלינג, שהוא מדען בכיר במעבדת ברקלי ופרופסור באוניברסיטת ברקלי. "על ידי פתיחת עובש קוג'י באמצעות פיתוח הכלים הללו, אנו פותחים את הפוטנציאל של קבוצה חדשה ענקית של מארחים שאנו יכולים להשתמש בהם לייצור מזונות, כימיקלים יקרי ערך, דלק ביולוגי עתיר אנרגיה ותרופות. זה שדרה חדשה ומרגשת לייצור ביולוגי."

מגשר בין המעבדה והמטבח

בהתחשב ברקע הקולינרי שלו, Hill-Maini מעוניין להבטיח שהדור הבא של מוצרים מבוססי פטריות לא רק טעים, אלא באמת נחשק ללקוחות, כולל בעלי טעם מתוחכם. במחקר נפרד, הוא וקיזלינג שיתפו פעולה עם שפים ב-Alchemist, מסעדה בעלת שני כוכבי מישלן בקופנהגן, כדי לשחק עם הפוטנציאל הקולינרי של פטריה רב-תאית אחרת, Neurospora intermedia. פטרייה זו משמשת באופן מסורתי באינדונזיה לייצור מזון בסיסי הנקרא אונקום על ידי התססה של מוצרי הפסולת שנותרו מייצור מזונות אחרים, כגון טופו. מסקרנות מיכולתה להמיר שאריות למזון עשיר בחלבון, המדענים והשפים חקרו את הפטרייה במטבח הניסויים של אלכימאי.

הם גילו N. intermedia מייצר ומפריש אנזימים רבים תוך כדי גדילתו. כאשר הם גדלים על אורז עמילני, הפטריות מייצרות אנזים שמנוזל את האורז והופך אותו למתוק עז. "פיתחנו תהליך עם שלושה מרכיבים בלבד – אורז, מים ופטריות – להכנת דייסה יפהפייה, בולטת בצבע כתום", אמרה היל-מיין. "זו הפכה למנה חדשה בתפריט הטעימות שמשתמשת בכימיה וצבע פטרייתיים בקינוח. ואני חושב שמה שזה באמת מראה זה שיש הזדמנות לגשר בין המעבדה והמטבח”.

עבודתו של היל-מיין על מחקר עריכת הגנים המתואר במאמר זה נתמכת על ידי מכון מילר באוניברסיטת ברקלי. המעבדה של קיסלינג נתמכת על ידי קרן נובו נורדיסק. שניהם קיבלו תמיכה נוספת ממשרד המדע של משרד האנרגיה (DOE). מכון הביו-אנרגיה המשותף הוא מרכז מחקר ביו-אנרגיה של DOE המנוהל על ידי מעבדת ברקלי.