An der UC Berkeley werden nachhaltige Proteinquellen erforscht, die zu einer intelligenteren Lebensmittelindustrie beitragen sollen.
Die Fortschritte in der Gentechnik ermöglichen es den Forschern an der UC Berkeley zufolge, Mikroorganismen zu nutzen, um tierleidfreie Produkte herzustellen, die für die Verbraucher gesünder und gut für die Umwelt sind.
Eine der vielversprechendsten Quellen für innovative Lebensmittel sind Pilze – ein vielfältiges Reich von Organismen, die von Natur aus eine große Bandbreite an nahrhaften Proteinen, Fetten, Antioxidantien und Aromamolekülen produzieren.
Der Chefkoch und Bioingenieur Vayu Hill-Maini, Mitarbeiter im Bereich Biowissenschaften am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), erforscht die vielen Möglichkeiten für neue Geschmacksrichtungen und Texturen, die sich durch die Veränderung der bereits in Pilzen vorhandenen Gene erzielen lassen.
„Ich denke, es ist ein grundlegender Aspekt der synthetischen Biologie, dass wir von Organismen profitieren, die sich so entwickelt haben, dass sie bestimmte Dinge wirklich gut können“, sagt Hill-Maini, der als Postdoktorand an der UC Berkeley im Labor des Biotechnikexperten Jay Keasling arbeitet. „Wir wollen herausfinden, was der Pilz herstellt, und versuchen, es zu entschlüsseln und zu verbessern. Und ich denke, das ist ein wichtiger Aspekt, denn wir müssen keine Gene von wildfremden Arten einführen. Wir untersuchen, wie wir die Dinge zusammenfügen und das, was bereits vorhanden ist, freisetzen können.“
Gen-Editing-System
In ihrer jüngsten Arbeit, die am 14. März in Nature Communications veröffentlicht wurde, untersuchten Hill-Maini und Kollegen von der UC Berkeley, dem Joint BioEnergy Institute und dem Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability einen mehrzelligen Pilz namens Aspergillus oryzae, auch bekannt als Koji-Schimmel, der in Ostasien seit Jahrhunderten zur Fermentierung von Stärke zu Sake, Sojasauce und Miso verwendet wird.
Zunächst entwickelte das Team mit CRISPR-Cas9 ein Gen-Editing-System, das konsistente und reproduzierbare Änderungen am Genom des Koji-Schimmels vornehmen kann. Nachdem sie ein Toolkit mit Editierungen erstellt hatten, wendeten sie ihr System an, um Änderungen vorzunehmen, die den Schimmelpilz als Nahrungsquelle aufwerten.
Zunächst konzentrierte sich Hill-Maini darauf, die Produktion von Häm zu steigern – ein Molekül auf Eisenbasis, das in vielen Lebensformen vorkommt, aber am häufigsten in tierischem Gewebe zu finden ist und Fleisch seine Farbe und seinen unverwechselbaren Geschmack verleiht.
Als Nächstes steigerte das Team die Produktion von Ergothionein, einem Antioxidans, das nur in Pilzen vorkommt und mit positiven Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System in Verbindung gebracht wird.
Nach diesen Veränderungen wurden die einst weißen Pilze rot. Mit minimaler Vorbereitung – Entfernen von überschüssigem Wasser und Zerkleinern – konnten die geernteten Pilze zu einer Frikadelle geformt und dann zu einem verlockend aussehenden Burger gebraten werden.
Einfach zu züchtende Proteinquellen
Hill-Mainis nächstes Ziel ist es, die Pilze noch attraktiver zu machen, indem sie die Gene, die die Textur des Schimmels steuern, anpassen.
„Wir glauben, dass es viel Spielraum für die Erforschung der Textur gibt, indem wir die faserartige Morphologie der Zellen variieren. So könnten wir die Struktur der Zellfasern so programmieren, dass sie länger sind, was ein fleischähnlicheres Erlebnis vermitteln würde. Und dann können wir darüber nachdenken, die Lipidzusammensetzung zu erhöhen, um das Mundgefühl und die Ernährungseigenschaften zu verbessern“, so Hill-Maini, der während der Studie Stipendiat des Miller Institute for Basic Research in Science an der UC Berkeley war. „Ich bin wirklich gespannt darauf, wie wir den Pilz weiter untersuchen und an seiner Struktur und seinem Stoffwechsel für die Ernährung herumschrauben können.“
Obwohl diese Arbeit erst der Anfang der Reise ist, Pilzgenome anzuzapfen, um neue Lebensmittel zu schaffen, zeigt sie das enorme Potenzial dieser Organismen, als einfach zu züchtende Proteinquellen zu dienen, die die komplexen Zutatenlisten aktueller Fleischersatzprodukte sowie die Kostenbarrieren und technischen Schwierigkeiten vermeiden, die die Einführung von kultiviertem Fleisch behindern.
Herausforderungen der DNA-Bearbeitung
Derzeit wird eine Vielzahl von biologisch hergestellten Produkten mit Hilfe von gentechnisch veränderten Bakterien und Hefen, den einzelligen Verwandten von Pilzen und Schimmelpilzen, hergestellt. Doch obwohl die Menschheit schon seit langem Pilze domestiziert, um sie direkt zu verzehren oder Grundnahrungsmittel wie Miso herzustellen, wurden mehrzellige Pilze noch nicht in gleichem Maße als künstliche Zellfabriken genutzt, da ihre Genome weitaus komplexer sind und Anpassungen aufweisen, die die Genbearbeitung zu einer Herausforderung machen. Das in dieser Arbeit entwickelte CRISPR-Cas9-Toolkit bildet die Grundlage für die einfache Bearbeitung des Koji-Schimmels und seiner zahlreichen Verwandten.
„Diese Organismen werden seit Jahrhunderten zur Herstellung von Lebensmitteln verwendet und 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 zu produzieren wären“, so Jay Keasling, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab und Professor an der UC Berkeley. „Indem wir den Koji-Schimmel durch die Entwicklung dieser Werkzeuge entschlüsseln, erschließen wir das Potenzial einer riesigen neuen Gruppe von Wirten, die wir zur Herstellung von Lebensmitteln, wertvollen Chemikalien, energiereichen Biokraftstoffen und Medikamenten nutzen können. Das ist ein aufregender neuer Weg für die Bioproduktion“.
Nächste Generation von Produkten auf Pilzbasis
Aufgrund seines kulinarischen Hintergrunds möchte Hill-Maini sicherstellen, dass die nächste Generation von Produkten auf Pilzbasis nicht nur schmackhaft ist, sondern von den Kunden auch geschätzt wird, auch von denen mit einem anspruchsvollen Geschmack.
In einer separaten Studie arbeiteten er und Keasling mit den Köchen des Alchemist, einem Zwei-Michelin-Sterne-Restaurant in Kopenhagen, zusammen, um das kulinarische Potenzial eines anderen mehrzelligen Pilzes, Neurospora intermedia, zu erforschen.
Dieser Pilz wird in Indonesien traditionell zur Herstellung eines Grundnahrungsmittels namens Oncom verwendet, indem die Abfallprodukte, die bei der Herstellung anderer Lebensmittel wie Tofu anfallen, fermentiert werden. Fasziniert von seiner Fähigkeit, Reste in ein proteinreiches Lebensmittel zu verwandeln, untersuchten die Wissenschaftler und Köche den Pilz in der Alchemist-Testküche. Sie fanden heraus, dass N. intermedia während seines Wachstums zahlreiche Enzyme produziert und ausscheidet.
Wenn er auf stärkehaltigem Reis wächst, produziert der Pilz ein Enzym, das den Reis verflüssigt und ihn intensiv süß macht. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, bei dem mit nur drei Zutaten – Reis, Wasser und Pilz – ein wunderschöner, auffallend orangefarbener Brei entsteht“, so Hill-Maini. „Daraus wurde ein neues Gericht auf dem Degustationsmenü, das die Chemie der Pilze und die Farbe in einem Dessert nutzt. Und ich denke, das zeigt, dass es möglich ist, eine Brücke zwischen Labor und Küche zu schlagen.“
Mehr Informationen: lbl.gov
