Клеточное сельское хозяйство
Клеточное сельское хозяйство — это инновационный подход к производству сельскохозяйственных продуктов, основанный на использовании культур клеток. Этот метод объединяет достижения биотехнологий, тканевой инженерии, молекулярной биологии и синтетической биологии для разработки новых способов получения белков, жиров и тканей, которые ранее были доступны только в традиционном сельском хозяйстве[1].
Ключевым направлением клеточного сельского хозяйства является производство продуктов животного происхождения, таких как мясо, молоко и яйца, без необходимости выращивания и убоя сельскохозяйственных животных. Это позволяет избежать серьёзных глобальных проблем, связанных с пагубным воздействием на окружающую среду, продовольственной безопасностью и здоровьем человека, которые возникают при традиционном производстве мяса[2].
Клеточное сельское хозяйство представляет собой один из аспектов биоэкономики, направленной на минимизацию негативного влияния на окружающую среду и обеспечение благополучия животных. Наиболее известной концепцией клеточного сельского хозяйства является культивированное мясо, которое обещает стать альтернативным источником белка для потребителей[3][4][5][6].
Основные принципы
Для создания искусственных тканей животных используется культура клеток, полученная из организмов животных. Эти культуры выращиваются в специальных средах, которые часто содержат фетальную бычью сыворотку в качестве основного компонента[7].
Этот продукт содержит все необходимые вещества, которые стимулируют рост клеточных культур: аминокислоты, белки, витамины, гормоны, углеводы, липиды, макроэлементы, неорганические соли и факторы роста.
Однако использование сыворотки связано с некоторыми проблемами. Из-за того, что её точный состав неизвестен, возникают различные схемы мошенничества. Кроме того, состав сыворотки может меняться от партии к партии, что приводит к проблемам с качеством и воспроизводимостью результатов[7].
Поэтому компании, занимающиеся клеточным земледелием, инвестируют в разработку новых органических веществ, которые могли бы заменить бычью сыворотку. Однако существующие альтернативы пока не могут полностью её заменить из-за своих существенных недостатков[8].
История
Клеточное сельское хозяйство — это относительно новая область науки, однако первые коммерческие продукты, полученные с помощью клеточных технологий, появились в конце XX века. Речь идёт об инсулине и реннина (сычужного фермента)[9].
В марте 1990 года Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США дало разрешение на использование бактерии, которая была генетически модифицирована для производства сычужного фермента. Это был первый генетически модифицированный продукт, который применялся в пищевой промышленности.
Реннин — это смесь ферментов, которые помогают превратить молоко в творог и сыворотку при изготовлении сыра. Раньше сычужный фермент получали из внутренней оболочки четвёртого желудка телят[10].
Сегодня в сыроделии используют сычужные ферменты, полученные с помощью генно-инженерных бактерий, грибков или дрожжей. Они не содержат примесей, более стабильны и доступны по цене, чем сычужные ферменты животного происхождения[11].
В 2004 году Джейсон Мэтини создал компанию New Harvest, цель которой — способствовать развитию клеточного сельского хозяйства и стимулировать научные открытия в этой области[12]. New Harvest — это единственная организация, которая занимается исключительно развитием клеточного сельского хозяйства. Благодаря её усилиям в Университете Тафтса была профинансирована первая докторская диссертация по клеточному сельскому хозяйству[13].
К 2014 году в Сан-Франциско начал свою работу акселератор синтетической биологии IndieBio, который дал толчок развитию нескольких стартапов в сфере клеточного сельского хозяйства.
В 2015 году организация «Милосердие к животным» (англ. Mercy for Animals) основала Институт рационального питания, который занимается продвижением идей вегетарианства и клеточного сельского хозяйства[14].
В том же году Иша Датар впервые использовала термин «клеточное сельское хозяйство» в группе New Harvest в социальной сети Facebook[15][16].
13 июля 2016 года в Сан-Франциско, штат Калифорния, компания New Harvest организовала первую в мире международную конференцию, посвящённую клеточному сельскому хозяйству[12]. На следующий день после конференции компания провела закрытое мероприятие для специалистов из разных областей, включая представителей промышленности, научных кругов и государственных структур, которые интересуются клеточным сельским хозяйством[17].
Эта сфера биотехнологии представляет собой перспективное направление, которое привлекает всё больше внимания со стороны различных государств. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации, растущий объём инвестиций и проведение конференций и семинаров по вопросам безопасности, методов и направлений в клеточном земледелии в разных странах мира. США, Сингапур и Нидерланды являются лидерами в развитии и внедрении клеточного земледелия в пищевую промышленность. Важно подчеркнуть значение международного сотрудничества и значительный вклад учёных из разных стран в разработку новых методов и улучшение существующих в области культивирования мяса in vitro[18].
В сентябре 2019 года Очаковский комбинат пищевых ингредиентов сообщил о разработке первого в России аналога мясного фарша. На создание 40 граммов фарша ушло два года и 900 тысяч рублей. В качестве сырья был использован небольшой фрагмент мышечной ткани телёнка, родившегося недавно[19].
Благодаря биотехнологическим методам можно производить не только мясо, но и молочные продукты, желатин, яйца, кофе, корм для рыб, а также некоторые растительные волокна (например, шёлк). Также ведутся работы по синтезу ароматизаторов.
Выращивание мяса осуществляется с помощью методов тканевой инженерии, основанной на регенеративной медицине. В этой области клеточного земледелия достигнуты значительные успехи.
Сингапур стал первой страной в мире, которая одобрила использование продуктов клеточного земледелия в пищевой промышленности. Для этого был разработан специальный документ, который включает критерии оценки безопасности пищевых продуктов и руководство для разработчиков и компаний, занимающихся клеточным земледелием. В этом руководстве подробно описаны требования безопасности и способы минимизации рисков[7].
Методы исследований
В основе исследований, связанных с клеточным сельским хозяйством, лежат несколько основных методов[20]. Среди них:
Линии клеток
Ключевым препятствием в развитии культивированного мяса является доступность подходящих клеточных материалов. Некоторые методы и подходы, используемые в культивировании клеток человека и мыши, могут быть адаптированы для сельскохозяйственных клеточных материалов, однако большинство из них не подходят. Это подтверждается тем, что общепринятые методы создания эмбриональных стволовых клеток человека и мыши не позволили получить линии эмбриональных стволовых клеток копытных животных[21][22][23].
Требования к клеточным линиям, которые будут использоваться для создания культивированного мяса, довольно строгие. Они должны быть способны к бесконечному делению, быстро размножаться и уметь формировать ткани. Вероятно, для каждого вида животных требуются свои типы клеток[24][25].
Рост
В процессе выращивания тканей животных в культуре обычно применяют фетальную бычью сыворотку. Это вещество получают из крови плода телёнка. Фетальная бычья сыворотка обеспечивает клетки необходимыми питательными веществами и факторами роста. Однако её производство требует больших затрат ресурсов и может привести к колебаниям показателей качества между партиями. Производители мясных культур активно ищут альтернативные среды для выращивания тканей. Это позволяет снизить затраты и обеспечить более стабильное качество продукта[26].
После создания клеточных линий важно исключить использование сыворотки из питательных сред для культивирования клеток. Это необходимо для развития клеточного сельского хозяйства, поскольку фетальная бычья сыворотка часто подвергается критике в связи с производством культивированного мяса. Для каждого типа клеток могут потребоваться два разных состава среды: один для роста и размножения клеток, а другой — для их созревания и дифференциации[27].
Технологии масштабирования
С ростом масштабов биотехнологических процессов стоимость экспериментов возрастает, так как необходимо разрабатывать биореакторы всё большего объёма. При увеличении размера биореактора требуется перенастройка различных параметров,
Клеточный каркас
Чтобы клетки могли формировать ткани, нужно добавить в них материал, который будет поддерживать структуру. Для создания тканей размером более 100 микрометров в поперечнике необходимы специальные каркасы. Они должны быть нетоксичными для клеток, легко усваиваться и обеспечивать поступление питательных веществ и кислорода.
3D-тканевые системы
Завершающая стадия разработки культивированного мяса предполагает интеграцию результатов всех предыдущих исследований с целью получения крупных фрагментов ткани (>100 микрометров в диаметре), которые могут быть созданы из клеток, производимых в больших объёмах, без использования сыворотки. При этом клеточный каркас, поддерживающий клетки, должен быть пригоден как для клеток, так и для людей.
Применение
Обычно в центре внимания находятся продукты питания, например искусственное мясо, однако клеточное сельское хозяйство может применяться для производства любых сельскохозяйственных товаров, включая те, в создании которых животные не участвовали изначально. Например, это могут быть ароматические вещества.
Мясо
Мясо, выращенное в лабораторных условиях (также искусственное мясо, культивируемое мясо или мясо из пробирки), представляет собой продукт, полученный путём выращивания клеток животных в искусственных условиях[28]. Это один из видов клеточного сельского хозяйства, и методы его производства исследуются в связи с растущим спросом на белковую пищу[29].
Культивированное мясо — это продукт, который создаётся с использованием технологий тканевой инженерии, которые уже давно применяются в регенеративной медицине[30]. Концепция культивированного мяса стала известна широкой аудитории в начале 2000-х годов благодаря Джейсону Мэтини[31]. Он выступил соавтором статьи о производстве этого продукта и основал New Harvest — первую в мире некоммерческую организацию, занимающуюся исследованиями мяса в пробирке[32].
Искусственно выращенное мясо может решить важные проблемы, связанные с влиянием производства мяса на экологию, доступностью продуктов питания и здоровьем людей[5][33][34][35]. В частности, его можно рассматривать как инструмент для смягчения последствий изменения климата[29].
В 2013 году профессор Марк Пост из Маастрихтского университета представил первую выращенную котлету для гамбургера, тем самым доказав возможность создания мяса в лабораторных условиях. С тех пор концепция культивированного мяса продолжает привлекать внимание общественности[36].
В декабре 2020 года в сингапурском ресторане «1880» состоялась первая в мире коммерческая продажа мяса, выращенного из клеток[37].
В то время как большинство предприятий в этой сфере ориентируются на традиционные виды мяса, такие как свинина, говядина и курятина, которые составляют основу рациона в развитых странах[38], некоторые инновационные компании делают ставку на эксклюзивные и экзотические виды мяса, включая мясо лося, бизонабаранину и японскую говядину вагю[39].
Компания Avant Meats представила на рынке искусственно выращенную рыбу групер[40], а другие компании начали заниматься разведением других видов рыб и морепродуктов[41]. Процесс производства постоянно совершенствуется. В нём задействованы многие компании и научные учреждения[42].
В 2020 году Сингапур стал первой страной в мире, где правительство одобрило производство культивированного мяса. Для выращивания куриного мяса использовался биореактор, в котором содержались аминокислоты, сахар и соль. Например, куриные наггетсы на 70 % состоят из выращенного в лаборатории мяса, а остальные 30 % — из белков бобов маш и других компонентов. Производитель заявил о стремлении достичь цены, сопоставимой с премиальными порциями курицы, которые подают в ресторанах[43][44].
Молочные продукты
- Perfect Day — это стартап из Сан-Франциско, который был создан в 2014 году при поддержке IndieBio. Компания занимается производством молочных продуктов из дрожжей, а не из молока коров.[47][48]
- New Culture — это инновационный проект из Сан-Франциско, который также был создан в 2019 году при поддержке IndieBio[49]. Компания производит сыр моцарелла, используя казеиновый белок, который получают не от коров, а от микроорганизмов[50][51][52].
- Real Vegan Cheese — это некоммерческая организация, которая занимается научными исследованиями в области производства сыра[53]. Она была основана в 2014 году в рамках Международного конкурса генно-инженерных машин iGEM. Компания Real Vegan Cheese использует казеиновый белок, который получают из молока с помощью микроорганизмов[54][55][56][57].
- Formo — это стартап, расположенный в Германии, который занимается производством молочных продуктов, используя метод точной прецизионной ферментации — это технология, которая позволяет программировать микроорганизмы для производства продуктов животного происхождения, наиболее известным из которых в настоящее время является молоко[58].
- Imagindairy — это стартап из Израиля, который занимается разработкой технологии производства молочных белков из биоинженерных дрожжей[59][60]. В 2024 году компания получила разрешение на использование своей продукции от Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств и Министерства здравоохранения Израиля[61].
- Remilk — это израильский стартап, который занимается разработкой технологии получения молочных белков из биоинженерных дрожжей. В 2022 году компания получила разрешение от Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств на использование своей продукции[62].
- Wilk — это израильский стартап, который занимается разработкой технологии производства ингредиентов, идентичных компонентам материнского молока, с использованием клеток, полученных в ходе операций по уменьшению груди. Эти ингредиенты затем добавляются в детские смеси[63].
- Фирма NewMoo, базирующаяся в Израиле, стремится разработать технологию получения казеинового белка из семян генетически модифицированных растений[64].
- Испанский стартап Real Deal Milk работает над разработкой технологии получения молочных белков из микроорганизмов, выращенных с помощью биоинженерии.[65]
- Компания Opalia, которая находится в Канаде, представляет собой инновационный проект, направленный на создание молока из клеток молочных желёз коров[66].
- Компания De Novo Dairy, базирующаяся в Южно-Африканской Республике, представляет собой инновационный проект, цель которого — создание ингредиентов для детских молочных смесей на основе клеток, полученных в результате операций по уменьшению груди[67].
- Предприятие Cultivated Biosciences, базирующееся в Швейцарии, специализируется на создании жиров из дрожжей без использования генетически модифицированных организмов. Это позволяет сделать растительное молоко более густым и насыщенным[68].
Кофе
В 2021 году в средствах массовой информации появилась информация о том, что две компании, занимающиеся биотехнологиями, разработали первые в мире искусственные кофейные продукты. Эти продукты не получили одобрение регулирующих органов для запуска в массовое производство[69][70][71][72].
Такие продукты, которые могут быть созданы с помощью клеточного сельского хозяйства в биореакторах, привлекли значительное финансирование от многих компаний[71]. Они могут быть похожи на натуральные продукты по вкусу и составу, но при этом требуют меньше воды, производят меньше выбросов углерода и не приводят к вырубке лесов[69].
Клеточно-культивированный кофе — это инновационный подход к решению проблем, с которыми сталкивается традиционный кофе[70]. Хотя это 100 % кофе, он выращивается в лаборатории из клеток кофе, а затем сушится и обжаривается[72].
Рыба
В сфере сельского хозяйства существует возможность применения клеточных технологий для производства корма для рыб, используемых в промысле.
Компания Finless Foods специализируется на разработке и массовом производстве продуктов питания для морских обитателей[73].
Wild Type — это стартап из Сан-Франциско, который занимается созданием культивированного мяса. Цель проекта — решение таких глобальных проблем, как изменение климата, обеспечение продовольственной безопасности и улучшение здоровья людей[74].
Примечания
Литература
- Cвердлов Е. Д. Не только стволовые клетки… // Ремедиум. Журнал о российском рынке лекарств и медицинской технике. — 2005. — № 9.
- Т. Калнин. Клеточное земледелие: перспективные методы решения проблемы продовольственной безопасности // Евразийский центр по продовольственной безопасности. — 2022.
Ссылки
- Clean meat, consumer attitudes and the transition to a cellular agriculture food economy (англ.)
- A Closer Look at Cellular Agriculture and the Processes Defining It (англ.)
- As lab-grown meat advances, U.S. lawmakers call for regulation (англ.)
- Cellular agriculture: a way to feed tomorrow’s smart city? (англ.)Архивировано 28 мая 2019 года. (англ.)
- Cellular Agriculture, Intentional Imperfection And 'Post Truth': The Transformative Food Trends Of 2017 (англ.)
- The 4 Key Biotechnologies Needed to Get Cellular Agriculture to Commercialization (англ.)
- Cellular agriculture: Growing meat in a lab setting (англ.)
- How Might Cellular Agriculture Impact the Livestock, Dairy, and Poultry Industries? (англ.)
- Overview of relevant bibliography (англ.)
- New Harvest (англ.)
- Cellular Agriculture Society (англ.)