Биотехнологии — другой альтернативы нет
Население Земли, которое сегодня составляет 8 млрд человек, к 2050 году увеличится еще на пару миллиардов. При этом, по прогнозам ООН, к 2050 году потребности в еде вырастут на 50%. Около 2 млрд человек к тому времени переедут в города, а горожане, в отличие от жителей села, едят больше — в среднем 3,5 тыс. ккал в сутки, половина из которых — «пустые». Человек создан эволюцией так, чтобы много двигаться, то есть сжигать по 4500 ккал ежедневно, но в городе сжигается в среднем 2–2,5 тыс. ккал. При этом большинство людей сегодня, потребляя излишки калорий, недополучают критически важные микронутриенты. Во всем мире проблема такого «скрытого голода» выходит на первый план. Не менее актуальна проблема и голода реального. Сегодня в мире 800 млн человек голодают, а еще 2 млрд недоедают.
Еды для всех на планете уже не хватает, для ее производства недостаточно плодородных почв, пресной воды. Мы пожинаем последствия аграрной революции — для повышения урожая и поголовья во всем мире многие годы активно использовали удобрения, механизацию, пестициды, ирригацию, антибиотики. Это вылилось в загрязнение окружающей среды, снижение биоразнообразия, истощение земель (30% почв деградировали) и лесов, дефицит воды и пр.
Директор ФБГНУ «ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН» академик РАН Алексей Кочетов рассказывает, что сегодня почти в половине орошаемых сельхозземель превышен уровень соли, а к 2040 году, по прогнозам, будет выведено из оборотов 30% посевных площадей, поэтому без создания новых сортов растений просто не обойтись. Пришло время для новой зеленой революции, считают ученые. Человечеству как никогда нужна здоровая инновационная еда — безопасная для планеты и доступная для всех.
Во всем мире активно занимаются поисками новых способов производства продовольствия. И ставку делают на биотехнологии, позволяющие исключить применение химикатов или свести их к минимуму. В пищевой промышленности микробный синтез используется тысячелетиями: первым биотехнологическим продуктом стали дрожжи: с их помощью делали хлеб, вино и кисломолочные продукты. Но современная наука позволяет делать функциональные биоинженерные продукты, синтезировать жиры и мясо из растений. И поле для деятельности у ученых непаханое. В мире описано более 300 тысяч растений, и только 23 тысячи из них используется для еды; 1,5 тысячи введены в культуру, и лишь 100 возделываются. Пшеница, кукуруза, соя и рис — 4 культуры, которые обеспечивают биобезопасность всего мира.
Основные тренды еды будущего — персонализированное питание, активное использование микроорганизмов и повсеместное использование биотехнологий. «Человечество себя накормило сначала одомашниванием злаков, потом одомашниванием животных, а сегодня наступило время одомашнивания микроорганизмов», — считает эксперт рынка Сергей Иванов.
«Несмотря на конфликты в мире, мы должны объединяться ради будущего. Мы живем в условиях стремительно возрастающей популяции и ограниченных ресурсов, поэтому вместе должны искать новые решения. Мы должны работать в партнерстве и находить совместные решения мировых проблем, при этом действовать нужно быстрее. Наши дети будут жить в дефиците ресурсов, но мы можем изменить будущее вместе, поскольку несем коллективную ответственность за нашу планету. Пищевая безопасность — одна из важнейших целей. Продукты должны становиться более экологичными. Органическая пища мне очень близка, и она должна быть не только в университетах, необходимо сделать ее доступной. Нужно создавать рынки органик-продуктов, мы должны наращивать цифровизацию сельского хозяйства, создавать программы защиты продуктов, поддерживать реалистичные, но амбициозные планы по пищевым инновациям, бороться с изменениями климата и искать новые источники ресурсов», — заявил бывший канцлер Германии Герхард Шредер.
Жир из микробов, белок из углекислого газа
Как рассказывает кандидат физико-математических наук Ростислав Ковалевский, метаболизм человека невероятно консервативен, это результат эволюции тысячелетий: «Ему нужны белки, жиры и углеводы. Вместо жиров невозможно начать употреблять нефть. Но биотехнологии позволяют получать их новыми способами. Биотехнологические продукты становятся доступными по цене, у них есть все шансы изменить нашу культуру питания».
Современные ученые во всех странах мира активно работают над созданием клеточного мяса, синтетических жиров, белков. В чем суть биотехнологического процесса? Микроорганизмы (например, дрожжи) выращиваются в специальных реакторах (емкостях с питательной средой и подходящими температурными условиями) и — в процессе жизнедеятельности — вырабатывают нужные нам продукты.
Мировой рынок растительных масел составляет 200 млн тонн. Но жиры можно получать из дрожжей или водорослей. Исследователи из Северной Америки недавно предложили стартап: жиры из дрожжевых культур. Из них можно делать эквиваленты какао-масла, подсолнечного масла, заменитель молочного жира, не выращивая целые плантации пальм, подсолнечника или какао-бобов.
Уже появились первые продукты на рынке. В Австралии в розничных сетях продается микробное масло. В России ведутся разработки технологий производства жиров из микроорганизмов, в том числе кондитерских жиров, идет работа над производством шоколадной продукции не на основе масла какао, а на основе микробных жиров.
Еще одна альтернатива — низкокалорийные жиры. «Это особым методом модифицированные растительные жиры, которые не усваиваются организмом человека, значит, калорий в них ноль. Реально сделать шоколад без калорий. Это тоже возможное будущее нашего питания», — говорит Ростислав Ковалевский.
Пока основной источник белков для организма человека — животноводство, аквакультура, некоторые растения (соя). Однако сегодня на долю производства мяса приходится 14,5% парниковых газов, а 75% человеческих патогенов имеют зоонозное (от животных) происхождение. Не говоря уже о 73 млрд животных, которых ежегодно съедают люди. Но сегодня можно производить мясо, молоко или яйца альтернативными путями, рассказывает руководитель отдела инноваций консалтинговой компании GFIC Виола Чен.
Интерес к альтернативным источникам белка сегодня растет во всем мире. Например, в США в его разработки в 2021 году инвестировали 5 млрд долларов.
Известны уже 8 видов источников для получения синтетических белков (включая растения, клетки и ферменты). «Клеточное мясо получают путем культивирования клеток животных в биореакторах, где они размножаются и созревают до состояния «мяса». Из клеток морепродуктов таким же образом делают клеточные морепродукты. При этом воздействие на окружающую среду при их производстве значительно снижается. Употребление клеточного мяса несет дополнительную пользу для здоровья в виде снижения количества болезней микробного происхождения, снижения угрозы резистентности к антибиотикам», — поясняет Виола Чен.
Если в 2011 году выращиванием клеточного мяса занималась 1 компания в мире, сегодня их уже 156 (больше всего в США, Израиле, Сингапуре, Великобритании). Первые опытные образцы появились в 1993 году, первый бургер из культивированных клеток в мире был создан в 2013 году, а первый продукт был продан лишь в 2020-м (в Сингапуре). В 2022 году клеточное мясо одобрено для использования в пищу FDA в США. Ожидается, что к 2030 году производство клеточного мяса сравняется по стоимости с производством обычного. Объем мирового рынка клеточного мяса к тому времени достигнет 25 млрд долларов или 2,1 килотонны. А в ЕС предполагают, что к 2040 году 5% фермеров перейдут на производство клеточного мяса. Например, одна из немецких компаний, которая занималась производством мяса еще с XVIII века, сегодня переориентировалась на клеточный продукт. В Японии тем временем уже разработан заменитель яиц на растительной основе.
Кроме того, придуманы альтернативные источники белка из водорослей, грибов, микроорганизмов, насекомых, клеточных культур. «Есть проект получения молочного белка из микроорганизмов. Молочный жир заменить растительным несложно, а вот замена молочного белка — вызов. За полезность молока и его вкус отвечает казеин. Поэтому вкус веганского сыра так отличается от молочного. Но сегодня обсуждается получение абсолютного эквивалента молочного белка с помощью биотехнологий на основе микроорганизмов. Это открывает путь получения продуктов без животноводства, которые будут неотличимы по вкусу и по всем своим свойствам от обычного животного молока», — говорит Ковалевский.
Для производства белка путем биотехнологий нужны только углекислый газ и солнечная энергия, больше ничего. Не нужны ни территории, ни какие-то особые климатические условия, ни особые почвы: подойдут хоть полярная станция, хоть космос. Эти технологии уже находятся в процессе промышленного масштабирования.
Есть и проект получения белка из водорослей. Море — нескончаемый источник микроэлементов. Наша планета лишь на 30% покрыта сушей, остальные 70% — вода. Существенная часть этих вод находится в предэкваториальном поясе, который невероятно благоприятен для роста водорослей. В мире развивается направление использования этих ресурсов как плантаций для выращивания водорослей, источников белка и жиров. Это тоже может в значительной части изменить наше представление о еде в будущем.
Белки из растений, практически неотличимые по своим свойствам, как вкусовым, так и полезности для организма, от животных белков на рынке уже есть, в том числе в России.
Слаще сладкого, полезнее полезного
Вопрос дефицита углеводов в нашем питании практически не стоит. Стоит вопрос злоупотребления сахаром, что ведет к таким болезням цивилизации, как ожирение, сахарный диабет, кариес и пр. Сахар появился в нашем рационе всего каких-то 200 лет назад, а сегодня занимает до 20% объема продовольствия. Он стал любимым ингредиентом технологов в пищевой промышленности, поскольку является дешевым наполнителем, отличным улучшителем, консервантом, а еще и источником калорий.
Как безопасно заменить эту сладость таким образом, чтобы человек остался счастлив, но нагрузка на организм от избыточного потребления углеводов снизилась? Одно из этих направлений — сладкие белки, разработка которых ведется во всем мире. Геном сладкого белка (браззеин, монелин), который до 10 тысяч раз слаще сахара, содержится в тропических фруктах (их всего 5–7), которые растут в экваториальной зоне и не поддаются массовому выращиванию. Этот суперфуд содержит и огромное количество пищевых волокон. Но биотехнологи уже изучили структуру этого белка, а в некоторых странах (Россия, Германия) научились синтезировать его из тех же дрожжей в биореакторах. Как рассказывает доктор сельскохозяйственных наук, профессор РАН Екатерина Журавлева, использование сладких белков в пищевой промышленности поможет пациентам с сахарным диабетом, а также станет основой здорового питания для населения в целом. Технологию производства сладкого протеина наши Кулибины уже передают другим странам: например, в Арабских Эмиратах построят биотехнологический кластер для производства сладкого белка по российской технологии, чтобы обеспечивать им весь Ближний Восток, где проблема ожирения и сахарного диабета стоит очень остро. Белковый подсластитель не вызывает инсулинового отклика, в несколько тысяч раз слаще сахара и имеет схожий профиль вкуса.
В качестве альтернативы сахара также рассматриваются моносахариды аллюлоза и тагатоза, которые не усваиваются в организме человека. Мы потребляем продукт, чувствуем его сладость, но не получаем калорий.
Немецкий доктор Харри Кониг уверен, что еда будущего должна быть не просто вкусной и безопасной, но еще и выполнять функцию лечения: «Все, что нам надо из питательных веществ и медикаментов, есть в продуктах». Он рассказывает о новой перспективной системе питания GLAD, адаптированной к глюкозе. Продукты подбираются с учетом их гликемического индекса. Основной принцип: есть 2–3 раза в день максимум, никаких перекусов. До 80% рациона должны составлять растения. И еще нужно продолжать двигаться при любой возможности. Доктор Кониг уверен, что нужно стремиться к тому, чтобы избавиться от кристаллического сахара в рационе, чему помогут сладкие белки, разработки которых ведутся и в Германии. «Необходимо изменить путь получения наслаждения от сладостей. Нужно убеждать людей отказываться от белого сахара и продвигать инновационные продукты», — считает эксперт.
Поиски функциональной еды для здорового питания ведутся и в других областях. Например, огромное внимание во всем мире уделяется человеческому микробиому: так зовут сообщество бактерий, которое живет в каждом из нас. Состав микробиоты человека влияет на иммунитет, настроение, умственные способности. Сегодня ведутся исследования пробиотиков, которые будут улучшать метаболизм, в том числе у пожилых: и тогда в 80 лет человек будет чувствовать себя как в 30.
Вообще, ученые не сомневаются в том, что изменение рациона позволяет омолодиться и оздоровиться без медикаментов. «В Южной Корее проводили эксперимент: только с помощью питания удалось уменьшить биологический возраст людей, рожденных в 1960 году, в среднем на 10 лет. Южная Корея сегодня активно работает над развитием направлений персонализированного питания и персонализированной медицины», — рассказала эксперт рынка Южной Кореи Соен Шредер-Ким.
Директор НИИ ФХБ, директор Института функциональной геномики МГУ, доктор химических наук, член-корреспондент РАН Петр Сергиев рассказывает о том, что в его институте ведутся поиски активаторов аутофагии — процесса «самопоедания» клетки, в результате которого обновляется ее структура, а все лишнее и ненужное уничтожается. Считается, что процесс аутофагии активируется при голоде. Мутации же в системе аутофагии могут вызывать некоторые болезни типа Паркинсона. Ученые проводят скрининг химсоединений, специй, растений, ищут источники активаторов в микробиоме. Сейчас в прицеле их внимания — животные, способные долгое время голодать. «Возможно, аутофагию у таких животных запускают микробы, живущие в их кишечнике. С этой целью мы исследовали экскременты верблюда из Астраханской области; летучих мышей после зимы; продукты жизнедеятельности медведя из заповедника в Тверской области. Параллельно исследуются растения: шансов, что такие активаторы будут безопаснее, больше. Находки есть, надеюсь, в обозримом будущем мы их предоставим потребителям», — говорит Петр Сергиев. Открытие активаторов поможет в создании функционального питания, которое будет способствовать оздоровлению и бороться с болезнями старости.
Новые продукты — почему так страшно
Екатерина Журавлева напоминает, что картофель завез в Россию Петр I еще 300 лет назад. Однако на протяжении почти 100 лет его не использовали: ели ягоды, от которых страдали отравлениями. Оценили картошку много позже, а сегодня без нее не обходится ни одна российская семья. «Сегодня в результате селекции создают и оздоравливают сорта растений, породы животных и микроорганизмов. Ученые создают новые формы, которых не было на Земле: например, тритикале — результат соединения пшеницы с рожью», — говорит Екатерина Журавлева.
Однако очень важной становится проблема доверия потребителей инновационным продуктам. Во всем мире до сих пор многие люди крайне подозрительно относятся к ГМО. Мясо из пробирки или из растительных компонентов тоже пока вызывает некоторое отторжение. Как рассказал коммерческий директор одной из инновационных компаний ОАЭ Адил Хан Дурани, только 35% потребителей открыты всему новому, а 50% ждут, когда новинку опробует кто-то еще. В России подозрительных потребителей традиционно больше, чем в других странах.
«Никто никогда не ждет появления нового продукта, как ждет появления нового айфона. К новому продукту относятся с большим подозрением. Мы живем в такой мифологической обстановке, что, когда на батоне колбасы написано «без глутамата» (а это все равно что написать «без белка»), народ радостно его покупает. Вот эта «химобоязнь» в людях, к сожалению, тяжело будет переламываться», — говорит руководитель лаборатории химии и пищевых продуктов «ФИЦ питания и биотехнологий» Владимир Бессонов.
Сегодня сфера ответственности биотехнологов в том, чтобы не допустить появления штаммов с увеличенной вирулентностью или патогенностью или токсичных метаболитов. Бессонов напоминает, что основной принцип производства пищевых продуктов — безопасность: «И критерии безопасности устанавливаются для нынешнего и будущих поколений. Ни один пищевой продукт никогда не появится на рынке, если не будет доказана его абсолютная безопасность. Хотя люди у нас верят в страшилки о пищевых добавках, о пальмовом масле, ГМО. Конечно, есть риски, связанные и с новыми технологиями. Но не нужно бояться новых технологий, нужно отрегулировать взаимоотношения с ними».
Каждый должен иметь доступ к безопасной и питательной еде, считают участники конференции. «Уверен, что через 20 лет на нашем столе будет суперорганикфуд из растительных компонентов, и эта еда будет невероятно вкусная», — говорит Сергей Иванов.