Новые белки – что нас ждет в будущем?
Годесбергский форум по питанию 2004 г.
Белки/белки выполняют в организме множество задач; По своей структуре и функциям они являются «принимающими решения» для упорядоченного функционирования обмена веществ и в конечном итоге определяют фенотип и свойства живого существа. Например, они действуют как ферменты и катализируют многие реакции вплоть до образования новых продуктов; через сигнальные пептиды и гормоны действуют как регуляторы метаболических каскадов, распознают чужеродные вещества как антитела и вызывают их расщепление или образуют мышечные белки. , кожа и волосы.Все белки определяются генетической информацией, и многие из них модифицируются посттрансляционно. В отличие от относительно простой структуры генетической информации, использующей четыре пары оснований, белки обычно состоят из 20 аминокислот. Эти аминокислоты комбинируются в соответствии с последовательностью оснований генетической информации, и такое расположение в первичной структуре затем приводит к вторичной и третичной структуре. Все специфические функции белков происходят от этих структур.
Благодаря знаниям в области химии белков, энзимологии и молекулярной биологии гены и, следовательно, белки могут быть перенесены от известных организмов к другим организмам; Известные белки приобретают новые свойства за счет специфических изменений в структуре. Таким образом, на «чертежной доске» можно целенаправленно разрабатывать новые белки с новыми функциями. Наиболее продвинутым и уже разнообразным применением является перенос известных генов в организмы, в основном в растения, с учетом новых функций.
Генно-инженерные процессы позволяют весьма избирательно вмешиваться в метаболизм растений путем введения новых генов и активации или ингибирования существующих генов (метаболическая инженерия). Благодаря этим новым белкам растение может синтезировать новые ценные ингредиенты или производить существующие ингредиенты в большем или меньшем количестве или в меньшем количестве. Мероприятия охватывают как макро-, так и микроэлементы.
В отличие от животных, наши основные сельскохозяйственные культуры (зерновые, бобовые) не производят все аминокислоты, необходимые нашему организму; Таким образом, ценность белка ограничена. В целом запасные белки зерна содержат мало незаменимой аминокислоты лизина, тогда как бобовые содержат лишь небольшое количество серосодержащих аминокислот метионина и цистеина (цистина). В западном полушарии нет недостатка в животном белке, но, в частности, в развивающихся странах потребляется преимущественно растительный белок, что может привести к симптомам дефицита. Вот почему проводится больше работы по изучению качества белка в рисе, кукурузе, маниоке и (сладком) картофеле.
Содержание лизина в рисовом зерне можно было значительно увеличить, если ввести ген белка ß-фазеолина из фасоли. Этот богатый лизином белок составляет примерно 4% от общего содержания белка в рисовом зерне. В сладком картофеле увеличен синтез собственного запасного белка, богатого незаменимыми аминокислотами. Модифицированный сладкий картофель содержит в 5 раз больше белка, а это означает, что содержание незаменимых аминокислот метионина, треонина, триптофана, изолейцина и лизина значительно увеличено. Идентифицированы и выделены гены растительных белков, богатых метионином и цистеином. Соответствующие гены альбумина из подсолнечника были успешно перенесены в люпин, а альбумин из бразильского ореха — в соевые бобы. Последний оказался основным аллергеном бразильского ореха; Работа над этим проектом была остановлена.
В соевых бобах содержание метионина можно увеличить за счет изменения пропорций собственных белков растения глицинина и β-конглицинина. Модифицированный ген глицинина также был введен в рис, и теперь этот рис синтезирует богатый метионином белок глицинин в контексте собственного белка глютелина риса. Содержание белка и, следовательно, аминокислот в генетически модифицированном рисе примерно на 20% выше, чем в обычном рисе. Исследования усвояемости и аллергенности «нового» рисового белка не выявили отличий от обычного рисового белка.
Ведутся работы по картофельному и кукурузному (зерновому) крахмалам с учетом технологических свойств крахмала. С одной стороны, наблюдалась повышенная холодоустойчивость, а с другой стороны, повышенная прочность картофельной матрицы в генетически модифицированном картофеле, что важно для картофелеводства. Введя инвертазу из дрожжей, можно снизить содержание гликоалкалоидов в картофеле – результат более чем неожиданный. Это дает возможность исключить из картофеля соланины, нежелательные токсичные вещества. Путем введения определенных микробных изомераз сахарозы в картофеле также можно добиться накопления некариозного сахара, в данном случае палатинозы.
Были также выведены специальные сорта рапса, которые все чаще синтезируют длинноцепочечные полиненасыщенные жирные кислоты, которые необходимы в детских смесях недоношенных детей для развития мозга и нервов. Другой сорт рапса использует генную инженерию для увеличения синтеза жирной кислоты омега-3, которая является предшественником докозагексановой кислоты (DHA, 22:6 n-3), которая, как известно, способствует укреплению здоровья. Эта жирная кислота, в свою очередь, является исходным веществом для простагландинов E и F, тромбоксанов и лейкотриенов. Они влияют на многие физиологические механизмы регуляции, такие как воспалительные процессы и свертывание крови.
Вторичные растительные вещества — весьма разнородный класс веществ; На сегодняшний день в растениях обнаружено более 30.000 XNUMX таких веществ и некоторые из них охарактеризованы. Их значение для растений, а также для здоровья человека более подробно изучалось только в отдельных случаях. Из этих вторичных растительных веществ следует упомянуть только классы каротиноидов, флавоноидов, глюкозинолатов, сапонинов, фитоэстрогенов, дубильных веществ, фенолов (фенольных кислот), сульфидов и стеринов. Таким образом, можно показать, что эти вещества обладают антиоксидантным, противораковым, антитромботическим, иммуностимулирующим или гипохолестеринемическим действием. Исследования возможностей влияния на синтез или новый синтез посредством генной инженерии пока находятся в статусе фундаментальных исследований. Самые продвинутые варианты относятся к каротиноидам.
Вмешательства в метаболизм терпеноидов на уровне геранил-геранил-пирофосфата могут быть использованы для синтеза каротиноидов. Классический пример – производство золотого риса. Они ввели в рис (эндосперм) 4 «новых» фермента (2 растительных: фитоинсинтаза, ликопин-β-циклаза + 2 бактериальных: фитоинсинтаза, каротиндесатураза) и смогли добиться того, что в рисе теперь образуется ß-каротин. эндосперм. Исходный рис синтезирует 0,16 мг ß-каротина/100 г риса; рекомендуемая суточная доза составляет 6 мг/день. Целью дальнейших попыток оптимизации является разработка риса, который содержит такое количество ß-каротина, что более половины потребности в витамине А покрывается при обычном потреблении риса. Дефицит витамина А преимущественно встречается в Юго-Восточной Азии; нередки заболевания, вызванные дефицитом витамина А (например, слепота у детей).
Витамин А является жирорастворимым витамином, и для его адекватного поступления в рацион необходимо определенное количество жира. Поэтому биосинтез каротина осуществлялся и в семенах масличных культур, особенно в рапсе.
Железодефицитные заболевания являются одними из наиболее распространенных заболеваний, вызванных дефицитом питательных веществ. Железо является важным элементом для многих наших ферментов, белков-переносчиков кислорода. Самым распространенным заболеванием, особенно в развивающихся странах, является анемия крови. Из-за нехватки железа гемоглобин больше не способен транспортировать достаточное количество кислорода. Для улучшения доступности железа было предпринято несколько подходов. Ген белка-запасателя железа ферритина из соевых бобов был перенесен в рис. Фериттин стабильно экспрессируется в эндосперме риса и утрояет содержание железа в рисовом зерне. Потребление обычной порции этого трансгенного риса обеспечивает 30-50% вашей ежедневной потребности в железе. Помимо гена ферритина, в другой сорт риса был интегрирован ген белка металлотиона из фасоли. Известно, что белки-металлотионины увеличивают всасывание железа в кишечнике. Другой путь, который был использован не только с рисом, но также с кукурузой и соевыми бобами, — это ферментативное расщепление фитиновой кислоты посредством интеграции грибковых фитаз.
Некоторые растительные белки, такие как тауматин, монеллин или браззеин, обладают очень высокой подслащивающей способностью, в 500–2.000 раз превышающей сахаристую способность. Для получения или усиления вкуса гены этих белков успешно перенесены в картофель, рис, огурцы и помидоры (томатную пасту).
Насколько известно только из литературы, генно-инженерные исследования проводятся на более чем 90 сортах растений с целью оптимизации качества пищевых растений или их ингредиентов.
Источник: Бад-Годесберг [проф. д-р. хабил. Клаус-Дитер Яни, Федеральный научно-исследовательский институт питания, Карлсруэ]
