Kraftwerke für Fleischersatz: Muskelprotein lässt sich nun in Salat- und Tabakpflanzen züchten
Myoglobin-Gen wurde mit einer "Genkanone" in die Chloroplasten eingebracht — und könnte pflanzliche Fleischalternativen revolutionieren
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Die wohl wirksamste persönliche Entscheidung, die wir treffen können, um unseren ökologischen Fußabdruck zu verringern, ist, weniger Fleisch zu essen. Denn die Viehzucht erfordert die Nutzung wertvoller Flächen für den Futteranbau, verbraucht zudem riesige Mengen an Süßwasser und trägt durch den Ausstoß von Methan und Lachgas zur globalen Erwärmung bei. Mindestens ebenso wichtig ist für viele Verbraucher der Wunsch, Tierleid zu verhindern. Aus diesen Gründen hat der weltweite Markt für Fleischalternativen derzeit ein Volumen von 6,7 bis 8,1 Milliarden Euro pro Jahr und wird in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich jährlich um 8,1 % bis 12,3 % wachsen.
Eine gängige Methode zur Herstellung von Fleischersatz ist die mikrobielle Technik, bei der Gene, die für tierische Proteine kodieren, in das Genom von Bakterien oder Hefen eingefügt werden, um diese in Bioreaktoren in großem Maßstab zu produzieren. Nun haben Wissenschaftler jedoch eine vielversprechende Alternative als „Proof-of-Principle“ entwickelt.
„Wir zeigen hier, dass Pflanzen so gentechnisch verändert werden können, dass sie das tierische Protein Myoglobin (Mb) in ihren Chloroplasten, den Energiefabriken der Photosynthese, produzieren. Dies könnte einen nachhaltigeren Weg zur Herstellung eines wichtigen Bestandteils für pflanzliche Fleischprodukte bieten“, sagte Dr. Alexia Groff, Forscherin am Imperial College London. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Frontiers in Plant Science“ veröffentlicht.
Pflanzen auf Vordermann bringen
Myoglobin ist ein wichtiger Bestandteil des Herz- und Skelettmuskels von Wirbeltieren. Myoglobin ist reich an Eisen, weshalb Fleisch einen metallischen und umamiartigen Geschmack hat, während der daran gebundene Sauerstoff dem Fleisch seine rote Farbe verleiht. Groff und ihre Kollegen klonten zunächst die Gene für Schweine- und Rinder-Myoglobin. Anschließend schossen sie mithilfe einer sogenannten „Genkanone“ Genkopien physisch in die Chloroplasten von Tabak- und Salatsämlingen im Labor. Tests bestätigten, dass einige Sämlinge das Gen anschließend in das kurze, ringförmige Genom ihrer Chloroplasten integriert hatten. Die Pflanzen wurden anschließend bis zum Erwachsenenalter herangezüchtet, blühten und setzten Samen an, wobei ihre Nachkommen das Transgen erbten.
Zum Vergleich fügten die Autoren das Gen auch in das viel größere Kerngenom beider Pflanzenarten sowie in den Chloroplasten der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii ein.
„Aufgrund ihrer bakteriellen Abstammung und ihrer hohen Kopienzahl pro Zelle sind Chloroplasten im Allgemeinen viel besser darin, große Mengen an Protein zu produzieren als der Zellkern“, sagte Groff. „Wir haben hier Tabak verwendet, da er die beste Modellpflanze für die Entwicklung dieser Technologie ist, und Salat, da es sich um eine essbare Kulturpflanze handelt, die letztendlich zur Herstellung von Lebensmittelzutaten genutzt werden könnte.“
Messungen mittels Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie zeigten, dass die Myoglobin-Ausbeute bei Tabak etwa 800 mg pro Kilogramm Trockengewicht und bei Salat 810 mg pro Kilogramm Trockengewicht betrug. Dies war mindestens dreimal so hoch wie die Ausbeute bei Tabakpflanzen, bei denen das Transgen in das Kerngenom gespleißt wurde. Echtes Fleisch enthält zwischen 8,1 und 11,2 mg Myoglobin pro Gramm Trockengewicht.
„Dennoch ist der Pflanzenanbau weitaus ressourceneffizienter als die Tierhaltung; folglich könnte pflanzlich gewonnenes Myoglobin (Mb) Proteinausbeuten pro Hektar erzielen, die denen der Tierhaltung in nichts nachstehen – oder diese sogar übertreffen –, während gleichzeitig der Wasserverbrauch und die Treibhausgasemissionen deutlich geringer ausfallen“, schrieben die Autoren.
Den Grundstein für die zukünftige Produktion legen
Was sind die nächsten Schritte, bevor die Entdeckung kommerzialisiert werden kann?
„Das Myoglobin könnte aus Blättern extrahiert und mithilfe industrieller Proteinreinigungsverfahren gereinigt werden. Da es mit tierischem Myoglobin identisch ist, könnte es anschließend als Zutat zu pflanzlichen Fleischprodukten hinzugefügt werden, um deren Farbe, Geschmack und Nährwert zu verbessern“, erklärte Groff.
„Wir hoffen, dass essbarer Salat, der so modifiziert wurde, dass er Myoglobin bildet, eines Tages – vorbehaltlich der behördlichen Genehmigung – auch als mit Häm-Eisen angereichertes, biofortifiziertes Lebensmittel dienen könnte“, fügte Mitautorin Dr. Kyoko Morimoto hinzu, wissenschaftliche Leiterin bei Kyomei, einem in Cambridge ansässigen Start-up für Pflanzenbiotechnologie, das die Forschung teilweise finanziert hat.
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