Ученые вырастили твердую пшеницу, содержащую крахмальные гранулы сверхбольших размеров — это прорыв в биоинженерии, который потенциально может принести пользу нашему ежедневному рациону и найти множество применений в промышленности.
Группа исследователей под руководством доктора Дэвида Сеунга в Центре Джона Иннеса (Великобритания) разработала уникальный вид твердой пшеницы с гигантскими гранулами крахмала. Они более чем в два раза превышают обычные размеры, открывая новые возможности для пищевой промышленности и производства: например, привести к созданию более полезных для здоровья макаронных изделий и хлеба с более медленным усвоением. Извлекут пользу многие многомиллионные отрасли промышленности, использующим крахмал в переработке, такие как производство бумаги, фармацевтическая, косметическая, текстильная и биохимическая промышленность. Исследование опубликовано в журнале Science Advances .
Это биотехнологическое достижение воплощает давнюю мечту исследователей, изучающих свойства крахмала — сложного углевода, на долю которого приходится до 50% потребляемых нами калорий.
Богатый энергией крахмал, который мы потребляем в злаковых продуктах, таких как макароны и хлеб, содержит смесь крупных плоских гранул типа А и мелких сферических гранул типа В.
Размер гранул оказывает существенное влияние на процесс переваривания крахмала.
Более крупные гранулы перевариваются медленнее, поскольку имеют меньшую площадь поверхности, доступную для пищеварительных ферментов. Крахмал, который не переваривается в верхних отделах желудочно-кишечного тракта, называется резистентным крахмалом — формой пищевых волокон, которая перерабатывается в нижних отделах желудочно-кишечного тракта. Это благотворно влияет на микробиом кишечника и предотвращает резкие скачки уровня сахара в крови, связанные с диабетом 2 типа и ожирением, которые возникают при регулярном употреблении крахмалистых продуктов. Также есть некоторые данные, свидетельствующие о том, что более крупные крахмальные гранулы улучшают текстуру пищи.
Более крупные гранулы крахмала имеют преимущества в производстве бумаги и упаковки, поскольку их легче разделить, что упрощает обработку. В других отраслях они способствуют связующим и загущающим свойствам.
Однако, несмотря на эти хорошо известные преимущества, генетические факторы, контролирующие размер крахмальных гранул и ограничивающие их рост, были изучены недостаточно.
Команда Центра Джона Иннеса разработала эксперименты по созданию сортов твердой пшеницы, используемой для производства макаронных изделий, крахмал которой мог бы иметь более крупные гранулы типа А. Они обнаружили, что размер крахмальных гранул ограничивается двумя клеточными факторами: во-первых, пространством, доступным для роста гранул в амилопласте, месте хранения крахмала в зернах пшеницы, и, во-вторых, количеством инициированных гранул, конкурирующих за субстраты для роста.
Исследователи вывели растения, которые устраняют эти два ограничивающих фактора, создавая большее пространство для хранения крахмала и уменьшая количество инициированных гранул, что приводит к образованию более крупных гранул беспрецедентных размеров в злаковых культурах.
Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии в Центре Джона Иннеса, подтвердили, что экспериментальные растения пшеницы производили крахмальные гранулы типа А размером до 50 микрометров, что более чем вдвое превышает типичный размер в 20 микрометров. Более половины гранул имели размер 30 микрометров, по сравнению с всего 6% в обычном пшеничном крахмале.
«Мы надеялись, что наша гипотеза окажется верной, что при большем пространстве для роста и меньшей конкуренции за субстрат мы получим более крупные гранулы, — но мы были совершенно удивлены тем, насколько большими оказались новые гранулы. Нам даже пришлось отрегулировать апертуру анализатора размера частиц, чтобы зафиксировать гранулы в полном масштабе», — сказала Роуз Макнелли, первый автор исследования.
Растения пшеницы, используемые для производства макаронных изделий, у которых были выведены более крупные крахмальные гранулы, были получены с использованием традиционных методов селекции с популяцией мутантов TILLING в Центре Джона Иннеса. Этот ресурс позволил команде отобрать растения с мутациями в двух генах, контролирующих размер амилопластов и инициацию гранул, а затем вывести новые двойные мутантные растения, сочетающие в себе оба этих признака.
Среди сортов пшеницы наблюдается лишь незначительная естественная изменчивость размера крахмальных гранул, поэтому в данном исследовании потребовался инженерный подход. Полученные результаты в основном применимы к зерновым культурам, таким как пшеница и ячмень, которые содержат это уникальное сочетание гранул типа А и типа В.
Цель группы Сеунга и его коллег из Института Квадрам (крупный британский научно-исследовательский центр, который изучает взаимосвязь между продуктами питания, микробиомом кишечника и здоровьем человека) — создать макаронные изделия из растений, содержащих более крупные крахмальные гранулы, и протестировать их в клинических испытаниях на людях, чтобы выяснить, обладают ли они устойчивостью к перевариванию и всеми вытекающими отсюда преимуществами. Это исследование является подтверждением концепции, которая может быть применена к хлебной пшенице.
«Мы поставили перед собой цель доказать идею, которая имеет концептуальный смысл. В биологии часто всё работает не так, но в этом случае всё получилось, превзойдя все наши ожидания. Это прекрасный пример фундаментальной науки, которая в будущем может оказаться полезной для общественного здравоохранения и промышленности», — сказала Макнелли.
Доктор Фред Уоррен, руководитель группы в Институте Квадрам и соавтор статьи, сказал: «Изменение размера крахмальных гранул в пределах одной зерновой культуры — это совершенно новое явление, и мы пока не знаем, какое влияние это может оказать на пищеварение и микробиом кишечника. В Институте Квадрам мы работаем с Центром Джона Иннеса, чтобы понять, какие последствия это может иметь для разработки новых продуктов питания с дополнительными преимуществами для здоровья. Создавая из этого материала такие продукты, как макароны, мы можем изучить, существует ли потенциал для получения таких преимуществ, как снижение постпрандиальной гликемии или улучшение разнообразия кишечной микрофлоры при употреблении этих модифицированных крахмалов».
Источник: John Innes Centre. На фото: гранулы пшеничного крахмала сверхбольшого размера, полученные за счет увеличения объема хранилища крахмала и уменьшения количества инициированных гранул. Источник: Центр Джона Иннеса.