Кошениль, красный краситель из насекомых, перемещается в лабораторию.

Карминовая кислота — яркий натуральный краситель, используемый в некоторых косметических средствах и продуктах питания. Его традиционно получают путем «выращивания» насекомых на акрах опунций. Сегодня ученые пытаются создать его в микробах.

Бриттни Дж. Миллер

Обычный поход в продуктовый магазин может принести тележку с разноцветными продуктами. Яркие среди радуги красные, придающие оттенки таким продуктам, как малиновое варенье, консервированная вишня, клубничная лакрица и красный бархатный торт. Часто их источником является определенное маленькое насекомое. Кошенильных жуков — овальных щитовок длиной около 0,2 дюйма — собирают и превращают в натуральные красители: экстракт кошенили, кармин и чистый пигмент карминовую кислоту. Их использовали для окрашивания продуктов питания, текстиля и косметики на протяжении столетий.

Однако сегодня традиционные трудоемкие методы сбора урожая испытывают давление из-за растущего спроса, а цены на натуральный пигмент выросли. Поэтому некоторые ученые изучают генную инженерию для производства карминовой кислоты, которая, как они надеются, может быть более дешевой, быстрой и устойчивой. Эти усилия, хотя и экспериментальные сейчас, также могут удовлетворить тех, кто хочет использовать красители неживотного происхождения в своих продуктах, говорят эти ученые. «Это может привести к смене парадигмы производства этого соединения», — говорит синтетический биолог Расмус Й. Н. Франдсен из Технического университета Дании.

История карминовой кислоты восходит к ярко-красным финикийским одеждам, окрашенным раздавленным насекомым рода Kermes . Оттенки, полученные от кузена этого насекомого из Америки, Dactylopius coccus , украшали алые изделия во времена правления империй майя и ацтеков. В 1500-х годах испанцы задокументировали широко распространенный сбор кошенили в Новом Свете, а также приготовление и торговлю красителем. Очарованные ярким цветом, они отправляли сушеных насекомых тоннами обратно в Европу, чтобы заменить более тусклые красители, которые тогда там использовались. Алый цвет распространился по миру со скоростью лесного пожара: он финансировал империи, окрашивал религиозные одежды и демонстрировался на шедеврах живописи, став драгоценным товаром, соперничающим с серебром и золотом.

Использование карминовой кислоты в различных ее формах в текстиле и искусстве пошло на убыль с индустриализацией и разработкой синтетических красителей в середине 1800-х годов, говорит биомедицинский химик Дик Дэпсон из Комиссии по биологическому окрашиванию, которая тестирует и сертифицирует красители. Но пигмент продолжал окрашивать продукты питания, лекарства и косметику для улучшения их внешнего вида. В период с 1967 по 2009 год Управление по контролю за продуктами и лекарствами США постепенно одобрило экстракт кошенили и кармин для таких целей, и эти производные насекомых кошенили по-прежнему добавляют цвет различным йогуртам, тортам, конфетам, напиткам и мясу. Использование экстракта насекомых в пище не должно вызывать беспокойства, говорит биотехнолог Университета Гвадалахары Либерато Портильо Мартинес , который изучал кошениль на протяжении десятилетий. Количество насекомых, оставшихся в пигменте, ничтожно мало — и, кроме того, добавляет он, многие продукты питания считаются безопасными и одобренными для продажи, даже если они содержат небольшое количество целых или фрагментированных насекомых.

Сегодня Перу является крупнейшим коммерческим производителем кошенильного насекомого D. coccus , за ним следуют такие страны, как Мексика, Чили, Аргентина и испанские Канарские острова. Многие аспекты производства остаются такими же, как и тысячи лет назад. Рабочие начинают с выращивания насекомого на его любимом растении, опунции (также известной как грушевый кактус или нопаль) рода Opuntia . Насекомых сушат и продают переработчикам, которые извлекают карминовую кислоту, которая составляет около 20 процентов от сухого веса тела кошенильного насекомого. Мельницы размером с телефонную будку измельчают насекомых в порошок. Затем порошок смешивают с солями, чтобы выделить кармин — широко продаваемый продукт кошенили, который на 50–60 процентов состоит из карминовой кислоты. При нынешних методах сбора урожая, по оценкам, требуется 70 000 жуков, чтобы произвести один фунт сушеных насекомых и пятую часть фунта карминовой кислоты. «Это трудоемкий, но в этом есть что-то забавное: если вы начинаете работать с кошенилью, вы влюбляетесь в нее», — говорит Портильо Мартинес.

Использование карминовой кислоты из кошенили колебалось с течением времени. Рост синтетических красителей , которые были дешевле в производстве , привел к снижению использования кошенили, начиная с середины 1800-х годов. Но примерно с 1970-х годов начали расти опасения по поводу здоровья, связанные с этими синтетическими веществами, — из-за сообщений о связи между красителями и гиперактивностью у детей, а также некоторых исследований на клетках и животных, предполагающих, что определенные красители могут повышать риск рака . Это привело к окончательному запрету некоторых из них, таких как Red 2 и Red 4. В результате красители природного происхождения, такие как карминовая кислота, начали становиться все более популярными, говорит Дапсон.

Синтетические красители по-прежнему широко используются в американских продуктах питания, и растет число веганов, вегетарианцев и активистов по защите прав животных, которые не хотят непреднамеренно съесть продукт из насекомых, такой как кармин. Некоторые исследования сообщают об аллергических реакциях на краситель кошениль у небольшой доли людей из-за остаточных молекул насекомых — но на уровнях, не превышающих уровни для других распространенных аллергенов, говорит Франдсен. Тем не менее, общий мировой спрос на карминовую кислотупрогнозируется рост, поскольку промышленность использует его для окрашивания сладостей, напитков, джемов и мяса. Это, наряду с растущими затратами на рабочую силу, напрягает индустрию кошенили. В Перу цена за тонну карминового красителя выросла на 40 процентов в период с 2013 по 2019 год . «Среда обитания кактусов ограничена, рост как хозяина, так и паразита медленный, а процедуры экстракции крайне неэффективны», — говорит Дэпсон. «Были сделаны улучшения в экстракции и очистке, но они не решают основную проблему — производство насекомых».

Биохимические проблемы

В последние годы исследователи обратились к метаболической инженерии — манипуляции естественными клеточными реакциями для получения желаемых продуктов — чтобы посмотреть, смогут ли они разработать устойчивое решение для устранения узких мест в производстве, а также для решения проблем, связанных с добавками животного происхождения и аллергиями. Идея заключается в биосинтетической манипуляции метаболическими путями внутри микробов для создания карминовой кислоты. И есть другие возможности: «В дополнение к производству карминовой кислоты, мы сможем внести некоторые изменения в карминовую кислоту. Мы могли бы улучшить цвета и, возможно, улучшить биологическую активность», — говорит микробиолог-инженер Юн-Су Джин из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, который написал о новых генетических технологиях в производстве пищевых красителей и ароматизаторов в Ежегодном обзоре пищевой науки и технологий за 2022 год . Но есть и проблемы. Во-первых, карминовая кислота имеет сложную структуру: центральную трехкольцевую структуру, называемую антрахинон, к которой присоединены молекула глюкозы и несколько других химических групп. Это затрудняет ее синтез в больших количествах, говорит промышленный химик Дэвид Ботт из Общества химической промышленности.

Ученые до сих пор даже не знают полного биохимического пути, который кошениль использует для производства этого соединения, говорит Франдсен. И поэтому почти десять лет назад его команда решила начать со структуры конечного продукта — карминовой кислоты — и выяснить, как провести его обратную разработку с помощью ферментов из известных биохимических путей. «Возьмем, к примеру, ракету, — говорит он. — Вы не знаете, как она работает, но вы видите, что она летает, верно? Как нам получить разные части? Что нужно объединить, чтобы получить это?»

Франдсен и коллеги начали с прогнозирования необходимых исходных ингредиентов и биохимических этапов, а также ферментов для катализа этих этапов. Они разработали восемь потенциальных биохимических путей, которые могли бы создать карминовую кислоту, и протестировали несколько хозяев для проведения генной инженерии, в конечном итоге остановившись на хорошо изученном грибке под названием Aspergillus nidulans . Его было легко анализировать, но при этом он был достаточно сложным, чтобы предоставить ключевые химические ингредиенты для реакций. Методом проб и ошибок команда создала трехкольцевое ядро ​​карминовой кислоты, удалив некоторые гены из грибка (чтобы отключить конкурирующие биохимические пути) и добавив несколько других (один из растения и два из бактерий), которые обеспечивали соответствующие ферменты. Затем это ядро ​​было обработано неизвестным ферментом, уже находящимся в Aspergillus , для получения промежуточной структуры, называемой кермесовой кислотой. Наконец, добавление гена от самого насекомого кошенили обеспечило фермент, который преобразовал кермесовую кислоту в карминовую кислоту. Когда грибок был сконструирован со всеми этими генами, бульон, в котором он рос, стал красным, и тесты подтвердили наличие красителя в бульоне и в грибке.

В статье группы, опубликованной в 2018 году, было представлено принципиальное доказательство того, что микроб может быть сконструирован для производства карминовой кислоты . Но эффективность реакции была далеко не достаточно высокой, чтобы рассматривать возможность крупномасштабного производства, говорит Франдсен. А поскольку один из ферментов оставался неизвестным, было бы сложно оптимизировать производство. «Это была долгая борьба со множеством вещей, которые должны работать в теории, но не работали в реальном мире», — говорит он. «Правда о синтетической биологии в том, что она находится на очень раннем этапе развития, и результаты часто представляются как «Мы ​​просто сделали это, и это было легко», в то время как реальность совсем другая».

Исследование 2021 года другой группы разработало альтернативный биосинтетический путь для карминовой кислоты , на этот раз вводя гены в хорошо известную бактерию E. coli, выбранную за простоту манипуляций и потенциал для крупномасштабного производства. Работа отличалась по своему подходу от работы 2018 года несколькими способами, а также сообщала, сколько соединения было произведено, говорит инженер по метаболизму Сан Юп Ли из Корейского передового института науки и технологий, старший автор работы. Среди прочего, ученые смогли построить биосинтетический путь, в котором каждый шаг был известен (в отличие от работы Aspergillus с его неизвестным ферментом грибка). Для последнего шага в пути они использовали фермент из растения вместо фермента из кошенили. Когда процесс все еще не производил карминовую кислоту, группа провела исследования компьютерного моделирования, чтобы предсказать структурные изменения в некоторых ферментах, которые повысили бы эффективность биосинтетического пути. Затем они ввели эти изменения, сделав точные мутации в генах. Наконец, начав с глюкозы, которую можно производить из возобновляемой биомассы, они успешно получили карминовую кислоту. Хотя масштаб эксперимента был крошечным, ученые подсчитали, что если его увеличить и предположить, что производство составляет 5 граммов карминовой кислоты на литр, выращивание модифицированной кишечной палочки в течение пяти дней в ферментере объемом 100 000 литров может дать столько же карминовой кислоты, сколько кошениль, растущая на подушечках опунции, произведет на гектаре (почти 2,5 акра) земли за год. Франдсен говорит, что оба исследования показывают, что можно создавать новые биосинтетические пути без прямого копирования пути, используемого в природе (хотя он все равно хотел бы раскрыть биохимические процессы, которые кошениль использует для производства карминовой кислоты). «Оба исследования показывают, что синтетическая биология имеет большой потенциал в будущем», — говорит он. Ученые добавляют, что предстоит еще много работы, прежде чем процесс можно будет масштабировать до промышленного уровня. Исследователям нужно поиграть с количеством или эффективностью различных ферментов, встроенных в микробы, чтобы оптимизировать производство карминовой кислоты и сократить количество нежелательных побочных продуктов. Тем не менее, Франдсен и Ли говорят, что компании уже проявляют интерес, хотя и не раскрывают названий.

Изготовление карминовой кислоты таким способом может успокоить опасения потребителей по поводу продуктов животного происхождения и возможных аллергий, но некоторые все еще могут возражать против опасений по поводу генетически модифицированных продуктов. Тем не менее, говорит Ли, «мы надеемся, что потребители во всем мире, которые заботятся об окружающей среде и здоровье… будут активно потреблять продукты питания и косметику, содержащие карминовую кислоту, произведенную микробами. С нашими дополнительными усилиями и временем мы думаем, что сможем достичь этого в ближайшем будущем». Что касается кактусов опунции на их плантациях, готовых стать пищей для сосущих кошенилей, чтобы откормить их перед гибелью, — Портильо Мартинес считает, что они в любом случае сохранятся в какой-то степени из-за давних местных традиций.

«Есть много, много областей, где используют кошениль», — говорит он. «Я думаю, ее производство сохранится. Может быть, не в том объеме, который у нас есть сейчас, — но я думаю, что сохранится».

источник: https://knowablemagazine.org/content/article/technology/2022/cochineal-red-dye-bugs-moves-lab?utm_source=Knowable+Magazine&utm_campaign=6c638219a4-KM_NEWSLETTER_2025_05_11&utm_medium=email&utm_term=0_-6c638219a4-546096425