私は肉が大好きです！合成生物学はいかにして植物に「肉のような」味を与えるのか

「竹を食べれば下品になるし、肉を食べれば痩せる。下品にも痩せにもならないためには、豚肉を竹の子と一緒に煮込むといい。」

千年以上前の集会で、「詩神」蘇軾はこの興味深い短詩を書き、人々の肉に対する愛と称賛を生き生きと表現しました。

肉は間違いなく、栄養価が非常に高く、おいしい食べ物です。肉は良質なタンパク質源であるだけでなく、脂質、亜鉛、ヘム鉄、ビタミンBなど人間の健康に必要な栄養素も豊富に含んでいます。さらに、ゼラチンなどの肉に含まれるタンパク質も、ゲル化、乳化、保水性に優れているため、食品業界で非常に重要な役割を果たしています。

肉の需要が急増し、「新たな突破口」が緊急に必要

21 世紀以降、世界の人口が増加するにつれ、人間の肉に対する需要も劇的に増加しました。 WHOは、2030年までに世界の一人当たりの肉の消費量が年間45.3キログラムに増加すると予測している。この場合、対応する人口の食糧需要を満たすには、食肉産業の生産量を約 50 ～ 72% 増加させる必要があります。

しかし、肉製品の開発は多くの深刻な問題も引き起こしています。

一方、畜産業は資源集約型産業です。統計によると、畜産業は世界の農地の70％を占め、世界の淡水資源の27％を消費しています。さらに、食肉生産による温室効果ガス排出量は世界の排出量の18％を占め、運輸業界（13％）を上回っています。一方、肉製品にはコレステロールや飽和脂肪酸が多く含まれており、これらは心臓血管疾患、高コレステロール、がんなどの代謝性疾患の発生と密接に関係しています。さらに、肉には鳥インフルエンザやサルモネラ菌など、消費者の健康を脅かす病原菌が含まれている可能性があります。

人工肉の出現は、人々の肉に対する需要を満たすと同時に、関連する環境汚染や健康問題を解決することが期待されています。

人工肉には主に2つの種類があります。

1つ目は「植物肉」で、大豆や小麦などの植物性タンパク質を原料とし、押し出し成形や電界紡糸などの加工技術で作られた食品です。ベジタリアンミートとも呼ばれます。私の国では、「植物肉」は何千年もの間消費されてきた歴史があります。唐の時代にはすでに「菜食で肉を補う」という調理法がありました。 『北蒙索衍』によれば、「宴会の役人は小麦粉とこんにゃくを使って色を染め、豚肩肉、羊肉のジャーキー、焼いた腕などの料理はどれも本物そっくりで、当時の人々はそれを梁の武帝にたとえた」という。

しかし、「植物肉」はタンパク質が豊富で安価であるにもかかわらず、調味料で「肉の風味」を出すことしかできず、肉の味や香りをうまく再現することができません。

2 つ目は「細胞培養肉」で、その主成分は、体外で培養された動物幹細胞をベースに、細胞組織工学の手法により細胞が直接合成した動物性タンパク質です。細胞培養肉には天然の動物性タンパク質が含まれていますが、細胞培養によって肉の繊維組織を模倣することは難しく、培養培地のコストも比較的高くなります。まだ研究開発段階です。

まとめると、植物性タンパク質の生産プロセスは成熟しており、コストは低いが、味は悪いということに気づくのは難しくありません。一方、動物性タンパク質はその逆で、味は肉とほぼ同じですが、生産コストが高く、大量生産が難しいです。

植物由来の肉か細胞培養肉か？新たな人工肉が登場

では、両者の利点を組み合わせて、新しいタイプの人工肉を開発できるのでしょうか?

答えはイエスです。米国のImpossible Foodsは、肉を植物に置き換えることに専念している企業です。合成生物学のコンセプトに基づき、まず「肉の風味」のメカニズムを分子レベルで研究し、次に植物からタンパク質と栄養素を選択し、最後に植物性タンパク質を使用して肉製品の味と栄養を回復しました。 2016年、同社の看板商品であるインポッシブル・バーガーは、植物性タンパク質をベースにした「肉のような味」のハンバーガーパティである。食事をした人たちは、本物のビーフバーガーとの違いを見分けるのは難しいと言う。

では、この植物由来の代替肉の何がそんなにユニークなのでしょうか?

まず、より本物に近い肉を作るために、科学者は「肉の味」を生み出すメカニズムを解明する必要があります。肉製品の主成分は筋肉であることは知られていますが、筋肉の最大の特徴は、ヘモグロビンを多く含むため、赤い色をしていることです。ヘモグロビンは酸素を運び、基本的な生命活動を維持できる基本的な分子です。ほとんどすべての動物と植物にはヘモグロビンが含まれていますが、動物のヘモグロビン含有量は植物の1,000倍以上です。

インポッシブル・フーズの研究者たちは、肉の味を肉らしくする鍵はヘモグロビンであることを発見した。調理の過程で、ヘムは触媒として働き、何百もの揮発性化合物を生成し、独特の肉の香りを形成します。さらに興味深いのは、ヘモグロビンが大豆植物の根粒にも自然に存在することが発見され、それが「植物の血」と呼ばれていることです。最後に、大豆ヘモグロビンを加えると、植物ベースの人工肉はよりピンク色になり、血色が増し、肉質が増しました。

しかし、大豆ヘモグロビンをいかに効率的に生産するかが問題です。大豆植物から直接ヘモグロビンを抽出することもできますが、この方法では収量が少なく、より多くの資源を消費します。この問題を克服するために、Impossible Foods チームは遺伝子工学を通じてヘムを異種発現させることを決定しました。

異種タンパク質発現とは、細菌、酵母、昆虫細胞、哺乳類細胞、または植物細胞を使用して外来遺伝子タンパク質を発現する分子生物学技術を指します。 Pichia pastoris 発現システムは、低コスト、高生産性、翻訳後修飾などの利点があるため、広く使用されています。科学者は酵母ゲノムに外来遺伝子を組み込み、酵母に新しい化合物を合成する能力を与えることができる。

これらの外来遺伝子はすべてマメ科植物に由来し、ヘム合成経路に関与しています。下の図に示すように、最初の基質であるALAは複雑な化学反応を経て、最終的に生成物であるヘモグロビンを得ます。これらの反応はすべて、脱水素酵素、脱アミノ酵素、合成酵素などのプロテアーゼによって触媒されます。科学者がこれらすべての遺伝子をピキア酵母に導入した後、酵母はヘモグロビンを合成する能力も獲得しました。

最終的に、正確な発酵条件下では、ピキア酵母は発酵槽内で泡状の赤い「植物の血」を生成します。濾過とタンパク質の精製を経て、科学者たちはついに高収量、高純度の大豆ヘモグロビンを得た。 2018年7月、発酵によって得られたインポッシブルフーズのヘモグロビンはFDAの安全性審査に合格し、人工肉の栄養素や着色料として使用できるようになった。

今後、インポッシブル・フーズは「おいしい」ビーフバーガーの分子メカニズムをさらに研究する予定だ。科学者たちは、揮発性分子と神経的快楽の関係を研究するために、ガスクロマトグラフ質量分析計をグリルに接続した。科学者たちは、鍵となる「香りの分子」を発見した後、それをヘモグロビンのようにハンバーガーに加え、人工肉をより美味しくすることができるようになる。

不可能を可能にする、これが合成生物学の最大の魅力です。代謝工学の研究を通じて、科学者はあらゆる天然化合物の合成酵素システムを微生物に移植し、大規模な発酵生産を行うことができます。ヘモグロビンに加えて、ビタミンE、ステビア、ホエイプロテインなど、ますます多くの天然食品添加物が登場しています。それらは食品をより栄養価が高く美味しくするだけでなく、生産プロセスをより環境に優しく効率的にします。

将来、私たちが達成しなければならない不可能なことがさらに増えると信じています。

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