Безопасные молочнокислые бактерии для новых продуктов

7 апреля 2023 17:30

Группа микробиологов из Томского государственного университета, МГУ и ФИЦ «Биотехнологии» РАН изучает молочнокислые микроорганизмы в традиционных продуктах из разных регионов России. Исследование кисломолочных микроорганизмов является частью проекта, нацеленного на решение такой глобальной проблемы человечества, как развитие устойчивости к антибиотикам. Цель учёных – провести широкомасштабные исследования микробиомов кисломолочных продуктов животного происхождения с помощью генетических технологий. Результаты помогут решить задачу импортозамещения зарубежных заквасок, создавать продукты с новыми характеристиками и развивать новые направления применения молочнокислых микроорганизмов, например, использовать их в качестве психобиотиков. Проект реализуется при поддержке Минобрнауки РФ.

– Россия – единственная страна, в которой представлено такое разнообразие – сотни молочнокислых продуктов от питьевой формы (кефир, простокваша, айран, шубат и другие) до различных видов сыров, творога, – говорит научный сотрудник кафедры микробиологии Биологического института МГУ Андрей Шестаков. – Весь этот набор по факту является колоссальным пулом тех штаммов, которые мы сейчас исследуем и сможем использовать в российской пищевой промышленности.

В ТГУ создан самый большой биобанк молочнокислых микроорганизмов из традиционных продуктов РФ.

Для хранения изучаемых микроорганизмов на базе ТГУ создан биобанк, сейчас в нём насчитывается около 300 штаммов, до конца 2023 года добавится ещё столько же. География сбора образцов представлена на интеркативной карте биобанка ТГУ.

– Нас в первую очередь интересуют штаммы, которые присутствуют в продуктах, приготовленных не промышленными, а традиционными методами, – поясняет старший научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН Татьяна Кочеткова. – Поэтому образцы молочнокислых продуктов приобретались не в магазинах, а на рынках, у фермеров, частников по всей России – от Хабаровска и Владивостока до Архангельска. Много образцов собрано на Северном Кавказе и Бурятии, славящихся своим разнообразием кисломолочных продуктов и древними традициями их приготовления. В проекте наряду с такими привычными продуктами, как сметана, творог, различные домашние сыры, тан, айран, исследованы редкие, встречающиеся только в определенных регионах – шубат, хурунга, хурууд, аарса.

Среди собранных образцов – продукты из молока коров, лошадей, верблюдов, а также молочнокислые микроорганизмы, выделенные из фекалий некоторых диких животных, например, архаров.

Архары (Горный Алтай). Фото предоставили сотрудники лаборатории ТГУ.

– Исследования носят одновременно фундаментальный и прикладной характер, – рассказывает руководитель проекта, заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики БИ ТГУ Ольга Карначук. – Мы изучаем молочнокислые микроорганизмы с точки зрения генотипа. Чтобы понять, какие штаммы присутствуют в том или ином продукте, мы используем технологии высокопроизводительного секвенирования: по участкам ДНК идентифицируем виды, которые присутствуют в пробе. Информация о геноме позволяет предсказать функциональные характеристики микроорганизма, оценить перспективу его применения в пищевой промышленности.

Учёные проводят сравнительный анализ микроорганизмов из разных регионов, сопоставляют с литературными данными из других стран и отмечают, что некоторые кисломолочные микроорганизмы, выделенные из собранных проб, не имеют аналогов. Результаты сравнения недавно опубликованы в журнале «Microorganisms»

Одна из практических задач проекта – оценить выделенные культуры по устойчивости к антибиотикам. Учёные отмечают, что резистентность микроорганизмов, в том числе кисломолочных, к антибиотикам становится всё более распространённой, и очень важно, чтобы такие штаммы не попали на производство. Если потребитель получит их в составе пробиотиков или кисломолочных продуктов, то схожая устойчивость может формироваться и у человека.

– Найти культуры без генов устойчивости к антибиотикам всё сложнее, – отмечает Ольга Карначук. – К примеру, мы надеялись их выделить из продуктов, привезённых из Горного Алтая. Они сделаны на основе верблюжьего молока. Животные пасутся в степи, их никогда не лечили антибиотиками и не кормили добавками, в которых могли бы быть штаммы с резистентностью к антибактериальным препаратам. Мы были уверены, что выделим «чистые» по искомому признаку штаммы. У алтайских микроорганизмов оказались очень хорошие характеристики: они обеспечивают хорошую вязкость продукта, нужную кислотность, но при этом присутствует устойчивость к антибиотикам. Откуда? Это очень интересный и очень важный вопрос, на который мы будем искать ответ. Возможно, это связано с тем, что антибиотики попадают и в окружающую среду – воду, почву.

Заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики БИ ТГУ Ольга Карначук.

Данные, полученные молекулярно-генетическими методами, вместе с чистыми, выделенными из исследуемых продуктов бактериями учёные будут использовать для создания стабильных, высокоэффективных сообществ микроорганизмов. Они станут основой как для привычных, так и для новых кисломолочных продуктов с заданными свойствами.

Например, можно отобрать штаммы с генами, ответственными за синтез антимикробных соединений. Продукты, произведённые с применением таких штаммов, смогут долго храниться без пастеризации, не утрачивая полезных свойств. Эти же микроорганизмы могут использоваться в качестве безвредного консерванта в пищевых продуктах.

Как отмечают учёные, генетический анализ и селективный отбор бактерий и грибков даёт возможность развивать самые прогрессивные направления, например, использовать кисломолочные микроорганизмы для питания и обеспечения жизнедеятельности человека в космосе.

– Длительное пребывание в невесомости приводит к нарушению работы ЖКТ, – объясняет Андрей Шестаков. – Для решения этой проблемы сейчас используются пробиотики в виде таблеток и капсул, но такая форма снижает эффективность полезных бактерий. Более эффективно контролировать состояние космонавтов можно было бы с помощью кисломолочных продуктов, приготовленных на борту МКС с использованием специальных заквасок. Сложность заключается только в их доставке на станцию. Было предложено решение: на станцию доставляется полупродукт, высушенный специальным методом (лиофилизацией). Космонавту на МКС достаточно в пакет с сухим порошком внести тёплую воду – и через 2–2,5 часа будет готов свежий кисломолочный продукт. Штаммы закваски уже прошли испытания в спутнике БИОН М1.

В том случае, если трёхлетний проект, реализуемый группой учёных, будет продлён, исследователи смогут решить больше практических задач. Одним из самых новых направлений, связанных с кисломолочными микроорганизмами, является их использование в качестве психобиотиков. Этот термин пока встречается преимущественно в научных публикациях, но в скором времени может стать привычным и для обычных людей.

– Уже доказано, что микробиом кишечника самым тесным образом взаимосвязан с психологическим состоянием человека, – говорит Ольга Карначук. – Известно, что кишечные микроорганизмы способны выделять нейромедиаторы. Если детально изучить этот механизм, можно использовать данный функционал бактерий направленно – для коррекции состояния при неврозах, депрессии, улучшения памяти человека. Поэтому фундаментальные знания и научный задел, полученные в рамках реализуемого нами проекта, очень важны для создания новых биотехнологий, нацеленных на улучшение качества жизни человека, в первую очередь – на его здоровье.

Для справки:

Проект «Широкомасштабный поиск и изучение микроорганизмов и микробных сообществ, ассоциированных с сельскохозяйственными животными и продуктами животного происхождения», поддержанный Минобрнауки РФ (идентификатор ФП-0010-8201-1374, проект с возможностью продления), рассчитан на три года. Над решением поставленных задач работает большая междисциплинарная группа, в которую вошли молекулярные биологи, биоинформатики и микробиологи.

Источник: Томский государственный университет.