Nutzung biotechnologisch hergestellter Mikroben als vielseitige Plattform für die Weltraumernährung

May 05, 2024

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 6177 (2022) Diesen Artikel zitieren

11.000 Zugriffe

3 Zitate

116 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Menschliche Unternehmungen durch das Sonnensystem werden lange Reisen und Aufenthalte mit sich bringen, was zu Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung einer gesunden Ernährung führt. Wir diskutieren die Konsolidierung mehrerer sensorischer und ernährungsphysiologischer Eigenschaften in Mikroorganismen, um anpassbare Lebensmittelproduktionssysteme mit minimalem Aufwand, minimalem physischen Fußabdruck und minimalem Abfall zu entwickeln. Wir stellen uns vor, dass eine Hefesammlung, die biotechnologisch für den Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel, optimale Ernährung und verschiedene Texturen, Geschmäcker, Aromen und Farben entwickelt wurde, als flexible Plattform für die Lebensmittelproduktion dienen könnte. Über ihr Potenzial hinaus, Menschen im Weltraum zu unterstützen, könnten biotechnologisch hergestellte mikrobielle Lebensmittel zu einem neuen Paradigma für die Lebensmittelherstellung auf der Erde führen, das eine größere Selbstversorgung ermöglicht und den Druck von natürlichen Ökosystemen nimmt.

Langfristige bemannte Raumfahrtunternehmungen, wie die Rückkehr zum Mond für längere Zeiträume, der Besuch von Asteroiden und die Reise zum Mars, erfordern Selbstversorgung und die Maximierung lebenserhaltender Systeme. Die Verringerung der Abhängigkeit von anfänglicher Startfracht und Nachschub von der Erde verbessert die Autonomie, mindert Risiken und ist für die wirtschaftliche und logistische Durchführbarkeit langfristiger menschlicher Bemühungen im Weltraum von entscheidender Bedeutung. Die Biotechnologie kann bei der Erreichung dieses Ziels eine wesentliche Rolle spielen1,2. Lebende Systeme sind selbstreproduzierend, selbstreparierend und selbstorganisierend und können so konstruiert werden, dass sie verfügbare Ressourcen für die kostengünstige Produktion gewünschter Produkte (z. B. Nährstoffe, Arzneimittel, Biomaterialien) nutzen und somit ein großes Potenzial zur Reduzierung von Ladungen und Ladungen haben Nachschub. Insbesondere die Anwendung der Biotechnologie für die Nahrungsmittelproduktion außerhalb der Erde wird entscheidend dazu beitragen, die Reise und Besiedlung des Menschen durch das Sonnensystem zu unterstützen3,4,5. Hier skizzieren wir die Motivation für die Entwicklung mikrobieller Lebensmittelproduktionssysteme. Wir untersuchen den Einsatz synthetischer Biologie zur Konsolidierung mehrerer sensorischer und ernährungsphysiologischer Eigenschaften von Lebensmitteln in künstlich hergestellten Autotrophen oder Abfallkohlenstoff, indem wir Mikroorganismen nutzen, um zu diesem Bemühen beizutragen. Wir diskutieren auch die Aussichten des Ansatzes in Verbindung mit dreidimensionalem (3D-)Druck, um den direkten Verzehr vollständig personalisierter mikrobieller Lebensmittel zu erreichen und die Lebensmittelproduktion bei minimalem Abfall zu maximieren.

Bei Missionen von kurzer Dauer können ausreichend Lebensmittel für die gesamte Mission transportiert werden, und regelmäßige Nachschublieferungen sorgen dafür, dass die Internationale Raumstation mit Lebensmitteln versorgt ist3. Allerdings wird es für künftige Raumfahrer von entscheidender Bedeutung sein, die Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln zu erreichen, da die Nachfrage nach Nahrungsmitteln stark ansteigt, wenn die Dauer der Weltraummissionen länger wird1. Beispielsweise wird geschätzt, dass eine Mission mit sechs Besatzungsmitgliedern und einem etwa 500-tägigen Aufenthalt auf dem Mars etwa fünf Tonnen Nahrung sowie weitere acht bis zehn Tonnen für interplanetare Transite und Eventualfälle benötigt5. Neben den enormen logistischen Kosten für den Transport und die Lagerung großer Lebensmittelmengen sind gelagerte Lebensmittel anfällig für Verderb, Verderb und eine Verringerung des Nährstoffgehalts oder der Bioverfügbarkeit, was zu Nahrungsmittelknappheit oder Unterernährung führen und die Gesundheit sowie die körperliche und kognitive Leistungsfähigkeit der Besatzung beeinträchtigen kann. Abgesehen vom Transport aller benötigten Nahrungsmittel oder der Abhängigkeit von den Nachschublieferungen der Erde besteht der beste Ansatz für die Aufrechterhaltung ausgedehnter bemannter Raumfahrtprojekte darin, Nahrungsmittel vor Ort zu produzieren. Ideale Lebensmittelsysteme sollten in der Lage sein, ansprechende, nährstoffreiche Lebensmittel bei Bedarf, schnell und mit minimalem Aufwand und minimalem Platzbedarf zuverlässig zu produzieren.

Verschiedene Alternativen, darunter Pflanzen, Algen, Insekten, kultiviertes Fleisch und Mikroben, wurden für die Produktion von Nahrungsmitteln außerhalb der Erde in Betracht gezogen1,6,7,8,9,10. Mikroorganismen benötigen vergleichsweise weniger Inputs, verdoppeln ihre Biomasse schneller und sind im Allgemeinen besser für biotechnologische Eingriffe zugänglich – alles entscheidende Vorteile, die ihre Entwicklung als Lebensmittelproduktionssysteme rechtfertigen. Darüber hinaus werden Mikroorganismen seit Jahrtausenden in Nahrungsmitteln und Getränken wie Brot, Joghurt, Käse, Bier und Wein verzehrt und in jüngerer Zeit auch als Probiotika in der Nahrung eingesetzt. Sie werden auch zunehmend zur Herstellung von Lebensmittelzusatzstoffen verwendet und gelten als nachhaltige Nahrungsquelle für die Zukunft11. 12,13. Wenn Mikroorganismen auf verfügbarem oder verschwendetem Kohlenstoff und Stickstoff gezüchtet werden können, um ansprechende und nahrhafte Lebensmittel zu produzieren, können sie nicht nur die Dauer außerirdischer menschlicher Aktivitäten verlängern, sondern auch die Umweltauswirkungen der derzeitigen erdbasierten Landwirtschaft verringern.

Die Hefe Saccharomyces cerevisiae ist ein Mikroorganismus in Lebensmittelqualität, der seit Tausenden von Jahren beim Backen, Brauen und bei der Weinherstellung eingesetzt wird14. Hefezellen sind eine nährstoffreiche Nahrungsquelle und haben das Potenzial, einen bedeutenderen Teil der menschlichen Ernährung zu bilden, da sie ein ähnliches Makronährstoffprofil wie Sojamehl haben, mit ~40,4 % Protein, ~34,6 % Kohlenhydrate, ~1,5 % Lipide usw ~13 kJ pro Gramm Trockenzellgewicht11,13. Das Aminosäureprofil von Hefeproteinen ist auch für die menschliche Ernährung geeignet, da es alle essentiellen Aminosäuren enthält, die der Mensch nicht produzieren kann und aus Nahrungsquellen beziehen muss (z. B. Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan usw.). Valin)15. S. cerevisiae ist außerdem schnell wachsend (Verdoppelungszeit von ca. 90 Minuten unter optimalen Bedingungen), genetisch äußerst formbar und einer der am besten charakterisierten Organismen16. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Mikrogravitationsbedingungen das Wachstum oder die Lebensfähigkeit nicht wesentlich zu beeinträchtigen scheinen17, und von der NASA durchgeführte Arbeiten haben das Potenzial von manipuliertem S. cerevisiae als nützliche Quelle essentieller Nährstoffe für die menschliche Gesundheit und Ernährung hervorgehoben (z. B. BioNutrients der NASA). Projekt). Jüngste Schätzungen des Nährwerts eines Vitamin-prototrophen Hefestamms im Zusammenhang mit der bemannten Raumfahrt legen nahe, dass alle für eine ausgewogene menschliche Ernährung notwendigen Vitamine und Makronährstoffe für 50–100 Menschen pro Tag durch eine einzige Fermentation von 3000 l bereitgestellt werden könnten18. All dies macht S. cerevisiae zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung zu einem mikrobiellen Lebensmittelproduktionssystem (Abb. 1).

Mehrere genetische Wege könnten in synthetischen Chromosomen konsolidiert werden (a), um den Hefestoffwechsel neu zu programmieren und ihm neue technische Merkmale zu verleihen (z. B. C1-Nutzung sowie sensorische und ernährungsphysiologische Eigenschaften von Nahrungsmitteln) (b). Durch den Einsatz intelligenter Bioreaktoren, die in der Lage sind, die Expression bestimmter gentechnisch veränderter Signalwege zu steuern, könnte die Zellphysiologie von Hefen so gestaltet werden, dass die Eigenschaften von Hefe-Biomasse-Nahrungsmitteln angepasst werden (c). Mikrobielle 3D-gedruckte Lebensmitteltechnologien würden die Herstellung von auf individuelle Vorlieben zugeschnittenen Lebensmitteln mit minimalem Abfall ermöglichen (d).

Alternative Mikroorganismen zu S. cerevisiae, darunter natürlich autotrophe Mikroorganismen wie das Cyanobakterium Arthrospira platensis und die Alge Chlorella vulgaris, werden bereits als Nahrungsergänzungsmittel oder Lebensmittelzusatzstoffe konsumiert und könnten daher als Nahrungsquelle genutzt werden. Allerdings sind diese und die meisten anderen Organismen im Vergleich zu Hefen typischerweise weniger gut charakterisiert und genetisch weniger beherrschbar, was bedeutet, dass die Umsetzung manipulierter sensorischer und ernährungsphysiologischer Eigenschaften schwierig sein kann. Ein weiterer Mikroorganismus mit einer ähnlichen Tiefe der Charakterisierung und genetischen Nachvollziehbarkeit wie Hefe ist das Bakterium Escherichia coli. Aufgrund der pathogenen Natur einiger E. coli-Stämme und ihrer fehlenden Geschichte in der menschlichen Nahrungskette ist E. coli jedoch wohl weniger als menschliche Nahrungsquelle geeignet.

An bestimmten außerirdischen Zielorten wie dem Mars können unverzichtbare Nährstoffe zur Unterstützung des mikrobiellen Wachstums, wie Kohlenstoff und Stickstoff, leicht verfügbar sein und aus der Umwelt gewonnen werden (durch In-situ-Ressourcennutzung)7,19. Bei Raumtransporten und an Zielorten, an denen essentielle mikrobielle Nährstoffe nicht zugänglich sind, könnten diese Ressourcen jedoch teilweise aus den von der Besatzung erzeugten Abfällen (über geschlossene Kreislaufsysteme) zurückgewonnen werden1.

Es wird geschätzt, dass ein durchschnittlicher Mensch etwa 8700 kJ Nahrung benötigt und etwa 740 Gramm Kohlendioxid (CO2) pro Tag ausstößt20. Wenn diese CO2-Menge dann verwendet werden könnte, um Mikroorganismen in Bioreaktoren mit einem Nährstoffgehalt von ~12,5 kJ pro Gramm Zellen13 und 0,2–0,5 g Zellen pro Gramm CO2 pro Tag21,22 zu züchten, dann wäre die gesamte verfügbare Energie von Mikrobielle Lebensmittel, die mit recyceltem CO2 angebaut werden, würden zwischen 1850 und 4625 kJ pro Person und Tag liegen. Die potenzielle Nutzung verschiedener Ein-Kohlenstoff-Quellen (C1) mithilfe des photoautotrophen oder chemoautotrophen Stoffwechsels in verschiedenen Mikroorganismen wurde kürzlich ausführlich behandelt13,23. Unter der Annahme, dass Abfall oder vor Ort verfügbares CO2 leicht aufgefangen und in einen Bioreaktor freigesetzt werden kann, gibt es zahlreiche Möglichkeiten, mikrobielle Nahrung direkt auf CO2 anzubauen oder CO2 zu flüssigen C1-Quellen wie Formiat oder Methanol zu reduzieren. Obwohl eine elektrochemische Reduktion von CO2 zu flüssigen Kohlenstoffverbindungen wie Formiat und Methanol möglich ist, ist diese Technologie aufgrund der geringen Umwandlungseffizienz und der hohen Energiekosten noch nicht ausgereift oder effizient24. Alternativ besteht eine ausgereiftere technologische Möglichkeit in der elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methanol in einem Prozess, der bereits auf der Erde von der Firma Carbon Recycling International kommerzialisiert wird. Angesichts der Tatsache, dass die Hefe Pichia pastoris effizient auf Methanol wachsen kann (Wachstumsrate von 0,15/h)25 und es Stämme von S. cerevisiae gibt, die effizient auf Ethanol wachsen können, das durch einen ähnlichen Prozess hergestellt wurde18, stellt die elektrochemische Reduktion von CO2 mit Wasserstoff eine Herausforderung dar vielversprechende Lösung für das Recycling von Abfallkohlenstoff zu Lebensmitteln in einer Raumfahrtumgebung. Sobald diese Probleme gelöst sind, könnte dieses Verfahren sehr attraktiv werden, da flüssige Kohlenstoffquellen einfacher zu lagern sind und in einem Bioreaktor leichter genutzt werden können.

Die größte Einschränkung von S. cerevisiae als Lebensmittelproduktionssystem ist der Bedarf an Zucker als Kohlenstoff- und Energiequelle. Angesichts der Tatsache, dass die Biomasseausbeute von Hefe etwa 0,5 g pro Gramm Glukose26 beträgt und Glukose selbst eine menschliche Nahrungsquelle ist, würde die Verwendung von Zuckerhefe die für den menschlichen Verzehr verfügbaren Gesamtkalorien verringern. Ein einfacher Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkung wäre die Entwicklung von Nahrungsmittelproduktionssystemen, in denen Hefen in Verbindung mit autotrophen Mikroorganismen verwendet werden. Die einfachste Konfiguration in diesem Paradigma wäre wahrscheinlich, dass S. cerevisiae auf Zuckern wächst, die aus der photosynthetischen CO2-Fermentation von Cyanobakterien oder der Biomasse von Cyanobakterien stammen27,28. Cyanobakterienstämme wurden zuvor so manipuliert, dass sie Zucker in das Wachstumsmedium absondern29, das einem zweiten Bioreaktor mit zuckerverwertenden Hefen zugeführt oder sogar im selben Gefäß über ein Co-Kultursystem genutzt werden könnte. Darüber hinaus könnte jegliches durch den Hefestoffwechsel erzeugte CO2 theoretisch den Cyanobakterien wieder zugeführt werden. Alternativ könnte die C1-Assimilation möglicherweise direkt in S. cerevisiae gesteuert werden, wodurch die Notwendigkeit autotropher Partner entfällt (Abb. 1).

Jüngste Fortschritte haben die funktionelle Integration autotropher kohlenstofffixierender Enzyme in S. cerevisiae30,31 ermöglicht und es der Hefe P. pastoris und E. coli ermöglicht, direkt auf CO2 zu wachsen, wobei die Reduktionskraft durch das C1-Substratformiat in E. coli bereitgestellt wird32, 33. C1-Substrate wie Formiat und Methanol können auch als Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Nahrungsmittelproduktion im Weltraum dienen, da sie mithilfe zusätzlicher Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die immer kostengünstiger und effizienter werden, leicht aus CO2 gewonnen werden können34. Diese Fortschritte machen die jüngste Technik der Formiat-35- und Methanolnutzung in S. cerevisiae21,22,36 für die mikrobielle Nahrungsmittelproduktion im Weltraum relevant. Während die Wachstumsraten und Biomasseausbeuten dieser synthetischen C1-verwendenden Systeme noch lange nicht optimal sind und weiterhin Co-Substrate erforderlich sind, ist es unvermeidlich, dass sie mithilfe der Werkzeuge der Laborevolution, der synthetischen Biologie und der Systembiologie verbessert werden. Obwohl S. cerevisiae-Stämme mit synthetischen C1-Fixierungswegen möglicherweise die ultimative Lösung für künstlich hergestellte mikrobielle Lebensmittel sind, würde der unmittelbarere Einsatz von Abfall-C1-verwertenden Mikroben im Weltraum oder auf der Erde die Verwendung natürlich vorkommender Autotropher wie hydrotropher, methanotropher, oder photosynthetische Mikroorganismen, die kürzlich behandelt wurden1,23,27,28,37.

Mikroorganismen benötigen neben Kohlenstoff auch eine Stickstoffquelle. Die erforderliche Stickstoffmenge in mikrobiellen Wachstumsmedien ist vom Gewicht her oft mit Kohlenstoff vergleichbar, was sie zu einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt für langfristige Weltraumvorhaben und das Ressourcenrecycling macht. Menschlicher Urin ist eine potenzielle Quelle für Abfallstickstoff, der für die mikrobielle Fermentation verwendet werden könnte, da er hohe Harnstoffkonzentrationen (~10 g/L) aufweist. Harnstoff ist eine leicht assimilierbare Stickstoffquelle für viele Mikroorganismen, einschließlich Hefe38. Die Hefe Yarrowia lipolytica wurde sowohl auf synthetischem als auch auf natürlichem Urin erfolgreich gezüchtet39. Obwohl S. cerevisiae Harnstoff als einzige Stickstoffquelle nutzen kann, konnten wir keine Berichte über sein Wachstum im Urin finden. Angesichts der Ähnlichkeit des Stickstoffstoffwechsels mit Y. lipolytica ist es jedoch wahrscheinlich, dass das Wachstum von S. cerevisiae im urinbasierten Medium unterstützt werden kann. Neben Harnstoff enthält menschlicher Urin weitere Bestandteile wie Phosphate und Salze, die Teil eines normalen mikrobiellen Wachstumsmediums sind, weshalb sich seine Verwendung besonders gut zur Unterstützung der mikrobiellen Lebensmittelproduktion eignet.

Es ist erwähnenswert, dass die Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abfällen zur Unterstützung des mikrobiellen Wachstums zwar machbar ist, biotechnische Abfallverwertungssysteme jedoch immer mit inhärenten biologischen Ineffizienzen und den damit verbundenen Energiekosten einhergehen. Darüber hinaus ist es wichtig anzuerkennen, dass das Recycling von Abfällen durch synthetische Mikroorganismen zwar theoretisch eine Weltraummission verlängern, das Startgewicht reduzieren oder eine Notversorgung mit Nahrungsmitteln gewährleisten könnte, dies jedoch nicht auf unbestimmte Zeit möglich wäre, da es zu nicht behebbaren Nährstoff- und Kohlenstoffverlusten kommen würde jeder Recyclingstufe.

Die aktuellen Fähigkeiten der synthetischen Biologie ermöglichen nicht nur eine veränderte Nutzung von Kohlenstoffquellen, sondern ermöglichen auch die Entwicklung mehrerer Merkmale zur Verbesserung der Ernährung und Sinneswahrnehmung von S. cerevisiae, um es für die Produktion essbarer mikrobieller Biomasse wiederzuverwenden. Wir gehen davon aus, dass eine Sammlung von Hefestämmen, die für eine optimale Ernährung und eine Reihe von Texturen, Geschmacksrichtungen, Aromen und Farben entwickelt wurden, dazu beitragen würde, eine gesunde Ernährung aufrechtzuerhalten und die Anpassung von Lebensmitteln an individuelle Vorlieben zu ermöglichen, um die Lebensmittelakzeptanz zu erhöhen und Ermüdungserscheinungen auf der Speisekarte vorzubeugen, was eine große Herausforderung für den Platz darstellt Lebensmittelsysteme3. Eine solche Hefesammlung könnte luftgetrocknet konserviert werden (Lufttrocknung maximiert nachweislich die langfristige Lebensfähigkeit der Hefezellen im Weltraum40), ohne dass eine Kühlung erforderlich wäre, und würde Größe und Gewicht minimieren, was für Transport- und Lagerungszwecke praktisch wäre. Ausgewählte Hefestämme, die in mikrobiellen Bioreaktoren auf C1-Quellen oder durch Photosynthese gewonnenen Zuckern gezüchtet werden, könnten bei Bedarf schnell essbare Biomasse für den menschlichen Verzehr erzeugen (Abb. 1).

Viele Stämme der vorgeschlagenen Hefesammlung könnten durch Knockouts nativer Gene und das Hinzufügen einer relativ kleinen Anzahl heterologer Gene erzeugt werden. Allerdings kann es mit klassischen gentechnischen Ansätzen schwierig sein, mehrere genetische Wege zu entwickeln, die viele Gene umfassen, und diese in einer minimalen Anzahl von Hefestämmen zu konsolidieren. Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden, wäre die Kombination zahlreicher genetischer Signalwege von Interesse in synthetischen Neochromosomen41,42, die darauf ausgelegt sind, viele neue Ernährungsmerkmale gleichzeitig in Hefen zu implementieren (Abb. 1). Wir stellen uns diese ernährungsspezifischen Neochromosomen als vielseitige Plattformen vor, auf denen je nach den Eigenschaften des gewünschten Stamms genetische Pfade für unterschiedliche Texturen, Geschmäcker, Gerüche, Pigmente und Nährstoffe als Module hinzugefügt werden könnten. Die Gestaltung dieser Multi-Gen-Module als „synthetische eukaryontische Operons“ (z. B. unter Nutzung polycistronischer Konstrukte auf der Basis von 2A-Peptid- oder Tabak-Etch-Virus-Protease43,44) würde eine Minimierung der Neochromosomengrößen ermöglichen und ihre Konstruktion durch eine drastische Reduzierung der Anzahl von Promotoren und Terminatoren vereinfachen erforderlich.

Wir gehen auch davon aus, dass die Stammtechnik in die Entwicklung intelligenter Bioreaktoren integriert werden könnte, die in der Lage sind, die Eigenschaften der Hefebiomasse durch Anpassung der Kulturbedingungen und der Zellphysiologie dynamisch zu steuern45,46. Durch den Einsatz von Ansätzen der synthetischen Biologie wie Biosensoren, Optogenetik und Elektrogenetik könnten diese Bioreaktoren so programmiert werden, dass sie die Expression bestimmter Gene steuern, um die sensorischen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Hefe anzupassen und bei Bedarf essbare mikrobielle Biomasse zu produzieren, die auf spezifische Anforderungen zugeschnitten ist (Abb. 1). Um potenzielle Wachstumseinbußen abzumildern, die sich aus einer Stoffwechselbelastung ergeben, die durch die Aktivität manipulierter Stoffwechselwege verursacht wird, könnte Hefe nur dann bis zur optimalen Zelldichte gezüchtet werden, um vor der Biomasseernte die Expression von Nahrungsattributen vermittelnden Stoffwechselwegen zu induzieren. Sobald die gewünschte Zelldichte erreicht ist, könnte die Hefebiomasse außerdem in separate Chargen aufgeteilt werden, von denen jede bestimmte Eigenschaften aufweist, um ein abwechslungsreiches Menü (z. B. verschiedene Mahlzeiten zum Frühstück, Mittag- und Abendessen) und die Zubereitung aufwändiger Multi-Mahlzeiten zu ermöglichen. Komponentennahrung (z. B. eine Schichttorte, ein Burger).

Wie oben erläutert, ist Hefe eine nahrhafte Nahrungsquelle für den Menschen und wird seit Tausenden von Jahren in Lebensmitteln und Getränken verzehrt. Während ungewiss ist, inwieweit eine gesunde menschliche Ernährung aus Hefe bestehen kann, wurden Milchkühe mit Diäten mit bis zu 40 % flüssigen Hefezellen (11 % Trockenmasse) gefüttert, ohne dass es zu negativen Auswirkungen auf die Leistung oder die Gesundheit kam47. Hier schlagen wir vor, dass der Nährwert von Hefe weiter gesteigert werden könnte, um mikrobielle Lebensmittel für eine optimale menschliche Ernährung zu entwickeln (Abb. 1).

Einer der offensichtlichsten Mängel im Ernährungsprofil von S. cerevisiae ist sein relativ geringer Lipidgehalt (∼1,5 %)13. Eine gesunde menschliche Ernährung erfordert etwa 20–35 % Fette, was bedeutet, dass das Stoffwechselprofil von S. cerevisiae geändert werden müsste, um diesen Bedarf zu decken, wenn es einen wesentlichen Teil der menschlichen Ernährung ausmachen würde. Bei der Erhöhung des Lipidgehalts von S. cerevisiae wurden erhebliche Fortschritte erzielt, indem adaptive Laborevolution mit metabolischem Engineering kombiniert wurde, um Hefe mit hohem Fettsäuregehalt zu entwickeln48. Diese und andere Strategien könnten eingesetzt werden, um zum Mundgefühl mikrobieller Nahrung und zu einer ausgewogenen Ernährung beizutragen, einschließlich der Bereitstellung ausreichender Mengen essentieller (z. B. Linolsäure und Alpha-Linolensäure49) und gesundheitsfördernder (z. B. Omega-3). Fettsäuren50,51) Fette. Alternativ könnten mikrobielle Arten, die auf natürliche Weise Lipide anreichern, wie die Ölhefe Y. lipolytica, die auch in großem Umfang für die kommerzielle Produktion von Lebensmitteln52 verwendet wird, zur Erhöhung der Nahrungsfette eingesetzt werden. Das Trockengewicht von Y. lipolytica kann zu etwa 50 % aus Lipiden bestehen53, und viele moderne Werkzeuge der synthetischen Biologie stehen zur Verfügung, um die Stoffwechselmanipulation zu erleichtern52.

Hefe wurde erfolgreich entwickelt, um viele Nutraceuticals54 und essentielle Nährstoffe zu produzieren, die der Mensch über die Nahrung aufnehmen muss, darunter Vitamin A55, Vitamin C56 und 7-Dehydrocholesterin, das in der Haut durch ultraviolettes (UV) Licht direkt in Vitamin D3 umgewandelt wird Belichtung57. Die Hefeproduktion anderer essentieller Vitamine – wie der Vitamine B, E und K – ist noch nicht vollständig erreicht, aber jüngste Forschungsfortschritte auf diesem Gebiet deuten darauf hin, dass dies in absehbarer Zukunft erreicht werden könnte58. Bis die Hefeproduktion aller essentiellen und gewünschten menschlichen Nährstoffe in ausreichenden Mengen Realität wird, könnten andere natürliche oder gentechnisch veränderte Mikroorganismen, die diese bereits synthetisieren58, zur Ergänzung der Hefebiomasse verwendet werden, um mikrobielle Nahrung für eine optimale Ernährung zu formulieren.

Wenn wir mikrobielle Lebensmittel entwickeln wollen, ist es neben der Erfüllung der menschlichen Ernährungsbedürfnisse von entscheidender Bedeutung, dass essbare mikrobielle Biomasse auch die Produktion ansprechender Lebensmittel ermöglicht. In diesem Abschnitt diskutieren wir die Biotechnik der sensorischen Eigenschaften von Lebensmitteln in Mikroorganismen (Abb. 1).

Die Geschmacks- und Geruchsempfindungen von Lebensmitteln sind eng miteinander verbunden und entscheidend für unseren Genuss beim Essen. Daher wäre die Entwicklung von Mikroorganismen zur Bereitstellung eines Repertoires an Lebensmittelaromen und -gerüchen von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung mikrobieller Lebensmittel. Passenderweise haben weit verbreitete Anwendungen in der Lebensmittel-, Futtermittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie zu erheblichen Fortschritten bei der Erzeugung von Geschmacks- und Duftstoffen in mehreren Hefen geführt59,60,61. Beispiele reichen von Fruchtdüften wie S. cerevisiae, die so manipuliert wurden, dass sie ein Keton produzieren, das Himbeeraroma verleiht62, über Aromastoffe wie Vanillin – den Hauptbestandteil des natürlichen Vanillegeschmacks – der in S. cerevisiae und Schizosaccharomyces pombe63 produziert wird, bis hin zu Fleischgeschmack und -aroma durch die Produktion von Soja-Leghämoglobin in P. pastoris64.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Lebensmitteln ist die Textur, die in hohem Maße von der Zusammensetzung und Struktur bestimmt wird. Daher wird die Entwicklung von S. cerevisiae auf eine Weise, die Texturelemente liefern kann, ein wichtiger Aspekt für die Entwicklung hefebasierter Lebensmittel sein. Mehrere Moleküle, die hierfür genutzt werden könnten, wurden bereits rekombinant in Mikroben hergestellt. Beispiele hierfür sind Zellulose und Stärke, die wichtige Struktur- und Strukturbestandteile von Pflanzenmaterial sind, sowie Kollagen und Gelatine, die als Strukturmittel in Lebensmitteln wie Joghurt und Marshmallows verwendet werden65,66,67. Darüber hinaus wurden, wie oben erwähnt, auch verschiedene Ansätze erfolgreich umgesetzt, um den Lipidgehalt von Hefe zu verändern48. Lipide tragen nicht nur zum Nährwert und Geschmack von Lebensmitteln bei, sondern auch zur Textur. Daher könnte eine Veränderung des Lipidgehalts der Hefe auch dazu dienen, die Textureigenschaften hefebasierter Lebensmittelprodukte zu verändern. Schließlich gibt es ein Repertoire an biologischen Verbindungen wie Pektin, Lecithin, Transglutaminasen und Xanthangummi, die möglicherweise genutzt werden könnten, um zusätzliche Texturmanipulationen in mikrobiellen Lebensmitteln zu erreichen.

Farbe ist auch ein wichtiges sensorisches Merkmal von Lebensmitteln, und viele mikrobiell gewonnene Pigmente werden häufig als Farbstoffe verwendet, um Lebensmittel attraktiver zu machen68. Somit könnte eine künstliche Pigmentierung eingesetzt werden, um die optische Attraktivität mikrobieller Lebensmittel zu verbessern. Während Hefe normalerweise weißlich-beigefarben ist, können durch genetische Manipulation sehr unterschiedlich gefärbte Hefestämme erzeugt werden. Beispielsweise können Carotinoid-Gene verwendet werden, um Farben im gelben bis roten Bereich zu verleihen, während der Violacein-Weg und Gene von Bakterien und Korallen verwendet werden können, um violette, grüne, blaue und magentafarbene Farbtöne zu verleihen69,70,71,72. Die Verwendung von Genen für Chromoproteinvarianten erweitert die Möglichkeiten zur Manipulation vieler verschiedener Pigmentierungen weiter73.

Der einfachste Weg, mikrobielle Biomasse in Lebensmittelqualität zu konsumieren, könnte wahrscheinlich als flüssiges oder püriertes homogenes Lebensmittel oder in Form fester Lebensmittelprodukte wie Nudeln oder Snackriegel sein. Allerdings ermöglichen 3D-Lebensmitteldrucktechnologien die Herstellung komplexerer Lebensmittel im Hinblick auf sensorische Eigenschaften und die Schaffung ästhetisch ansprechender individueller Mahlzeiten74. Daher könnte die Entwicklung von 3D-Druckmethoden für mikrobielle Zellen die Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher, ansprechender Lebensmittel aus mikrobieller Biomasse ermöglichen. Dieser Ansatz könnte auch eine maximale Lebensmittelproduktion bei minimalem Abfall ermöglichen, da die gesamte aus Bioreaktoren geerntete essbare mikrobielle Biomasse möglicherweise zum Drucken von Lebensmitteln verwendet werden könnte.

Eine Technologie für den 3D-Druck in der Schwerelosigkeit wird derzeit entwickelt75 und wäre ein leistungsstarker Ansatz, der in Verbindung mit der sensorischen Biotechnik von Mikroorganismen zur Herstellung von Lebensmitteln mit einem vollständig maßgeschneiderten Design genutzt werden könnte. Wir stellen uns beispielsweise vor, dass mikrobielle Zellen mit unterschiedlichen sensorischen Profilen in 3D gedruckt werden könnten, um die Textur und das Aussehen von Gemüse oder Fleisch nachzuahmen oder um neue Lebensmittelprodukte mit gestalteten Formen herzustellen, die mehrere Arten von Texturen und verschiedene Geschmacksrichtungen kombinieren (Abb. 1).

Ein äußerst wichtiger Aspekt zukünftiger langfristiger bemannter Raumfahrtunternehmen wird die Entwicklung neuer Ansätze sein, die eine nachhaltige Nahrungsmittelproduktion außerhalb der Erde ermöglichen. In diesem Zusammenhang haben wir die Biotechnik von Mikroorganismen zur Entwicklung mikrobieller Lebensmittel in Betracht gezogen. Wir argumentieren, dass die Hefen, insbesondere S. cerevisiae, Vorteile bieten, die es attraktiv machen, sie zu einer grundlegenden mikrobiellen Plattform für die Entwicklung eines vollständigen Lebensmittelproduktionssystems umzuwandeln. Auch wenn nach wie vor immense Hürden bestehen, bieten Ansätze der synthetischen Biologie eine Möglichkeit, die natürlichen Einschränkungen der Hefe zu überwinden und ihr, wie oben erläutert, maßgeschneiderte sensorische und ernährungsphysiologische Eigenschaften zu verleihen. Fortschritte in unserer Fähigkeit, andere Mikroorganismen (z. B. Cyanobakterien) und selbstreplizierende synthetische Zellen, die so programmiert werden können, dass sie ausschließlich bestimmte Verbindungen synthetisieren, gründlich zu entwickeln, würden es uns schließlich ermöglichen, das Repertoire an Zellplattformen für die Herstellung neuartiger Lebensmittelprodukte zu erweitern. Diese Vision erfordert auch Fortschritte in der technischen Infrastruktur für das mikrobielle Wachstum (z. B. Mikrogravitationsbedingungen erfordern möglicherweise die Entwicklung spezifischer Bioreaktordesigns und Medienzusammensetzungen) und der Verarbeitung (z. B. erfordert der Verbrauch mikrobieller Biomasse möglicherweise eine Reduzierung des Nukleinsäuregehalts, da bei zu hohen Konzentrationen ihre Katabolismus beim Menschen führt zur Ansammlung von Harnsäure, die gichtähnliche Symptome hervorrufen kann13), sowie zu Druckvorgängen, die mit der Biologie interagieren und einen geringen Masse- und Energie-Fußabdruck haben. Bemerkenswert ist, dass mikrobielle Lebensmittelproduktionssysteme nicht von Risiken ausgenommen sein werden, die die Ernährungssicherheit gefährden könnten, wie z. B. Bioreaktorversagen, Kontamination und Instabilität biotechnologisch hergestellter Merkmale. Diese Risiken könnten durch die Implementierung von Reserve-Mikrobenbeständen und -Infrastruktur gemindert werden, und es ist wichtig zu beachten, dass vergleichbare Herausforderungen wahrscheinlich für jedes Lebensmittelproduktionssystem gelten werden. Experimente an Bord der Internationalen Raumstation und geplante bemannte Missionen zum Mond und zum Mars in den nächsten drei Jahrzehnten1 bieten die Möglichkeit, Prototypen zu erstellen und die erforderlichen Technologien zu optimieren, damit sie ausgereift und für die Unterstützung einer langfristigen menschlichen Präsenz im Weltraum geeignet sind.

Über ihr Potenzial hinaus, erweiterte menschliche Bemühungen im Weltraum zu unterstützen, könnten biotechnologisch hergestellte mikrobielle Lebensmittel auch Möglichkeiten zur Verbesserung der globalen Ernährungssicherheit eröffnen und unmittelbare Auswirkungen auf die Lebensmittelindustrie der Erde haben. Das globale Bevölkerungswachstum und der damit verbundene steigende Bedarf an Nahrungsmitteln sowie die Notwendigkeit, die negativen Umweltauswirkungen der modernen Landwirtschaft zu reduzieren, deuten darauf hin, dass radikale Innovationen erforderlich sein werden, um in den kommenden Jahrzehnten nachhaltige Ernährungssicherheit zu erreichen. Neben einer neuen Generation von Nutzpflanzen mit erhöhter Produktivität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltbelastungen birgt die Entwicklung mikrobieller Lebensmittel ein enormes Potenzial zur Bewältigung dieser Herausforderungen. Der hier vorgestellte Ansatz könnte in der Lebensmittelherstellung, im Lebensmittelservice und im Catering sowie im Lebensmitteleinzelhandel Anwendung finden, aber auch die Selbstversorgung in Gebieten mit unzureichender Infrastruktur oder in Gebieten mit Bedarf an Nothilfe verbessern, wenn lokale Lebensmittelproduktionskapazitäten oder die Verfügbarkeit externer Lebensmittelquellen vorhanden sind beeinträchtigt ist (z. B. bei Krisen, Konflikten, an abgelegenen Orten). Angesichts der kulturellen Bedeutung von Nahrungsmitteln und der Tatsache, dass sie vom Körper aufgenommen werden, wird die Entwicklung mikrobieller Nahrungsmittel wahrscheinlich von Konservatismus und einer hohen Portion Skepsis begleitet sein. Allerdings gewinnt die Verwendung von Mikroben für die industrielle Herstellung von Futter- und Lebensmittelprodukten an Bedeutung37,76 und der Tag könnte bald kommen, an dem Supermärkte und Restaurants mikrobielle Lebensmittelprodukte anbieten und Küchenbioreaktoren und mikrobielle 3D-Lebensmitteldrucker zu Hause alltäglich sind Haushaltsgeräte.

Berliner, AJ et al. Auf dem Weg zu einer Biofabrik auf dem Mars. Vorderseite. Astron-Weltraumwissenschaft. 8, 711550 (2021). Dieser Artikel stellt eine umfassende Studie zur Entwicklung einer nachhaltigen Bioproduktion für ausgedehnte menschliche Operationen auf dem Mars vor.

Artikel Google Scholar

Berliner, AJ et al. Weltraum-Bioverfahrenstechnik am Horizont. Komm. Ing. 1, 13 (2022).

Douglas, GL, Zwart, SR & Smith, SM Denkanstöße zum Weltraum: Herausforderungen und Überlegungen zu Nahrungsmitteln und Ernährung auf Erkundungsmissionen. J. Nutr. 150, 2242–2244 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Montague, M. et al. Die Rolle der synthetischen Biologie für die In-situ-Ressourcennutzung (ISRU). Astrobiology 12, 1135–1142 (2012).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Nangle, SN et al. Ein Argument für Biotechnologie auf dem Mars. Nat. Biotechnologie. 38, 401–407 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Llorente, B., Williams, TC & Goold, HD Die multiplanetare Zukunft der synthetischen Pflanzenbiologie. Gene 9, 348 (2018). Die Autoren diskutieren den Einsatz von Ansätzen der synthetischen Biologie, um Pflanzen optimal zu nutzen und zur Unterstützung menschlicher Unternehmungen außerhalb der Erde beizutragen.

Artikel PubMed Central Google Scholar

Menezes, AA, Cumbers, J., Hogan, JA & Arkin, AP Auf dem Weg zu synthetischen biologischen Ansätzen zur Ressourcennutzung bei Weltraummissionen. JR Soc. Schnittstelle 12, 20140715 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Way, JC, Silver, PA & Howard, RJ Sonnengesteuerte mikrobielle Synthese von Chemikalien im Weltraum. Int. J. Astrobiol. 10, 359–364 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Cannon, KM & Britt, DT Eine Million Menschen auf dem Mars ernähren. N. Space 7, 245–254 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Hader, DP Auf dem Weg zu marsgegeißelten Algen in bioregenerativen Lebenserhaltungssystemen unter Mikrogravitationsbedingungen. Vorderseite. Pflanzenwissenschaft. 10, 1621 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Choi, KR, Yu, HE & Lee, SY Mikrobielle Nahrung: Mikroorganismen, die für unsere Nahrung umfunktioniert werden. Mikro. Biotechnologie. 15, 18–25 (2022). In diesem Artikel geht es um die Umnutzung von Mikroorganismen als Lebensmittel und um einen Vergleich der Umweltauswirkungen und Ernährungseigenschaften der mikrobiellen, tierischen und pflanzlichen Biomasseproduktion.

Artikel Google Scholar

Sun, L., Xin, F. & Alper, HS Biosynthese von Lebensmittelzusatzstoffen und Farbstoffen – ein wachsender Trend bei Lebensmitteln der Zukunft. Biotechnologie. Adv. 47, 107694 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Linder, T. Plädoyer für essbare Mikroorganismen als integralen Bestandteil eines nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Lebensmittelproduktionssystems. Ernährungssicherheit 11, 265–278 (2019). In dieser Übersicht werden die Herausforderungen und potenziellen Auswirkungen mikrobieller Lebensmittel auf die Umweltverträglichkeit und Ernährungssicherheit zusammengefasst. Grundlegende Nährwerteigenschaften mikrobieller Lebensmittel werden auch mit denen anderer Lebensmittel verglichen.

Artikel Google Scholar

Samuel, D. Untersuchung altägyptischer Back- und Braumethoden mittels korrelativer Mikroskopie. Science 273, 488–490 (1996).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Onofre, SB, Bertoldo, IC, Abatti, D. & Refosco, D. Chemische Zusammensetzung der Biomasse von Saccharomyces cerevisiae – (Meyen ex EC Hansen, 1883) Hefe, die aus dem Bierherstellungsprozess gewonnen wird. Int. J. Umgebung. Agrarbiotechnologie. 2, 558–562 (2017).

Google Scholar

Nielsen, J. Hefesystembiologie: Modellorganismus und Zellfabrik. Biotechnologie. J. 14, e1800421 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Purevdorj-Gage, B., Sheehan, KB & Hyman, LE Auswirkungen der modellierten Mikrogravitation mit geringer Scherung auf Zellfunktion, Genexpression und Phänotyp in Saccharomyces cerevisiae. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 72, 4569–457 (2006).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bell, PJL et al. Ein elektromikrobieller Prozess zur Entkopplung der Nahrungsmittelproduktion von der Photosynthese für den Einsatz in der Weltraumforschung. Leben 12, 1002 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Stern, JC et al. Hinweise auf einheimischen Stickstoff in sedimentären und äolischen Ablagerungen aus den Untersuchungen des Rovers Curiosity am Gale-Krater auf dem Mars. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 112, 4245–4250 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Meerman, R. & Brown, AJ Wenn jemand Gewicht verliert, wohin geht das Fett? BMJ 349, g7257 (2014).

Artikel PubMed Google Scholar

Dai, Z. et al. Stoffwechselaufbaustrategien für die direkte Methanolverwertung in Saccharomyces cerevisiae. Bioresour. Technol. 245, 1407–1412 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Espinosa, MI et al. Adaptive Laborentwicklung der nativen Methanolassimilation in Saccharomyces cerevisiae. Nat. Komm. 11, 5564 (2020). Der methylotrophe Stoffwechsel ermöglicht das Wachstum auf Methanol, einer Ein-Kohlenstoff-Alternative zur Zuckergärung. Hier nutzen die Autoren die adaptive Laborevolution, um die native Methylotrophiekapazität der Hefe Saccharomyces cerevisiae aufzudecken.

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Averesch, NJ Wahl eines mikrobiellen Systems zur In-situ-Ressourcennutzung auf dem Mars. Vorderseite. Astron-Weltraumwissenschaft. 8, 700370 (2021).

Artikel Google Scholar

Somoza-Tornos, A., Guerra, OJ, Crow, AM, Smith, WA & Hodge, BM Prozessmodellierung, technisch-ökonomische Bewertung und Lebenszyklusbewertung der elektrochemischen Reduktion von CO2: eine Übersicht. iScience 24, 102813 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Looser, V. et al. Anbaustrategien zur Steigerung der Produktivität von Pichia pastoris: ein Rückblick. Biotechnologie. Adv. 33, 1177–1193 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Verduyn, C. Physiologie von Hefen in Bezug auf Biomasseerträge. Antonie Leeuwenhoek 60, 325–353 (1991).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Verseux, C. et al. Nachhaltige Lebenserhaltung auf dem Mars – die möglichen Rollen von Cyanobakterien. Int. J. Astrobiol. 15, 65–92 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Verseux, C. et al. Eine Niederdruck-N2/CO2-Atmosphäre eignet sich für auf Cyanobakterien basierende Lebenserhaltungssysteme auf dem Mars. Vorderseite. Mikrobiol. 12, 611798 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Ducat, DC, Avelar-Rivas, JA, Way, JC & Silver, PA Umleitung des Kohlenstoffflusses zur Steigerung der Photosyntheseproduktivität. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 78, 2660–2668 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Guadalupe-Medina, V. et al. Die Kohlendioxidfixierung durch Calvin-Cycle-Enzyme verbessert die Ethanolausbeute in Hefe. Biotechnologie. Biokraftstoffe 6, 125 (2013).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Papapetridis, I. et al. Optimierung der anaeroben Wachstumsrate und der Fermentationskinetik in Saccharomyces cerevisiae-Stämmen, die Calvin-Zyklus-Enzyme exprimieren, für eine verbesserte Ethanolausbeute. Biotechnologie. Biokraftstoffe 11, 17 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Gassler, T. et al. Die Industriehefe Pichia pastoris wird von einem Heterotrophen in ein Autotrophes umgewandelt, das auf CO2 wachsen kann. Nat. Biotechnologie. 38, 210–216 (2020). Die Autoren haben den Stoffwechsel der Hefe Pichia pastoris so manipuliert, dass sie als autotropher Organismus mit CO2 als einziger Kohlenstoffquelle wachsen kann.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gleizer, S. et al. Umwandlung von Escherichia coli zur Erzeugung des gesamten Biomassekohlenstoffs aus CO2. Zelle 179, 1255–1263 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fabarius, JT, Wegat, V., Roth, A. & Sieber, V. Synthetische Methylotrophie in Hefen: Auf dem Weg zu einer zirkulären Bioökonomie. Trends Biotechnologie. 39, 348–358 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gonzalez de la Cruz, J., Machens, F., Messerschmidt, K. & Bar-Even, A. Kernkatalyse des reduktiven Glycinwegs in Hefe demonstriert. ACS Synth. Biol. 8, 911–917 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Espinosa, MI, Williams, TC, Pretorius, IS & Paulsen, IT Benchmarking zweier Saccharomyces cerevisiae-Laborstämme hinsichtlich Wachstum und Transkriptionsreaktion auf Methanol. Synth. Syst. Biotechnologie. 4, 180–188 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Marcellin, E., Angenent, LT, Nielsen, LK & Molitor, B. Recycling von Kohlenstoff für eine nachhaltige Proteinproduktion mittels Gasfermentation. Curr. Meinung. Biotechnologie. 76, 102723 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Godard, P. et al. Einfluss von 21 verschiedenen Stickstoffquellen auf die globale Genexpression in der Hefe Saccharomyces cerevisiae. Mol. Zellbiol. 27, 3065–3086 (2007).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Brabender, M., Hussain, MS, Rodriguez, G. & Blenner, MA Harnstoff und Urin sind eine brauchbare und kostengünstige Stickstoffquelle für die Biomasse und Lipidakkumulation von Yarrowia lipolytica. Appl. Mikrobiol. Biotechnologie. 102, 2313–2322 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Santa Maria, SR, Marina, DB, Tieze, SM, Liddell, LC & Bhattacharya, S. BioSentinel: Langzeitkonservierung von Saccharomyces cerevisiae für eine Biosensormission im Weltraum. Astrobiology 20, 1–14 (2020).

Postma, ED et al. Modulare, synthetische Chromosomen als neue Werkzeuge für die groß angelegte Veränderung des Stoffwechsels. Metab. Ing. 72, 1–13 (2022). Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung synthetischer Neochromosomen mit modularem Aufbau als Plattformen zur Neuprogrammierung des Hefestoffwechsels und zur Installation neuer Funktionalitäten.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kutyna, DR et al. Konstruktion eines synthetischen Pangenom-Neochromosoms von Saccharomyces cerevisiae. Nat. Komm. 13, 3628 (2022). Diese Arbeit demonstriert das Konzept der Verwendung synthetischer Neochromosomen, um Hefe phänotypische Plastizität zu verleihen, einschließlich der Erweiterung des Spektrums nutzbarer Kohlenstoffquellen.

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Beekwilder, J. et al. Polycistronische Expression eines Beta-Carotin-Biosynthesewegs in Saccharomyces cerevisiae gekoppelt mit der Beta-Ionon-Produktion. J. Biotechnologie. 192 Pt B, 383–392 (2014).

Artikel PubMed Google Scholar

Majer, E., Llorente, B., Rodriguez-Concepcion, M. & Daros, JA Neuverdrahtung der Carotinoid-Biosynthese in Pflanzen mithilfe eines viralen Vektors. Wissenschaft. Rep. 7, 41645 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dixon, TA, Williams, TC und Pretorius, IS Spüren die Zukunft der Bioinformationstechnik. Nat. Komm. 12, 388 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Walker, RSK & Pretorius, IS Synthetische Biologie zur Entwicklung komplexer Weinhefegemeinschaften. Nat. Essen 3, 249–254 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Besong, S., Jackson, JA, Hicks, CL & Hemken, RW Auswirkungen eines ergänzenden flüssigen Hefeprodukts auf Futteraufnahme, Pansenprofile sowie Ertrag, Zusammensetzung und organoleptische Eigenschaften der Milch von laktierenden Holstein-Kühen. J. Dairy Sci. 79, 1654–1658 (1996).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yu, T. et al. Neuprogrammierung des Hefestoffwechsels von der alkoholischen Gärung bis zur Lipogenese. Zelle 174, 1549–1558.e1514 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yazawa, H., Iwahashi, H., Kamisaka, Y., Kimura, K. & Uemura, H. Verbesserung der Synthese mehrfach ungesättigter Fettsäuren durch die Koexpression von CYB5 mit Desaturasegenen in Saccharomyces cerevisiae. Appl. Mikrobiol. Biotechnologie. 87, 2185–2193 (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tavares, S. et al. Stoffwechseltechnisches Engineering von Saccharomyces cerevisiae zur Produktion von Eicosapentaensäure unter Verwendung einer neuartigen Delta-5-Desaturase aus Paramecium tetraurelia. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 77, 1854–1861 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Qiu, X., Hong, H. & MacKenzie, SL Identifizierung einer Delta-4-Fettsäure-Desaturase aus Thraustochytrium sp. beteiligt an der Biosynthese von Docosahexansäure durch heterologe Expression in Saccharomyces cerevisiae und Brassica juncea. J. Biol. Chem. 276, 31561–31566 (2001).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Larroude, M., Rossignol, T., Nicaud, JM & Ledesma-Amaro, R. Werkzeuge der synthetischen Biologie für die Entwicklung von Yarrowia lipolytica. Biotechnologie. Adv. 36, 2150–2164 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Beopoulos, A. et al. Kontrolle der Lipidakkumulation in der Hefe Yarrowia lipolytica. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 74, 7779–7789 (2008).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yuan, SF & Alper, HS Stoffwechseltechnische Entwicklung mikrobieller Zellfabriken zur Herstellung von Nutrazeutika. Mikro. Zellfakt. 18, 46 (2019).

Artikel Google Scholar

Sun, L., Kwak, S. & Jin, YS Vitamin-A-Produktion durch gentechnisch veränderte Saccharomyces cerevisiae aus Xylose mittels zweiphasiger In-situ-Extraktion. ACS Synth. Biol. 8, 2131–2140 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Branduardi, P. et al. Die Biosynthese von Vitamin C durch Hefe führt zu einer erhöhten Stressresistenz. PLoS ONE 2, e1092 (2007).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Guo, XJ et al. Stoffwechselmanipulation von Saccharomyces cerevisiae zur Überproduktion von 7-Dehydrocholesterin. Biotechnologie. Biokraftstoffe 11, 192 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, Y., Liu, L., Jin, Z. & Zhang, D. Mikrobielle Zellfabriken für die umweltfreundliche Produktion von Vitaminen. Vorderseite. Bioeng. Biotechnologie. 9, 66156 (2021).

Google Scholar

van Wyk, N., Kroukamp, ​​H. & Pretorius, IS Der Geruch der synthetischen Biologie: technische Strategien für die Produktion von Aromastoffen in Hefe. Fermentation 4, 54 (2018).

Artikel Google Scholar

Kallscheuer, N., Classen, T., Drepper, T. & Marienhagen, J. Produktion pflanzlicher Metaboliten mit Anwendungen in der Lebensmittelindustrie unter Verwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen. Curr. Meinung. Biotechnologie. 56, 7–17 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Denby, CM et al. Industrielle Brauhefe, die für die Produktion primärer Geschmacksbestimmender in gehopftem Bier entwickelt wurde. Nat. Komm. 9, 965 (2018). Ein schönes Beispiel dafür, wie Metabolic Engineering die Produktion pflanzlicher Geschmacksmoleküle in Hefe ermöglichen kann.

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, D., Lloyd, ND, Pretorius, IS & Borneman, AR Heterologe Produktion von Himbeerketon in der Weinhefe Saccharomyces cerevisiae mittels Pathway Engineering und synthetischer Enzymfusion. Mikro. Zellfakt. 15, 49 (2016).

Artikel Google Scholar

Hansen, EH et al. De-novo-Biosynthese von Vanillin in Spalthefe (Schizosaccharomyces pombe) und Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae). Appl. Umgebung. Mikrobiol. 75, 2765–2774 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shankar, S. & Hoyt, MA Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten. Expressionskonstrukte und Methoden der gentechnischen Veränderung methylotropher Hefe (Hrsg. USPTO). USA-Patent (2020).

Dance, A. Das Tier aus tierischen Produkten erschaffen. Nat. Biotechnologie. 35, 704–707 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Buldum, G., Bismarck, A. & Mantalaris, A. Rekombinante Biosynthese bakterieller Cellulose in genetisch veränderten Escherichia coli. Bioprozess-Biosystem. Ing. 41, 265–279 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pfister, B. et al. Nachbildung der Synthese von Stärkekörnern in Hefe. Elife 5, e15552 (2016).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sen, T., Barrow, CJ & Deshmukh, SK Mikrobielle Pigmente in der Lebensmittelindustrie – Herausforderungen und der Weg nach vorne. Vorderseite. Nutr. 6, 7 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Keppler-Ross, S., Noffz, C. & Dean, N. Ein neuer violett fluoreszierender Farbmarker für genetische Studien an Saccharomyces cerevisiae und Candida albicans. Genetics 179, 705–710 (2008).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mitchell, LA et al. Vielseitiges genetisches Assemblierungssystem (VEGAS) zur Zusammenstellung von Expressionswegen in S. cerevisiae. Nukleinsäuren Res. 43, 6620–6630 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wehrs, M. et al. Die Produktionseffizienz des bakteriellen nicht-ribosomalen Peptids Indigoidin hängt vom respiratorischen Stoffwechselzustand in S. cerevisiae ab. Mikro. Zellfakt. 17, 193 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

DeLoache, WC, Russ, ZN & Dueber, JE Auf dem Weg zur Umnutzung des Hefeperoxisoms zur Kompartimentierung heterologer Stoffwechselwege. Nat. Komm. 7, 11152 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liljeruhm, J. et al. Entwicklung einer Palette eukaryotischer Chromoproteine ​​für die bakterielle synthetische Biologie. J. Biol. Ing. 12, 8 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sun, J., Peng, Z., Yan, L., Fuh, JY & Hong, GS 3D-Lebensmitteldruck – eine innovative Methode der Massenanpassung in der Lebensmittelherstellung. Int. J. Bioprinting 1, 27–38 (2015).

Google Scholar

Prater, T. et al. Demonstrationsmission zum 3D-Druck in der Null-G-Technologie: Vollständige experimentelle Ergebnisse und Zusammenfassung der damit verbundenen Materialmodellierungsbemühungen. Int. J. Adv. Hersteller Technol. 101, 391–417 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Banks, M., Johnson, R., Giver, L., Bryant, G. & Guo, M. Industrielle Produktion mikrobieller Proteinprodukte. Curr. Meinung. Biotechnologie. 75, 102707 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken Scott M. Smith (Direktion für menschliche Gesundheit und Leistung, NASA Johnson Space Center) und Nils JH Averesch (Stanford University und Center for the Utilization of Biological Engineering in Space) für wertvolle Diskussionen zum Manuskript. Externe Unterstützung für die Initiative zur synthetischen Biologie der Macquarie University wird von Bioplatforms Australia, dem leitenden Wissenschaftler und Ingenieur von New South Wales (NSW) und dem Department of Primary Industries der Regierung von New South Wales gewürdigt. Wir danken der australischen Regierung für die Finanzierung des von der Macquarie University geführten ARC Centre of Excellence for Synthetic Biology durch ihre Investitionsagentur, den Australian Research Council. BL wird von der Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9319, Zuschuss https://doi.org/10.37807/GBMF9319), dem ARC Centre of Excellence for Synthetic Biology, Twist Bioscience und der Allen Foundation unterstützt. Bronte Turner von Serpentine Studio dankt für die in den Figuren verwendeten Kunstwerke. Teile der Figur wurden mit BioRender.com erstellt. Wir entschuldigen uns bei den Kollegen, deren relevante Arbeit aus Platzgründen nicht zitiert wurde.

ARC Centre of Excellence in Synthetic Biology, Macquarie University, Sydney, NSW, 2109, Australien

Briardo Llorente, Thomas C. Williams, Hugh D. Goold, Isak S. Pretorius und Ian T. Paulsen

School of Natural Sciences, Macquarie University, Sydney, NSW, 2109, Australien

Briardo Llorente, Thomas C. Williams, Hugh D. Goold und Ian T. Paulsen

New South Wales Department of Primary Industries, Orange, NSW, 2800, Australien

Hugh D. Goold

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

BL konzipierte, entwickelte und leitete das Schreiben des Artikels. TCW, HDG, ISP und ITP halfen bei der Verfeinerung und Entwicklung des Konzepts, leisteten wichtige Beiträge und waren Mitautor einiger Abschnitte des Artikels.

Korrespondenz mit Briardo Llorente.

TCW ist Anteilseigner und Mitbegründer von Number 8 Bio Pty Ltd. Die übrigen Autoren geben an, keine konkurrierenden Interessen zu haben.

Nature Communications dankt Kevin Verstrepen und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Llorente, B., Williams, TC, Goold, HD et al. Nutzung biotechnologisch hergestellter Mikroben als vielseitige Plattform für die Weltraumernährung. Nat Commun 13, 6177 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33974-7

Zitat herunterladen

Eingegangen: 25. Februar 2022

Angenommen: 10. Oktober 2022

Veröffentlicht: 19. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-33974-7

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.