Возможно ли употребление пшеницы без глютена?

В условиях, когда непереносимость глютена и аллергия выявляются с каждым днем все чаще, возможно ли вывести сорта пшеницы с меньшим содержанием глютена? Современные технологии селекции, такие как РНК-интерференция (RNAi) и редактирование генов, могут стать предвестниками эры пшеницы без глютена.

Хлеб, макароны и печенье имеют одну общую черту — пшеницу.

Пшеница — основная сельскохозяйственная культура в большинстве стран мира, являющаяся важным источником крахмала, белка, витаминов и пищевых волокон.

Несмотря на ее незаменимость в нашем рационе, около 1-2% населения страдают непереносимостью пшеницы, точнее, глютена. Глютен — это название группы белков, содержащихся в пшенице. Фрагменты белка глютена распознаются иммунной системой людей с непереносимостью глютена, что приводит к воспалительной реакции в тонком кишечнике.

С ростом осведомленности о целиакии и других формах непереносимости глютена растет спрос на безглютеновые продукты питания. Ученые выясняют, можно ли вывести сорт пшеницы, в котором пептиды, вызывающие иммунную реакцию, были бы отключены, но при этом сохранялись бы тестообразующие свойства.

Можно ли использовать современные технологии селекции, такие как редактирование генов, для выведения "безглютеновой" пшеницы?

Что такое глютен?

Если разобрать зерно пшеницы на части, то можно увидеть, что оно состоит из внешнего слоя, называемого отрубями, зародыша и эндосперма, содержащего крахмал и белки. Эндосперм занимает примерно 90% зерна и на 8-15% состоит из белков-накопителей, из которых 80% приходится на глютен.

Глютены — это нерастворимые в воде белки, содержащиеся в эндосперме. Они способны поглощать воду в 2 раза больше своей сухой массы и превращаться в вязкую массу. Именно это свойство глютена делает его столь популярным в пищевой промышленности.

Глютен вездесущ в пище. Он присутствует не только во всех продуктах, изготовленных из пшеницы, таких как хлеб и лапша, но и используется в различных продуктах переработки, которые обычно не ассоциируются с пшеницей. Например, глютен добавляют в некоторые мясные продукты растительного происхождения (для придания им "жевательной текстуры"), фруктовые начинки в питательных батончиках, синтетические сыры, мягкие конфеты, салатные заправки, съедобные пленки для защиты продуктов и даже соевый соус.

Клейковина состоит из двух типов белков: глютенина и глиадина. Глютенин придает тесту эластичность, а глиадин — вязкость. Именно поэтому, когда вы замешиваете муку в воде, она становится тягучей и липкой, прилипая ко всему.

Из этих двух белков глиадин вызывает иммунную реакцию; α-глиадины приводят к самым сильным иммунным реакциям.

Пшеница не является однородным организмом. Существует несколько видов пшеницы, и они различаются по содержанию клейковины.

Например, в полбе содержание глиадина выше, а глютенина — ниже (соотношение глиадин/глютенин 3,5), чем в обычной хлебной пшенице (соотношение глиадин/глютенин 2).

Селекция с низким содержанием глютена

Существует распространенное заблуждение, что селекционеры пшеницы с годами вывели сорта пшеницы с большим количеством клейковины. Существует множество доказательств, опровергающих это утверждение.

В ходе исследования сравнили 195 образцов пшеницы и 240 образцов полбы, включая местные сорта, селекционный материал и сорта, которые выращивались в одном и том же месте (чтобы уменьшить изменчивость окружающей среды), и не выявили существенной разницы между старыми и новыми типами пшеницы. В другом исследовании, когда сравнивали старые и новые сорта пшеницы, старые сорта на самом деле содержали больше иммуногенных пептидов. Когда сравнили 50 немецких сортов пшеницы, выведенных в период с 1891 по 2010 год, ученые отметили, что содержание глиадина с годами снизилось.

Теперь, когда мы знаем, что современная пшеница не была выведена так, чтобы она содержала больше глютена, возникает вопрос: можно ли вывести пшеницу так, чтобы она содержала меньше глютена? Можем ли мы иметь сорта пшеницы без иммуногенных пептидов?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в сложном строении белков клейковины.

Генетический состав современной хлебной пшеницы (Triticum aestivum) включает три субгенома от трех предковых видов пшеницы, которые объединились и образовали современную пшеницу. В этом сложном геноме имеется большое количество "генов клейковины", что затрудняет, а возможно, и делает невозможным выведение безглютенового сорта пшеницы с помощью традиционной селекции.

Один геном пшеницы может содержать более 100 различных генов клейковины, и 60% из них могут быть экспрессированы в виде белков. Количество экспрессируемых генов глютена зависит от сорта пшеницы, стадии роста и условий окружающей среды. Кроме того, белки клейковины кодируются большими семействами генов в разных частях генома пшеницы. Поэтому традиционная селекция не была успешной.

Интересно, что специфические фрагменты белков глютенина и глиадина, содержащие основную последовательность из 9 аминокислот (так называемый эпитоп), ответственны за иммунную реакцию у людей с непереносимостью глютена. Хотя эти эпитопы присутствуют как в глютенине, так и в глиадине, глиадины содержат больше таких эпитопов.

Сорт пшеницы, совместимый с непереносимостью глютена, должен иметь меньшее количество генов глютена, низкую экспрессию генов глютена (особенно генов глиадина) и/или отключенные эпитопы. В то же время он должен сохранять свои другие признаки, такие как высокая урожайность, качество хлеба, устойчивость к заболеваниям и т.д.

Современные средства селекции: РНК-интерференция и редактирование генов

Современные технологии селекции, такие как РНК-интерференция (RNAi) и редактирование генов, показали определенные перспективы в получении пшеницы без глютена.

Фактически, RNAi блокирует синтез глютена в клетке.

Работает это следующим образом. Короткие последовательности РНК связываются с определенными участками транскрипта РНК глютена и блокируют их превращение в белки. Поскольку эпитопы имеют общую последовательность из 9 аминокислот, транскрипты могут быть сконструированы таким образом, чтобы связываться с несколькими эпитопами.

С помощью технологии RNAi были созданы линии пшеницы, в которых содержание глиадинов снижено на 92%, а количество эпитопов уменьшено в 10-100 раз, что приводит к снижению токсичности у людей с непереносимостью глютена. Некоторые из этих линий пшеницы сохранили свои хлебопекарные качества. Однако растения, несущие RNAi, считаются трансгенными, и получение разрешения регулирующих органов на использование таких трансгенных сортов пшеницы может оказаться непростой задачей.

Технологии редактирования генов, такие как CRISPR/Cas9, напротив, используют фермент эндонуклеазу под руководством "направляющей РНК" для разрыва нитей ДНК в определенных местах. При восстановлении поврежденной нити могут возникать "ошибки" или мутации, которые выводят из строя эпитоп или ген.

Технологии редактирования генов очень специфичны и могут быть разработаны для воздействия на конкретные гены или группы генов. Дополнительным преимуществом является то, что растения, подвергшиеся генному редактированию, не считаются трансгенными и не подвергаются сложным регуляторным барьерам.

Имеются многочисленные сообщения о создании исследовательскими группами пшеницы с низким содержанием клейковины с помощью редактирования генов. Однако эти сорта еще не поступили в фермерские хозяйства для коммерческого производства.

Заключение

Непереносимость глютена и личные предпочтения в пользу безглютеновой диеты привели к увеличению спроса на безглютеновую пшеницу. До сих пор традиционная селекция не могла обеспечить получение безглютеновой пшеницы из-за сложной генетики производства глютена. Однако современные технологии, такие как редактирование генов, открывают новые перспективы, и ученые работают над созданием сортов пшеницы с пониженным содержанием глютена или отключенными иммуногенными эпитопами.