Применение омных подходов для формирования микробных консорциумов с целью получения воспроизводимых ферментированных продуктов с желаемыми свойствами

Почему будущее ферментированных продуктов важно

Йогурт, закваска для хлеба, кимчи, комбуча, сыр и многие другие любимые продукты обязаны своим вкусом и полезными свойствами крошечным живым сообществам микробов. Однако традиционные ферментации могут быть непредсказуемыми: одна партия на вкус превосходна, а следующая — разочаровывает. В этой статье объясняется, как новая волна биологических «больших данных» может использоваться для проектирования тщательно сбалансированных микробных команд, обеспечивающих ферментированные продукты с постоянным вкусом, безопасностью и питательной ценностью — что открывает путь к более надёжным, настраиваемым и потенциально полезным повседневным продуктам.

От диких заквасок к отточенным микробным командам

Веками люди полагались на дикие микробы, которые естественно обосабливаются на зёрнах, в молоке, на овощах или на оборудовании, чтобы запускать ферментацию. Методы вроде спонтанной ферментации и перезапуска (использование части предыдущей закваски) работают достаточно хорошо, но зависят от неописанных, меняющихся сообществ бактерий и дрожжей. Такая изменчивость может приводить к посторонним вкусам, неравномерному качеству и иногда к проблемам безопасности. Чтобы укротить эту непредсказуемость, учёные говорят о «определённых микробных консорциумах»: преднамеренно собранных смесях известных штаммов, выбранных для выполнения конкретных задач — например, достижения определённой кислотности, аромата или образования полезного соединения. Задача состоит в том, чтобы знать, какие микроорганизмы выбрать и как их сочетать, чтобы они работали вместе надёжно, а не случайно.

Использование биологических больших данных для картирования микробиомов пищи

Обзор описывает, как семейство мощных методов, часто называемых «омиками», меняет наше понимание ферментированных продуктов. Метагеномика считывает всю ДНК в образце, показывая, какие микробы присутствуют и что они в принципе могут сделать. Метатранскриптомика изучает РНК, чтобы увидеть, какие гены активно включены во время ферментации. Метапротеомика исследует белки, которые микробы действительно производят, тогда как метаболомика отслеживает малые молекулы — кислоты, ароматические соединения, витамины и другие конечные продукты — формирующие вкус и питание. Наконец, культуоромика использует множество условий культивирования для выделения и выращивания отдельных штаммов, выявленных в данных. Комбинируя эти уровни, исследователи могут перейти от простого перечисления видов к механистическому пониманию того, кто что делает, когда и в сотрудничестве с кем.

Отделение ключевых участников от специалистов по вкусу

Ключевая идея статьи заключается в том, что хорошо спроектированное микробное сообщество для ферментации состоит из двух частей. «Ядро микробиома» — это минимальный набор микробов, который надёжно приводит к основным преобразованиям: превращению сахаров в молочную кислоту в йогурте или кимчи, образованию алкоголя и пузырьков в хлебе и пиве, изготовлению уксусной кислоты в уксусе или разложению белков в традиционных соусах из сои или ферментах из рыбы. Эти основные участники часто представлены молочнокислыми бактериями, уксуснокислыми бактериями, некоторыми дрожжами и представителями рода Bacillus. Вокруг них располагается «дополнительный микробиом»: дополнительные штаммы, которые строго не требуются для завершения ферментации, но могут тонко настраивать результат. Они могут усиливать фруктовые или цветочные ароматы, смещать баланс между различными кислотами для сглаживания резкости, ускорять процесс, повышать уровень витаминов или биологически активных соединений или стабилизировать сообщество при меняющихся условиях.

Пошаговый цикл для создания лучших ферментов

Чтобы действительно конструировать такие консорциумы, авторы предлагают итеративный цикл «Сборка–Оценка–Перепроектирование». Во-первых, данные из нескольких омных уровней используются для выбора чернового набора ядра и дополнительных микробов, которые кажутся взаимодополняющими в их метаболизме и взаимодействиях. Во-вторых, эти сообщества тестируют в контролируемых ферментациях, где исследователи отслеживают, насколько быстро они подкисляют среду или потребляют сахара, какие вкусоароматические соединения они производят, насколько стабильным остаётся сообщество и каков вкус и срок хранения конечного продукта. В-третьих, сообщество уточняют, корректируя соотношения штаммов, исключая тех, кто конкурирует или даёт посторонние нотки, либо добавляя новые штаммы, которые заполняют отсутствующие роли. Продвинутые инструменты, такие как микрофлюидные системы и модели машинного обучения, могут ускорить этот цикл, помогая предсказывать, какие комбинации с наибольшей вероятностью окажутся успешными до проведения крупных экспериментов.

Баланс между традициями, регулированием и инновациями

Хотя эта концепция точечно спроектированных ферментированных продуктов представляется убедительной, в статье отмечается, что реальное внедрение столкнётся с практическими и регуляторными барьерами. Многие знаковые продукты защищены правилами, которые настаивают на традиционных методах и местных микробах, ограничивая использование индивидуально созданных стартерных культур. Пока что инструменты мульти-омики могут быть наиболее полезны для глубокого характеризации существующих ферментаций, поддержания их последовательности и подтверждения подлинности продуктов, а не для замены их естественных микробов. Со временем, однако, интеграция омики, тщательное проектирование сообществ и оптимизация на основе данных должна позволить новому поколению ферментированных продуктов сохранять культурную самобытность при одновременном обеспечении более надёжного качества, настраиваемых вкусов и целевых полезных эффектов для здоровья.

Цитирование: Zhang, E., Claesson, M.J. & Cotter, P.D. Adopting omics-based approaches to facilitate the establishment of microbial consortia to generate reproducible fermented foods with desirable properties. npj Sci Food 10, 90 (2026). https://doi.org/10.1038/s41538-026-00740-8

Ключевые слова: ферментированные продукты, микробиом, мультиомика, стартерные культуры, ферментация пищи