The Future of Food #6

With precision fermentation food will be built from the molecule up.

Jun 28, 2020

Welcome to Future Potentialis #6

I’m Andreas Freund. I’m exploring pressing issues in tech, science, and society with sources and inspirations to let you dig deeper.

It has been longer than it should since the last edition of the newsletter — my apologies-, but for that, I have good news: together with the transdisciplinary science magazine “alexandria”, Future Potentialis calls for our first joint essay competition. On the topic of “The First Time”, we are asking you to explore decisive moments when ignorance was discovered in the various disciplines from anthropology to zoology; what discoveries are still to come and what consequences these discoveries will have. You can find more information about the competition here. A total of 500 euros in prizes are up for grabs!

Also, from now on this newsletter will also be published in German (scroll down).

The Future of Food

One can be forgiven to think that nutrition science flip-flops in its findings. Studies on whether meat, tomatoes or coffee are good for you frequently contradict each other:

Still, it is wrong to conclude that nutrition science is unable to provide findings that can guide our behavior. Besides recommending a balanced diet, that considers individual characteristics (age, gender, lifestyle, availability, etc.), consensus among the WHO and leading nutritional researchers is that

“A healthy dietary pattern is higher in vegetables, fruits, whole grains, low- or non-fat dairy, seafood, legumes, and nuts; lower in red and processed meats; and low in sugar-sweetened foods and drinks”. It also limits salt/sodium intake and avoids trans fats.

While the Scottish naval surgeon Dr. James Lind conducted one of the earliest ever clinical controlled trials in the mid-1800s, — discovering that vitamin C protects sailors from scurvy— randomized control trials are not practical for most nutritional studies. They would require different groups of people to stick with their assigned diet for infeasible long time periods as to establish meaningful causation. Therefore, researchers have to rely on observational studies with all their limitations: They rely on intrinsically flawed surveys – people misremember or lie about what they eat – and generally confounding factors are difficult to eliminate. For example, people who eat more blueberries have fewer heart attacks not because blueberries affect heart attack rates but because eating blueberries is a badge of middle-class prosperity. John Ioannidis at Stanford University, who wrote influential papers exposing biases, shoddy research designs and studies in economics, medicine also took on nutritional science:

“Out of the roughly 1 million papers that have been published in nutrition, only a tiny fraction, perhaps a few hundred, are large, good-quality randomised trials. The rest are mainly observational studies, small or poorly designed trials, opinion pieces, or reviews that summarise the results of other papers, with all their potential flaws. “

Like other fields that face a replication crisis, nutrition researchers need to universally adopt good research practices such as pre-registering all studies, including stating which confounders they will use, to prevent cherry-picking after the results come in.

However, there is an emerging consensus that people differ in their nutritional requirements and response to food intakes. Nutrigenomics tries to understand to what extent these differences can be explained by genetic variation between individuals. Insights into meaningful causation of health aspects of certain foods are impatiently awaited because a fundamentally different future of food is on the horizon: namely, one where food is built from the molecule up.

Milk, for example, is 87 percent water. If one knows the molecules needed for the other 13%, one can recreate milk without the need for cows. This future would enable a modern protein system, where we do not need animals to turn plants into high-quality protein. It would be a healthier and safer one too, as undesired molecules can be left out. This is done with precision fermentation, which is used in medicine since the 1980ies to produce human insulin without animal products. Using micro-organisms, it is possible to produce a desired protein with plant-based inputs. Any biomatter can be used as input, but its carbohydrates content partly determines the efficiency of the system. At scale, this will be done in microbrewery style big steel tanks filled with a nutrient medium. A gene encoding the desired protein is taken from a donor (e.g. human, cow, plant) or synthetically manufactured and inserted into the host organism (e.g. bacteria, yeast). Currently, more than half of the world’s food energy comes from rice, wheat, and maize, and only 150 plant species are used in modern agriculture. Precision fermentation could draw from a much broader catalog of genes. The host organism will then read the gene and produce the protein as if it were it’s own. As the DNA of the host can be filtered out, one can create a highly purified form of the same protein that is present in the original source[1]. It can then be mixed with other ingredients to create a suitable end product, for example, it can be combined water, plant-based fats, vitamins, and minerals, in exactly the same proportions you would find in cow’s milk.

At present precision fermentation costs about $100/kg which is in range with certain cosmetics and specialty foods. As only a fraction of the resources of conventional alternatives are needed, prices are expected to fall sharply and reach $10 per kg of PF-produced proteins, thus reaching parity with mass market, bulk foods. It is already used by US startup Perfect Day to produce whey and casein to create animal-free milk. Clara Foods is using the same process to make animal-free eggs. Atomo ran green beans, roasted beans, and brewed coffee through gas and liquid chromatography to separate and catalog more than 1,000 compounds in coffee to create a beanless product that has the same color, aroma, flavor, and mouthfeel as coffee.

The technology’s adoption will depend on whether companies fully develop their products successfully and its acceptance by consumers, which especially in Europe had a complicated relationship with genetically modified food. While steadily gaining acceptance over the last decade, a quarter of Europeans still voice concern over GMOs. Also, many prefer “natural” flavor over artificial ones despite its origin having no bearing on how safe, healthy, or delicious they are.

Another stepping stone issue is regulation: Contrary to the US, genetically modified foods and labeling are tightly regulated in the EU. Impossible Foods is awaiting approval for its plant-based burger from the EU’s food safety authority since last October. That’s because its burger’s distinctive ingredient is soy leghemoglobin, a PF created protein that carries heme, which is an iron-containing molecule that occurs naturally in every animal and plant and is what makes the burger "bleed" and appear pink in the middle.

Even with favorable regulation, the future where we buy meat at a local microbrewery will be some years away, not least before producers can scale production to meet demand and reach feasible price points. To satisfy the world’s growing population ever-increasing appetite for animal protein requires efficient and sustainable ways to meet these needs. Precision fermentation could accomplish this and its success would ensure a healthy, humane, and sustainable future of our food supply.

While researching this essay, I found lots of interesting information that I don’t want to withhold:

Vanillin is very difficult and expensive to extract in meaningful quantities from the orchids that produce vanilla beans. However, it is relatively easy and cheap to produce a nature-identical, chemically equivalent artificial version. Another chemically equivalent version of vanillin can be extracted from the castor sacs of beavers, which then can be labeled “natural”.
Firms are researching the use of precision fermentation for palm oil. However, as the microbes need to be feed with sugar, which also has to grow somewhere, it will not be able to compete economically, especially since the Oil palms have many impressive qualities: it grows relatively quickly, is easy to harvest, and is spectacularly productive, yielding 25 times as much oil as soy can for the same area of farmland. But as the Oil palm only grows within 20 degrees of the equator – the same area where rainforests grow, scientists aim to create a palm oil like plant that even if it is not price competitive, at least can grow everywhere. By inserting genes for high oil production into tobacco plants, they were able to increase the vegetable oil content of its crushed leaves from less than 1 to 35 %.
Researchers from Australia created a banana with high levels of provitamin A, an important nutrient not normally present in the fruit. To create this fruit, the researchers snipped out genes from a specific type of Papua New Guinean banana that’s naturally high in provitamin A, then inserted them into the common banana variety.
Others work to increase the net carbon storage of plants. By altering just three genes of the roots of corn, soybeans, rice, wheat, cotton and canola, the new plants store more carbon in suberin, a natural polymer that is resistant to decomposition and thus does not release the stored CO2 back to the atmosphere (cork is one type of suberin). This would not disrupt food production and improve soil that has been depleted of carbon and other nutrients over decades of intensive modern farming.
There are also gene-edited potatoes, corn, and rice containing more protein; linseed having more omega-3 and omega-6 fats; tomatoes containing antioxidants originally found in snapdragons; and lettuce that carries iron in a form that’s easily digestible by the body.
Israeli startup DouxMatok makes sugar taste sweeter by surrounding an inert mineral particle (silica) with sugar molecules. The coated particles mean there’s more sweet surface area to hit the tongue’s taste receptors, so less sugar can be used without compromising taste, mouthfeel or texture.
Magnetic Nanoparticles can remove unwanted flavor compounds in red wine while preserving its full aroma.
Not all promising innovations will deliver, especially not on time. UK-based Moley Robotics‘ robotic kitchen’, which promised to be able to replicate 2000 recipes autonomously with its two robotic arms, was meant to come to market in 2017 but still seems to be a long way off being consumer-ready.
One of the first plant-based meats was the peanut-based Nuttose. It was invented in 1897 by John Harvey Kellogg, a member of the mostly vegetarian Seventh-day Adventists, who later went on to found the famous cereal brand. Seventh-day Adventists also founded Loma Linda Foods in 1933, which made some of the first commercially available soy- and wheat-based fake meats.

As always, thank you for reading!

Andreas

[1 For more information on precision fermentation see: ]https://www.gfi.org/images/uploads/2018/03/Cellular-Agriculture-for-Animal-Protein.pdf https://www.exponentialview.co/p/-reinventing-food-the-coming-disruption

Essaywettbewerb

Zusammen mit dem transdisziplinären Wissenschaftsmagazin „alexandria“ ruft Future Potentialis zum ersten gemeinsamen Essaywettbewerb auf. Zum Thema „Das erste Mal“ gilt es entscheidene Momente zu untersuchen, in denen Unwissenheit in den verschiedenen Disziplinen von Anthropologie bis Zoologie entdeckt wurde. Welche Entdeckungen werden noch kommen und welche Konsequenzen werden diese Entdeckungen haben? Weitere Informationen zum Wettbewerb gibt es hier. Insgesamt gbit es Preise in Höhe von 500 Euro zu gewinnen!

Lebensmittel der Zukunft

Es ist durchaus legitim zu denken, dass die Ernährungswissenschaft viele ihrer Erkenntnisse plötzlich umkehrt. Studien darüber, ob Fleisch, Tomaten oder Kaffee letztlich gut oder schlecht sind, widersprechen sich häufig.

Es wäre jedoch auch nicht richtig daraus abzuleiten, dass die Ernährungswissenschaft keinerlei Erkenntnisse liefern kann, die unser Verhalten leiten könnten. Neben der Empfehlung einer ausgewogenen Ernährung, die individuelle Merkmale (Alter, Geschlecht, Lebensstil, Verfügbarkeit usw.) berücksichtigt, besteht unter der Weltgesundheitsorganisation und führenden Ernährungsforschern Einigkeit über die prinzipiellen Bestandteile einer gesunden Ernährung:

„Ein gesundes Ernährungsmuster beinhaltet mehr Gemüse, Obst, Vollkornprodukte, fettarme oder fettfreie Milchprodukte, Meeresfrüchte, Hülsenfrüchte und Nüsse und weniger rotes und verarbeitetes Fleisch; und wenig zuckerhaltige Lebensmittel und Getränke“. Es limitiert auch die Salz- / Natriumaufnahme und vermeidet Transfette.

Während der schottische Marinechirurg Dr. James Lind Mitte des 19. Jahrhunderts eine der frühesten klinisch kontrollierten Studien durchführte, -wodurch er entdeckte, dass Vitamin C Seeleute vor Skorbut schützt- sind randomisierte Kontrollstudien für die meisten Ernährungsstudien nicht praktikabel. Denn um bedeutsame Zusammenhänge feststellen zu können, müssten Menschen sich für unrealistisch lange Zeiträume an die ihnen zugewiesene Diät halten. Daher müssen sich ForscherInnen auf Beobachtungsstudien mit all ihren Einschränkungen verlassen: Sie stützen sich auf intrinsisch fehlerhafte Umfragen - Menschen erinnern sich falsch oder lügen über das, was sie essen - und im Allgemeinen sind Störfaktoren schwierig zu beseitigen. Zum Beispiel haben Menschen, die mehr Blaubeeren essen weniger Herzinfarkte, nicht weil Blaubeeren die Herzinfarktrate beeinflussen würde, sondern weil ihr Verzehr ein markanter Indikator für den Mittelstand ist. John Ioannidis von der Stanford University, der einflussreiche Veröffentlichungen über Befangenheiten, schlechte Forschungsdesigns und wissenschaftliche Studien in der Medizin und den Wirtschaftswissenschaften verfasste, nahm sich auch der Ernährungswissenschaft an:

„Von den rund eine Million Studien, die im Ernährungsbereich veröffentlicht wurden, handelt es sich bei nur einem winzigen Bruchteil, vielleicht einigen hundert, um große, qualitativ hochwertige randomisierte Studien. Der Rest sind hauptsächlich Beobachtungsstudien, kleine oder schlecht konzipierte Studien, Meinungsbeiträge oder Übersichtsarbeiten, welche die Ergebnisse anderer Studien mit all ihren potenziellen Mängeln zusammenfassen.“

Mittlerweile wird davon ausgegangen, dass sich Menschen in ihren Ernährungsbedürfnissen und ihrer Reaktion auf die Nahrungsaufnahme unterscheiden: die Nutrigenomik versucht zu verstehen, inwieweit diese Unterschiede durch genetische Variationen zwischen Individuen erklärt werden können. Konkrete kausale Zusammenhänge bestimmter Lebensmittel auf die Gesundheit werden ungeduldig erwartet, da sich eine grundlegend andere Zukunft der Lebensmittel abzeichnet: eine, in der Lebensmittel Molekül für Molekül kreiert werden.

Milch zum Beispiel besteht zu 87 Prozent aus Wasser. Kennt man die Moleküle, die für die anderen 13 % benötigt werden, kann Milch ohne Kühe nachgebildet werden. Diese Zukunft würde ein modernes Proteinsystem ermöglichen, in dem wir keine Tiere brauchen, um Pflanzen in hochwertiges Protein umzuwandeln. Es wäre auch gesünder und sicherer, da unerwünschte Moleküle weggelassen werden können. Möglich ist dies mit der Präzisionsfermentation, die seit den 1980er Jahren in der Medizin zur Herstellung von Humaninsulin ohne tierische Produkte eingesetzt wird. Mithilfe von Mikroorganismen ist es möglich, fast jedes gewünschte Protein mit pflanzlichen Inputs herzustellen. Jede Biomaterie kann als Input verwendet werden, wobei ihr Kohlenhydratgehalt die Effizienz des Systems teilweise bestimmt. Im großen Stil geschieht dies in an Mikrobrauereien erinnernde riesige Stahltanks, die mit einem Nährmedium gefüllt sind. Ein Gen, welches das gewünschte Protein codiert, wird einem Spender (z. B. Mensch, Kuh, Pflanze) entnommen oder synthetisch hergestellt und in den Wirtsorganismus (z. B. Bakterien, Hefe) eingefügt. Derzeit stammt mehr als die Hälfte der weltweiten Nahrungsenergie aus Reis, Weizen und Mais, und in der modernen Landwirtschaft werden lediglich 150 verschiedene Pflanzenarten angebaut. Die Präzisionsfermentation könnte auf einen viel breiteren Katalog von Genen zurückgreifen. Der Wirtsorganismus liest das gewünschte Gen und produziert das Protein, als wäre es sein Eigenes. Da es möglich ist, die DNA des Wirts herauszufiltern, kann eine hochreine Form des Proteins der ursprünglichen Quelle erzeugt werden. Für das Endprodukt Milch würden zu diesen Proteinen Wasser, pflanzliche Fette, Vitamine und Mineralien in genau den Anteilen hinzugefügt, wie sie auch in Kuhmilch zu finden sind.

Gegenwärtig kostet die Präzisionsfermentation ungefähr 90 Euro / kg, wie etwa bestimmte Kosmetika und Spezialnahrungsmittel. Da nur ein Bruchteil der Ressourcen herkömmlicher Alternativen benötigt wird, ist zu erwarten, dass die Preise stark fallen und etwa neun Euro pro kg erreichen, wodurch sie mit Massenmarktnahrungsmitteln mithalten können. Präzisionsfermentation wird bereits vom US-Startup Perfect Day zur Herstellung von Molke und Kasein für tierfreie Milch angewandt. Clara Foods verwendet das gleiche Verfahren, um tierfreie Eier herzustellen. Atomo ließ grüne Kaffeebohnen, geröstete Bohnen und gebrühten Kaffee durch Gas- und Flüssigkeitschromatographien laufen, um mehr als 1000 in Kaffee enthaltene Aromen zu extrahieren und zu katalogisieren. Dadurch konnte ein bohnenfreies Produkt kreiert werden, welches nicht nur Farbe, Aroma und Geschmack, sondern auch das gleiche Mundgefühl wie Kaffee aufweist.

Ob sich diese Technologie durchsetzt, hängt nicht zuletzt davon ab, ob Unternehmen ihre Produkte erfolgreich zur Marktreife bringen und ob selbige von den Verbrauchern akzeptiert werden. Wenngleich gentechnisch veränderte Lebensmittel im letzten Jahrzehnt auf mehr Akzeptanz stießen, ist ein Viertel der Europäer immer noch besorgt. Viele bevorzugen „natürliche“ Aromen gegenüber künstlichen, obwohl dessen Herkunft keinen Einfluss darauf hat, wie sicher, gesund oder wohlschmeckend sie sind.

Ein weiteres Hindernis ist die Regulierung: Im Gegensatz zu den USA sind gentechnisch veränderte Lebensmittel und Kennzeichnungen in der EU streng reguliert. Impossible Foods wartet bereits seit letztem Oktober auf die Genehmigung seines pflanzlichen Burgers durch die EU-Behörde für Lebensmittelsicherheit. Dies liegt daran, dass der charakteristische Bestandteil seines Burgers Soja-Leghämoglobin ist, ein PF-erzeugtes Protein, das ein bestimmtes eisenhaltiges Molekü, Häm, trägt. Dieses kommt auf natürliche Weise in jedem Tier und jeder Pflanze vor und lässt den Burger in der Mitte "bluten" und rosa erscheinen.

Selbst bei einer günstigen Regulierung wird es noch einige Jahre dauern, bis Fleisch in einer lokalen Mikrobrauerei gekauft werden kann, nicht zuletzt bis die Produktion skaliert und realisierbare Preise erreicht werden können. Der ständig wachsende Appetit auf tierisches Protein der wachsenden Weltbevölkerung muss effizient und nachhaltig befriedigt werden. Präzisionsfermentation könnte dies erreichen und ihr Erfolg würde eine gesunde, humane und nachhaltige Zukunft unserer Lebensmittelversorgung sicherstellen.

Folgende interessante Informationen gefunden, die ich bei der Recherche für dieses Essay gefunden habe, möchte ich euch nicht vorenthalten:

Vanillin in bedeutenden Mengen aus den entsprechenden Orchideen zu extrahieren ist sehr schwierig und teuer. Eine naturidentische, chemisch äquivalente synthetische Version ist jedoch relativ einfach und billig herzustellen. Aus den Sekretdrüsen von Bibern kann ebenfalls eine chemisch äquivalente Version von Vanillin extrahiert werden. Diese darf als „natürlich“ bezeichnet werden.
Unternehmen arbeiten auch daran, Palmöl mittels Präzisionsfermentation herzustellen. Mit der Ölpalme wird sie aber wirtschaftlich nicht konkurrieren können: Die Mikroben müssen mit Zucker gefüttert werden, der auch irgendwo wachsen muss, und zudem haben Ölpalmen viele beeindruckende Eigenschaften: Sie wachsen relativ schnell, sind leicht zu ernten und spektakulär produktiv, sie liefern 25-mal so viel Öl wie Soja für dieselbe Ackerfläche. Da die Ölpalme jedoch nur innerhalb von 20 Grad des Äquators wächst - dem gleichen Gebiet, in dem Regenwälder wachsen -, wollen Wissenschaftler eine Palmöl-ähnliche Pflanze schaffen, die, auch wenn sie nicht preislich wettbewerbsfähig ist, zumindest überall wachsen kann. Durch das Einfügen von Genen für eine hohe Ölproduktion in Tabakpflanzen konnte der Pflanzenölgehalt der zerkleinerten Blätter von weniger als 1 auf 35 % erhöht werden.
ForscherInnen aus Australien kreierten eine Banane mit einem hohen Gehalt an Provitamin A, einem wichtigen Nährstoff, der normalerweise nicht in dieser enthalten ist. Um diese Frucht herzustellen, wurden Gene aus einer Sorte der Papua-Neuguinea-Banane herausgeschnitten, die von Natur aus reich an Provitamin A ist, und in die übliche Bananensorte eingefügt.
Andere ForscherInnen arbeiten daran, die Nettokohlenstoffspeicherung von Pflanzen zu erhöhen. Durch die Veränderung von nur drei Genen der Wurzeln von Mais, Sojabohnen, Reis, Weizen, Baumwolle und Raps speichern die neuen Pflanzen mehr Kohlenstoff in Suberin. Suberin ist ein natürliches Polymer, das gegen Zersetzung resistent ist und somit das gespeicherte CO2 nicht wieder in die Atmosphäre freisetzt. (Kork ist eine Art von Suberin). Dies geschieht ohne die Nahrungsmittelproduktion zu stören verbessert den Boden, dem durch Jahrzehnte intensiver moderner Landwirtschaft Kohlenstoff und andere Nährstoffe entzogen wurden.
Es gibt auch genveränderte Kartoffeln, Mais und Reis, die mehr Protein enthalten; Leinsamen mit mehr Omega-3- und Omega-6-Fetten; Tomaten, die Antioxidantien enthalten, die ursprünglich in Löwenmaul gefunden wurden; und Salat, der Eisen in einer Form enthält, die vom Körper leicht verdaulich ist.
Das israelische Start-up DouxMatok lässt Zucker süßer schmecken, indem es ein inertes Mineralpartikel (Silica) mit Zuckermolekülen umgibt. Die beschichteten Partikel bieten mehr Oberfläche, um die süßen Geschmacksrezeptoren der Zunge zu treffen, sodass weniger Zucker verwendet werden kann, ohne den Geschmack, das Mundgefühl oder die Textur zu beeinträchtigen.
Magnetische Nanopartikel können unerwünschte Geschmacksverbindungen im Wein entfernen, sein Aroma zu beeinträchtigen.
Nicht alle vielversprechenden Innovationen werden ihre Versprechungen halten, besonders nicht im angegeben Zeitrahmen. Der Verkaufsstart der für 2017 angekündigten „Roboterküche“ von Moley Robotics, die versprach 2000 Rezepte mit ihren beiden Roboterarmen autonom nachkochen zu können, wurde seitdem kontinuierlich verschoben.
Eines der ersten Fleischersatzprodukte war das auf Erdnuss basierte Nuttose. Sie wurde 1897 von John Harvey Kellogg, Mitglied der meist vegetarischen Siebenten-Tags-Adventisten, erfunden, der später die berühmte Frühstücksflockenmarke gründete. Siebenten-Tags-Adventisten gründeten 1933 auch Loma Linda Foods, die einige der ersten im Handel erhältlichen Fleischersatzprodukte auf Soja- und Weizenbasis herstellten.

Vielen Dank fürs Lesen,

Andreas