Bisher war Kulturfleisch ein Burger - die nächste große Herausforderung sind tierfreie Steaks

Bisher war Kulturfleisch ein Burger - die nächste große Herausforderung sind tierfreie Steaks
Fleisch der Zukunft könnte sich von Fleisch der Vergangenheit deutlich unterscheiden. Stanley Kubrick, Fotograf, LOOK Magazine Photograph Collection, Abteilung für Kongressbibliothek, Drucke und Fotografien, LC-USZ6-2352., CC BY-ND

Das Fleisch, das Sie essen, wenn Sie ein Fleischfresser sind, stammt aus tierischen Muskeln. Tiere bestehen jedoch aus viel mehr als nur Muskeln. Sie haben Organe und Knochen, die die meisten Amerikaner nicht konsumieren. Sie benötigen Nahrung, Wasser, Raum und soziale Verbindungen. Sie produzieren Abfall.

Die Landwirte verwenden viel Energie und Ressourcen, um komplexe Organismen zu züchten und dabei Abfall zu erzeugen. Sie konzentrieren sich nur auf die rentablen Fleischstücke, die sie ernten können.

Es wäre einfacher, menschlicher, weniger verschwenderisch Produziere genau die Teile, die die Leute wollen. Und mit Zellbiologie und Tissue Engineering ist es möglich, nur Muskel- und Fettgewebe zu züchten. Es heißt Zuchtfleisch. Wissenschaftler versorgen Zellen mit den gleichen Inputs, die sie gerade außerhalb eines Tieres benötigen, um zu wachsen: Nährstoffe, Sauerstoff, Feuchtigkeit und molekulare Signale von ihren Zellnachbarn.

Bisher haben Forscher kultivierte Trauben von Zellen das kann in verarbeitetes Fleisch wie einen Burger oder eine Wurst verwandelt werden. Diese Kulturfleischtechnologie befindet sich noch in den frühen Phasen der Forschung und Entwicklung, da Prototypen vergrößert und optimiert werden, um sich auf die Herausforderungen der Kommerzialisierung vorzubereiten. Doch schon jetzt stellen sich die Bioingenieure der nächsten Herausforderung: Sie bauen strukturierte Fleischstücke wie ein Steak oder ein Hühnerschnitzel an.


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Woraus ist Fleisch gemacht?

Wenn Sie ein Stück rohes Fleisch unter dem Mikroskop betrachten, können Sie sehen, was Sie auf Zellebene essen. Jeder Biss ist eine Matrix aus Muskel- und Fettzellen, die mit Blutgefäßen verflochten und von Bindegewebe umhüllt sind.

Die Muskelzellen sind voll von Proteinen und Nährstoffen und die Fettzellen sind voll von Fetten. Diese beiden Zelltypen tragen zum größten Teil zum Geschmack und Mundgefühl eines Fleischfressers bei, wenn er in einen Burger oder ein Steak beißt.

Bisher war Kulturfleisch ein Burger - die nächste große Herausforderung sind tierfreie Steaks
Truthahnschnitt gefärbt, um zelluläres Organisations-Skelettmuskelgewebe zu zeigen - auch als Fleisch bekannt. Natalie Rubio

Die Blutgefäße versorgen das Gewebe eines Tieres zu Lebzeiten mit Nährstoffen und Sauerstoff. Nach dem Schlachten fügt das Blut dem Fleisch eine einzigartige metallische Umami-Nuance hinzu.

Das Bindegewebe, das aus Proteinen wie Kollagen und Elastin besteht, organisiert die Muskelfasern in ausgerichteten Bündeln, die in Kontraktionsrichtung ausgerichtet sind. Dieses Bindegewebe verändert sich während des Kochens und fügt dem Fleisch Textur und Knorpel hinzu.

Die Herausforderung für zelluläre Landwirtschaftsforscher besteht darin, diese Komplexität des Fleisches von Grund auf nachzubilden. Wir können Muskel- und Fettzellen in einer Petrischale züchten - aber Blutgefäße und Bindegewebe bilden sich nicht spontan wie bei einem Tier. Wie können wir Biomaterialien und Bioreaktoren entwickeln, um die Nährstoffdiffusion zu gewährleisten und die Organisation zu fördern, sodass wir ein dickes, strukturiertes Stück Fleisch erhalten?

Zuchtfleischburger sind der erste Schritt

Um kultiviertes Fleisch herzustellen, entnehmen die Forscher einer Kuh, einem Schwein oder einem Huhn kleine - etwa marmorgroße - Gewebemengen und isolieren einzelne Zellen. Dann legen Bioingenieure wie ich die Zellen in Plastikflaschen und geben ihnen Nährstoffe, Sauerstoff und Feuchtigkeit, während sie sie bei Körpertemperatur aufbewahren. Die Zellen sind glücklich und können sich exponentiell teilen, wodurch immer mehr Zellen entstehen.

Wenn die Zellen auf Plastik gezüchtet werden, teilen sie sich weiter, bis sie auf der gesamten verfügbaren Oberfläche vorhanden sind. Dies führt zu einer überfüllten Schicht, die eine Zelle dick ist. Sobald sich die Zellen nicht mehr teilen, beginnen sie zu reifen. Muskelzellen verschmelzen zu langen Muskelfasern und Fettzellen beginnen, Lipide zu produzieren. Forscher können eine Reihe dieser Zellen zusammenfügen, um verarbeitete Fleischprodukte wie Burger, Hot Dogs und Würste herzustellen.

Tierzellen allein können den größten Teil des Fleischlebens nachbilden. Aber ohne Blutgefäße und Bindegewebe entsteht kein organisiertes, dreidimensionales Gewebe - und genau das benötigen Sie für strukturierte Fleischstücke wie Steak, Hühnerbrust und Speck.

Um diese Herausforderung zu meistern, können Wissenschaftler mithilfe von Biomaterialien die Struktur und Funktion von Blutgefäßen (für den Nährstoff- und Sauerstofftransfer) und Bindegewebe (für die Organisation und Textur) nachbilden. Dieser Forschungsbereich heißt Gerüstentwicklung.

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Wenn die Zellen eine gewisse Struktur aufweisen, auf der sie wachsen können, wird das kultivierte Fleisch vom Hamburger zu Steaks. Tyler Olson / Shutterstock.com

Gerüste sind die heimliche Zutat für Steaks

Das Konzept der Gerüste stammt aus dem Bereich der Tissue Engineering für medizinische Anwendungen. Wissenschaftler kombinieren Zellen und Gerüste, um funktionelle Biomaterialien für die Forschung, das Toxikologie - Screening oder die Forschung zu produzieren Implantate.

Diese Biomaterialien können unterschiedliche Formen annehmen - Filme, Gele, Schwämme - je nachdem, welche Eigenschaften im resultierenden Gewebe gewünscht werden. Zum Beispiel könnten Sie wachsen Hautzellen auf einem flachen Kollagenfilm ein Hauttransplantat zu schaffen, um Opfer zu verbrennen oder zu helfen Knochenzellen in einem Hydroxylapatitschwamm zur Knochenregeneration.

Für medizinische Anwendungen müssen Gerüste im Allgemeinen für die Implantation sicher sein, dürfen keine Reaktion des körpereigenen Immunsystems hervorrufen, abbaubar sein und das Zellwachstum unterstützen.

Bei Lebensmittelanwendungen sind die Konstruktionsaspekte von Gerüsten unterschiedlich. Sie sollten weiterhin das Zellwachstum unterstützen, aber es ist auch wichtig, dass sie kostengünstig, essbar und umweltfreundlich herzustellen sind. Einige übliche Biomaterialien für Lebensmittelanwendungen umfassen Zellulose aus Pflanzen, ein Kohlenhydrat, das als Chitosan aus Pilzen bezeichnet wird, und ein Kohlenhydrat, das als Alginat aus Algen bezeichnet wird.

Hier ist ein Rezept für Zuchtfleisch, an dem ich im Labor gearbeitet habe. Erstellen Sie zunächst ein geeignetes Gerüst. Isolieren Sie Chitosan von Pilzen und lösen Sie es in Wasser auf, um ein viskoses Gel zu erhalten. Legen Sie das Gel in ein Röhrchen und setzen Sie ein Ende einer kalten Substanz wie Trockeneis oder flüssigem Stickstoff aus. Die gesamte Gelröhre gefriert langsam, beginnend am kalten Ende. Das gefrorene Gel kann dann durch Vakuumziehen des Gels bei sehr niedrigen Temperaturen gefriergetrocknet werden, wodurch letztendlich ein trockenes schwammartiges Material entsteht. Das Richtungsgefrierprozess erzeugt einen Schwamm mit kleinen, langen, ausgerichteten Poren, die einem Bündel Strohhalme ähneln - und auch Muskelgewebe.

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Das vereinfachte Verfahren zur Herstellung eines Chitosanschwamms mit ausgerichteten Poren. Natalie Rubio, CC BY-ND

Anstatt Fleisch auf flachem Kunststoff wachsen zu lassen, können Sie die Zellen in diesen dreidimensionalen Schwamm übertragen, um mehr Oberfläche für das Wachsen von dickerem Gewebe bereitzustellen. Die Poren können auch dazu beitragen, Nährstoffe und Sauerstoff im Gewebe zu verteilen. Bisher konnte mein Labor mit dieser Technik kleine Fleischstücke von weniger als einem Quadratzentimeter produzieren - ein bisschen klein für ein Cookout, aber ein starker Start.

Andere Gerüstmöglichkeiten umfassen das Wachsen von Zellen in Fasern, Gelen oder Schwämmen auf Alginatbasis. Oder Techniker können Pflanzenzellen in einem Prozess namens Dezellularisierung und Ausspülen von Pflanzen bevölkere das Cellulosegerüst, das von tierischen Zellen übrig geblieben ist.

Sobald die Forscher Materialien und Methoden gefunden haben, die wirklich gut funktionieren, werden wir daran arbeiten, größere Chargen zu erstellen. An diesem Punkt wird es ein Spiel sein, den Prozess zu vergrößern und die Kosten zu senken, damit gezüchtete Fleischprodukte mit gezüchteten Fleischprodukten kostengünstig sind.

Es ist immer wieder aufregend zu sehen, wie Startup-Unternehmen ihre kultivierten Fleischbällchen, Würste und Burger auf den Markt bringen. Aber ich freue mich schon darauf, was als nächstes kommt. Mit ein bisschen mehr Recherche, Zeit, Geld und Glück wird die Zuchtfleischkarte 2.0 die Steaks und Schweinekoteletts enthalten, die viele Fleischfresser kennen und lieben.Das Gespräch

Über den Autor

Natalie R. Rubio, Doktorandin für Zelluläre Landwirtschaft, Tufts University

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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