Echte Textur für im Labor gezüchtetes Fleisch

Forscher züchten Muskelzellen auf essbaren Fasern

24.10.2019 - Großbritannien

Laborgezogenes oder kultiviertes Fleisch könnte die Lebensmittelproduktion revolutionieren und eine grünere, nachhaltigere und ethischere Alternative zur Massenfleischproduktion bieten. Aber das im Labor gezüchtete Fleisch von der Petrischale auf den Teller zu bekommen, erfordert die Lösung mehrerer großer Probleme, einschließlich der Frage, wie man große Mengen davon herstellen kann und wie man es sich wie echtes Fleisch anfühlen und schmecken lässt.

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) Kaninchen- und Kuhmuskelzellen auf essbaren Gelatinegerüsten gezüchtet, die die Textur und Konsistenz von Fleisch nachahmen und zeigen, dass realistische Fleischprodukte letztendlich hergestellt werden können, ohne dass Tiere aufgezogen und geschlachtet werden müssen.

Die Forschung ist in der Zeitschrift Nature Science of Food veröffentlicht.

Kit Parker, der Tarr Family Professor für Bioengineering und Angewandte Physik an der SEAS und Senior-Autor der Studie, begann seinen Streifzug durch die Lebensmittelbranche, nachdem er eine Wettbewerbsshow im Food Network bewertet hatte.

"Die materialwissenschaftliche Kompetenz der Köche war beeindruckend", sagte Parker. "Nach Gesprächen mit ihnen begann ich mich zu fragen, ob wir alles, was wir über die regenerative Medizin wussten, auf das Design von synthetischen Lebensmitteln anwenden könnten. Denn alles, was wir über den Bau von Organen und Geweben für die regenerative Medizin gelernt haben, gilt für die Ernährung: Gesunde Zellen und gesunde Gerüste sind die Bausubstrate, die Gestaltungsregeln sind die gleichen, und die Ziele sind die gleichen: die menschliche Gesundheit. Dies ist unser erster Versuch, Hardcore Engineering Design und skalierbare Fertigung in die Entwicklung von Lebensmitteln einzubringen."

Tierisches Fleisch besteht hauptsächlich aus Skelettmuskeln (und Fettgewebe), die in langen, dünnen Fasern wachsen - wie man an der Körnung eines Steaks oder beim Zerkleinern von Schweinefleisch oder Huhn sehen kann. Die Reproduktion dieser Fasern ist eine der größten Herausforderungen bei biotechnologischem Fleisch.

"Muskelzellen sind adhärente Zelltypen, d.h. sie brauchen etwas, woran sie sich festhalten können, wenn sie wachsen", sagt Luke MacQueen, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter bei SEAS und dem Wyss Institute for Bioinspired Engineering. "Um Muskelgewebe zu züchten, die Fleisch ähneln, mussten wir ein "Gerüst"-Material finden, das essbar war und es den Muskelzellen erlaubte, sich anzubringen und in 3D zu wachsen. Es war wichtig, einen effizienten Weg zu finden, um große Mengen dieser Gerüste herzustellen, um ihren möglichen Einsatz in der Lebensmittelproduktion zu rechtfertigen."

Um diese Herausforderungen zu meistern, verwendeten die Forscher eine von Parker und seiner Disease Biophysics Group entwickelte Technik, das so genannte Immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS), bei dem lange Nanofasern mit Hilfe von Zentrifugalkräften in bestimmten Formen und Größen gedreht werden. Das Team spinnte lebensmittelechte Gelatinefasern, um die Grundlage für das Wachstum von Zellen zu bilden. Die Fasern imitieren die extrazelluläre Matrix des natürlichen Muskelgewebes - den Klebstoff, der das Gewebe zusammenhält und zur Textur beiträgt.

Das Team säte die Fasern mit Kaninchen- und Kuhmuskelzellen, die an der Gelatine verankert sind und in langen, dünnen Strukturen wachsen, ähnlich wie echtes Fleisch. Mit mechanischen Tests verglichen die Forscher die Textur ihres im Labor gezüchteten Fleisches mit echtem Kaninchen, Speck, Rinderfilet, Prosciutto und anderen Fleischprodukten.

"Bei der Analyse der Mikrostruktur und Textur haben wir festgestellt, dass natürliches Fleisch, obwohl die kultivierten und natürlichen Produkte eine vergleichbare Textur aufweisen, mehr Muskelfasern enthält, was bedeutet, dass sie reifer sind", sagt MacQueen. "Muskel- und Fettzellreifung in vitro sind nach wie vor eine wirklich große Herausforderung, die eine Kombination aus fortschrittlichen Stammzellquellen, serumfreien Nährmedienformulierungen, essbaren Gerüsten wie unserem sowie Fortschritten bei den Methoden der Bioreaktorkultur erfordert."

Dennoch zeigt diese Forschung, dass voll im Labor gezüchtetes Fleisch möglich ist.

"Unsere Methoden werden ständig verbessert und wir haben klare Ziele, denn unsere Designregeln sind von natürlichem Fleisch geprägt. Schließlich denken wir, dass es möglich sein könnte, Fleisch mit definierten Texturen, Geschmacksrichtungen und Nährwertprofilen zu gestalten - ein bisschen wie beim Brauen", sagt MacQueen.

"In Zukunft sind die Ziele Nährwertgehalt, Geschmack, Textur und erschwingliche Preise. Das langfristige Ziel ist die Reduzierung der Umweltbelastung durch Lebensmittel", sagt Parker.

"Die Entwicklung von kultiviertem Fleisch bringt eine Reihe technischer Herausforderungen mit sich, darunter die Formulierung eines Gerüstmaterials, das Zellen erfolgreich unterstützen kann, und die Entwicklung von Zelllinien, die für den Konsum im Maßstab geeignet sind", sagte Kate Krueger, Forschungsdirektorin bei New Harvest, einer Forschungseinrichtung für zelluläre Landwirtschaft, die nicht an der Forschung beteiligt war. "Die Autoren dieser Publikation haben Gerüstmaterialien entwickelt, die in diesen Bereichen viel versprechend sind."

Harvard's Office of Technology Development hat das geistige Eigentum im Zusammenhang mit diesem Projekt geschützt und prüft Vermarktungsmöglichkeiten.

Diese Forschung wurde von Charles G. Alver, Christophe O. Chantre, Seungkuk Ahn, Luca Cera, Grant M. Gonzalez, Blakely B. O 'Connor, Daniel J. Drennan, Michael M. Peters, Sarah E. Motta und John F. Zimmerman mitgetragen. Es wurde von SEAS, dem Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, dem Harvard Materials Research Science and Engineering Center und der TomKat Foundation unterstützt.

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