如果你是食肉动物,你吃的肉来自动物的肌肉。但是动物不仅仅由肌肉组成。他们的器官和骨骼大多数美国人都不吃。他们需要食物、水、空间和社会关系。它们产生废物。

农民花费大量的能源和资源来种植复杂的生物,在种植过程中产生浪费,只会把精力集中在他们可以收获的有利可图的肉块上。

这样做会更容易,更人道,更少浪费生产人们想要的零件. 有了细胞生物学和组织工程,就有可能只长出肌肉和脂肪组织。它叫养殖肉. 科学家为细胞提供生长所需的相同输入,就在动物外:营养、氧气、水分和来自细胞邻居的分子信号。

到目前为止,研究人员已经培养的细胞束可以变成加工过的肉,比如汉堡或香肠。这个养殖肉技术仍处于研究和开发的早期阶段,因为原型被放大和微调,以应对商业化的挑战。但生物工程师们已经在接受下一个更严峻的挑战:种植像牛排或鸡肉片这样的有组织的肉块。

什么肉做的

如果你在显微镜下观察一块生肉,你可以在细胞水平上看到你在吃什么。每一口都是由肌肉和脂肪细胞组成的基质,与血管交织在一起,并被结缔组织覆盖。

细胞水平上有斑点的火鸡
火鸡切片染色显示细胞水平的组织骨骼肌组织-也称为肉。娜塔莉·鲁比奥

肌肉细胞富含蛋白质和营养,脂肪细胞富含脂肪。这两种细胞构成了食肉动物咬汉堡或牛排时的大部分味觉和口感。

动物活着时,血管为其组织提供营养和氧气;屠宰后,血液为肉添加了独特的金属鲜味。

结缔组织由胶原蛋白和弹性蛋白等蛋白质组成,将肌肉纤维组织成一束排列整齐的束,朝向收缩的方向。这种结缔组织在烹饪过程中会发生变化,给肉增加质地和软骨。

细胞农业研究人员面临的挑战是从下到上模拟肉类的复杂性。我们可以在皮氏培养皿中培养肌肉和脂肪细胞,但血管和结缔组织不会像动物那样自发生成。我们如何设计生物材料和生物反应器来提供营养扩散和诱导组织,从而最终得到一块厚而有组织的肉?

养殖肉汉堡是第一步

研究人员从牛、猪或鸡身上取少量组织,分离出单个细胞,以制造出任何人工养殖的肉。然后,像我这样的生物工程师把细胞放在塑料瓶中,在体温下给它们营养、氧气和水分。这些细胞是快乐的,可以指数级分裂,产生越来越多的细胞。

当在塑料上生长时,细胞将继续分裂,直到它们存在于所有可用的表面积上。这就形成了一个只有一个细胞厚的拥挤层。一旦细胞停止分裂,它们就开始成熟。肌肉细胞融合在一起形成长长的肌肉纤维,脂肪细胞开始产生脂质。研究人员可以将这些细胞组合在一起,制造加工肉制品,如汉堡、热狗和香肠。

动物细胞本身就可以复制大部分的肉食经验。但是如果没有血管和结缔组织,你就不会得到一个有组织的三维组织,而这正是你需要的有组织的肉块,比如牛排、鸡胸和培根。

为了克服这一挑战,科学家们可以利用生物材料来复制血管(用于营养和氧气转移)和结缔组织(用于组织和质地)的结构和功能。这个研究领域被称为脚手架开发.

支架是牛排的秘密配料

支架的概念起源于医学领域医用组织工程. 科学家们将细胞和支架结合起来,生产出功能性生物材料,用于研究、毒理学筛选或临床试验植入物.

这些生物材料可以采取不同的形式薄膜,凝胶,海绵取决于什么性质是理想的结果组织。例如,你可以在平坦的胶原膜上生长皮肤细胞为了帮助烧伤患者或羟基磷灰石海绵中的骨细胞促进骨再生。

对于医疗应用,支架通常需要安全植入,不能诱导机体免疫系统的反应,可降解,并能支持细胞生长。

对于食品应用,支架的设计考虑是不同的。它们应该仍能支持细胞生长,但同样重要的是,它们的生产成本低廉、可食用且对环境友好。一些常见的食品生物材料包括植物纤维素、蘑菇中的一种叫做壳聚糖的碳水化合物和海藻中的一种叫做海藻酸盐的碳水化合物。

这里有一个我在实验室研究过的养殖肉的“食谱”。首先,创建一个合适的支架。从蘑菇中分离壳聚糖,将其溶解在水中,形成粘性凝胶。将凝胶放入试管中,将一端暴露在低温物质中,如干冰或液氮。从冷端开始,整个凝胶管会慢慢冻结。冷冻的凝胶可以在非常低的温度下通过真空拉动凝胶进行冷冻干燥,最终形成干燥的海绵状材料。这个定向冷冻过程产生海绵有小的、长的、排列整齐的毛孔,类似于一捆稻草和肌肉组织。

定向孔壳聚糖海绵的制备工艺
壳聚糖海绵的简易制备方法。图片来源:娜塔莉·鲁比奥/CC BY-ND 4.0型

然后,你可以把这些细胞转移到这个三维的海绵上,为生长更厚的组织提供更多的表面积,而不是在扁平的塑料上生长肉。毛孔还可以帮助营养和氧气在整个组织中分布。到目前为止,通过这项技术,我的实验室已经能够生产出不到一厘米见方的小块肉;对于野餐来说有点小,但是一个很好的开始。

其他支架的可能性包括在海藻酸钠基纤维、凝胶或海绵中生长细胞。或者,技术人员可以通过一种称为脱细胞和细胞培养的方法将植物细胞从植物中冲洗出来重新填充动物细胞留下的纤维素框架.

一旦研究人员找到了非常有效的材料和方法,我们将致力于制造更大的批次。在那一点上,这将是一个游戏,扩大过程和降低成本,使养殖肉制品可以与养殖肉制品的成本竞争力。

看到初创公司推出他们的培植肉丸、香肠和汉堡总是令人兴奋的。但我在展望下一步。再加上更多的研究、时间、资金和运气,养殖肉菜单2.0将包括许多食肉动物知道和喜爱的牛排和猪排。谈话

娜塔莉R。卢比奥,细胞农业博士研究生,塔夫斯大学

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图片来源:利索夫斯卡娅·纳塔利亚/Shutterstock.com网站

Natalie Rubio于2015从Boulder科罗拉多大学获得学士学位,化学工程和生物工程学位。在她的本科生涯中,她与非营利组织“新收获”和“食品生物技术公司完美日食品”一起工作。毕业后,娜塔莉在加州帕洛阿尔托的实验室管理软件公司Quartzy工作了一年。。。

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