Wissenschaftler entwickeln pflanzliches Zellkulturgerüst für billigeres, nachhaltigeres Kulturfleisch

Ein Forschungsteam der National University of Singapore (NUS) hat erfolgreich gängige Pflanzenproteine ​​verwendet, um ein essbares Zellkulturgerüst in 3D zu drucken, wodurch erschwinglicheres und nachhaltigeres im Labor gezüchtetes Fleisch auf dem Tisch serviert werden kann.

Da sich die Verbraucher der ökologischen und ethischen Auswirkungen ihrer Lebensmittel bewusster werden, wird im Labor gezüchtetes Fleisch, auch bekannt als kultiviertes Fleisch oder zellbasiertes Fleisch, zu einer immer beliebteren Quelle für Nahrungsprotein. Kultiviertes Fleisch wird hergestellt, indem Skelettmuskelzellen von Tieren entnommen und auf dreidimensionalen Konstrukten, sogenannten Scaffolds, gezüchtet werden, die strukturelle Unterstützung bieten, wenn sich die Zellen vermehren und zu Geweben entwickeln.

Zellkulturgerüste werden jedoch typischerweise aus synthetischen oder tierischen Materialien hergestellt, die entweder zu teuer oder ungenießbar sind. Auf der Suche nach einer Alternative wandte sich das Team um Professor Huang Dejian, stellvertretender Leiter der NUS-Abteilung für Lebensmittelwissenschaft und -technologie, pflanzlichen Proteinen zu, von denen bekannt ist, dass sie biologisch abbaubar und mit tierischen Zellen biokompatibel sind. Entscheidend ist, dass Pflanzenproteine ​​auch die üblichen Anforderungen für den Lebensmittelkonsum erfüllen, wodurch das resultierende Gerüst für die Fleischzucht geeignet ist.

„Durch die Verwendung leicht verfügbarer Getreideprolamine als Biomaterialien für die hochpräzise 3D-Drucktechnologie eröffnen wir eine neue Methode zur Herstellung essbarer und strukturierter Gerüste zur Herstellung von kultivierten Muskelfleischscheiben mit faserigen Eigenschaften“, sagte Prof. Huang.

Die Arbeit des Teams wurde im Einklang mit dem Bestreben von NUS, hochmoderne Nachhaltigkeitsforschung zu produzieren, in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

Die Herstellung eines essbaren Gerüsts

Prolamine sind eine Familie pflanzlicher Speicherproteine, die aufgrund ihres spezifischen Aminosäureprofils einen geringen Nährwert haben. Tatsächlich fallen Prolamine als Abfall in der Stärke- und Pflanzenölindustrie an. Dennoch nutzten Prof. Huang und sein Team diese Eigenschaften von Prolaminen, um eine erschwingliche und nachhaltige Ressource für die Fleischkultur zu entwickeln.

Konkret verwendeten die Forscher Mischungen von Prolaminen aus Mais-, Gersten- und Roggenmehl, die auch als Zeine, Hordeine bzw. Secaline bekannt sind. Diese Mischungen fungierten dann als Tinte für den elektrohydrodynamischen Druck, eine hochpräzise 3D-Drucktechnologie, die üblicherweise in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt wird.

Um zu beurteilen, ob die Prolaminkonstrukte für die Fleischzüchtung geeignet sind, wurden sie in das Zellkulturmedium getaucht und sieben Tage später auf strukturelle Veränderungen untersucht. Unter einem Rasterelektronenmikroskop behielten die Gerüste ihre Struktur und brachen nicht zusammen, obwohl sich mehrere Löcher auf ihren Oberflächen entwickelten. Laut den Forschern sind diese Poren jedoch eher das Ergebnis von Enzymen, die von den kultivierten Zellen abgesondert werden, als ein Hinweis auf strukturelle Schwächen.

Damit Scaffolds für die Fleischzucht von Nutzen sind, müssen sie mit Muskelzellen von Nutztieren biokompatibel sein, das heißt, sie müssen in der Lage sein, diese Zellen aufzunehmen und ihr Wachstum und ihre Entwicklung zu unterstützen.

Um dies zu testen, besiedelten Prof. Huang und sein Team die Prolamin-Konstrukte mit Stammzellen aus Schweineskelettmuskeln und maßen die Zellproliferation in den folgenden Tagen. Sie fanden heraus, dass sich die Zellen auf den Gerüsten stark teilten und 11 Tage nach der Inokulation eine maximale Anzahl erreichten. Die Stammzellen wuchsen sowohl in Zein/Hordein- als auch in Zein/Secalin-Scaffolds vergleichbar gut.

Im Vergleich zu einem Standard-Polycaprolacton-Gerüst, einem gängigen Werkzeug in der Gewebezüchtung, vermehrten sich die auf die Prolamin-Konstrukte ausgesäten Schweinezellen viel schneller, was zeigt, dass das auf Pflanzenprotein basierende Gerüst für die Fleischproduktion besser geeignet war als herkömmliche synthetische Polymere.

„Gerüste aus Pflanzenproteinen sind essbar und haben vielfältige und variable Peptidsequenzen, die die Zellanheftung erleichtern, die Differenzierung induzieren und das Wachstum von Fleisch beschleunigen können. Im Gegensatz dazu haben synthetische Gerüste wie Plastikperlen, die für kultiviertes Fleisch verwendet werden, keine funktionelle Gruppe, die dies zulässt erschwert es tierischen Zellen, sich anzuheften und zu vermehren. Außerdem sind synthetische Gerüste nicht essbar und es sind zusätzliche Schritte erforderlich, um die Gerüste von der Fleischkultur zu trennen“, erläuterte Prof. Huang.

Als Proof-of-Concept versuchte das Forschungsteam, ein echtes Stück Fleisch herzustellen, indem es Stammzellen aus Schweinehaut auf einem Zein/Secalin-Gerüst kultivierte und sie dann zu Muskeln differenzieren oder reifen ließ. Rübenextrakt wurde verwendet, um die rötliche Farbe des Fleisches zu simulieren.

Ihr Experiment erwies sich als Erfolg. Innerhalb von 12 Tagen war das Forschungsteam in der Lage, Fleisch zu kultivieren, das in Textur und Gesamterscheinungsbild echtem Tierfleisch ähnlich war.

„Da das Gerüst essbar war, waren keine speziellen oder zusätzlichen Verfahren erforderlich, um es aus dem Endprodukt zu extrahieren“, teilt Prof. Huang mit. Diese Ergebnisse bestätigen weiter das Potenzial der vorgeschlagenen Gerüste auf Prolaminbasis in der kultivierten Fleischproduktion.“

Weiterentwicklungen

Prof. Huang und sein Team arbeiten aktiv an der Verfeinerung der Technologie auf Pflanzenproteinbasis. Beispielsweise sind weitere Studien erforderlich, um besser zu bestimmen, wie die besondere Struktur und Zusammensetzung der Prolamin-Konstrukte das Wachstum tierischer Stammzellen beeinflussen und wie sie Muskelgewebe bilden.

„Darüber hinaus müssen wir sicherstellen, dass die resultierenden Fleischprodukte marktreif sind, mit Sicherheitsprofilen, die strenge behördliche Anforderungen erfüllen, und Nährstoffzusammensetzungen, die die empfohlenen Ernährungsbedürfnisse erfüllen“, sagt Prof. Huang. „Natürlich müssen sie auch appetitlich sein. Geschmack, Aroma und Textur müssen sorgfältig kalibriert werden, um mit traditionell gezüchteten Fleischprodukten konkurrieren zu können.“