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Nature Outlook:细胞培养肉商业化面临四大挑战!

编者按:

近期,Nature Outlook推出了以“可持续营养”为主题的一系列推文。《肠道产业》将对该期Nature Outlook进行全文翻译。

今天,我们共同关注细胞培养肉。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

细胞培养肉

2015 年,当 Laura Domigan 在新西兰奥克兰大学成立自己的研究小组时,她希望可以在实验室中继续进行细胞培养肉的工作。但是由于当时学术界几乎没有支持培养肉研究的基金资助,所以 Domigan 只能转型研究生物医学材料在组织工程中的应用。

作为一名受过良好训练的蛋白质生化学家,她致力于为眼科手术制造人造眼角膜――这与实验室培育牛排相去甚远。

尽管如此,她却从未放弃体外培养食用肉的梦想。Domigan 说:“我必须要保持超强的耐心并不停努力。”虽然花费了多年的时间,但是最终 Domigan 的策略还是有了回报。

最开始,她为一名博士生争取到基金来开始开发培育细胞培养肉的营养培养基配方。

然后,在 2020 年的 10 月份,由 Domigan 领导的研究小组获得了新西兰和新加坡政府的数百万美元的资助,以供他们探究哪些细胞是培养肉类的最佳起始材料,以及在实验室中培养的肉是否与真正的肉类营养成分相当等问题。

Domigan 说:“这个领域还有很多研究需要去做。”大部分的研究也才刚刚开始,并且是以一些看得见的方式开始的。

在过去几年里,投资者已经为培养肉研究倾注数亿美元,与之相伴的是大肆的宣传与夸张的新闻报道,称一场农业革命可能会绕过传统肉类生产的环境和动物福利问题。

伊利诺斯州芝加哥市的咨询公司 Kearney 公司的一项估算表示,到 2040 年,全球消费的肉类将有 35%是由培养所得,这一变化预计将会减少温室气体的排放以及抗生素的使用。由于 COVID-19 的大流行揭露了全球食品供应链中的关键弱点,目前一些人预计这种向培养肉的过渡将会更快地发生。

2020 年 12 月初,一家名为 Eat 的美国初创企业刚刚宣布,它的鸡块(70%是培养的鸡肉细胞,同时还添加了植物蛋白)已经获得了监管部门的批准,可以在新加坡向消费者出售,这是培养肉行业的全球首个商业化产品。

科学家们担心的是,如此快速地将产品推向市场很可能意味着基础研究还没有进行,或者因为商业机密而被保密。

总部位于纽约的关注可替代蛋白质的初创企业的风险投资基金会 Lever VC 的风险合伙人 Abhi Kumar 表示,初创企业们纷纷大张旗鼓地展示出实验室培育的鸡块、猪肉香肠、牛排条和海鲜馅饺子。但是这些只能表明这些公司“可以小规模地生产”。他说现今的挑战是使其规模化。

对细胞原材料以及流体细胞生长所需的营养基质,还有支持 3D 组织结构的支架的改良是必不可少的。下一代生物反应器平台必须可以高密度地生长大量细胞。这些研究工作花费颇多,以至于领域内许多人都怀疑是否有私人的资助可以支持这些研究,且还能生产出民众负担得起的产品。

这也是细胞农业领域的领先思想家,如 Good Food Institute (GFI)的 Erin Rees Clayton 主张更加开放的科学以及公共的资助的原因。

华盛顿的非营利智囊团 GFI 的科学与技术副主任 Rees Clayton 说:“这些领域需要公共性研究。这一领域离竞争还有一定的距离,大家可以以更加开放的方式完成更多的工作。我们都可以从中受益,并更快地进步。”

为了填补基金的缺口,GFI 制定了一项研究资助计划。该计划在过去两年内已经向 16 个从事培养肉项目研究的研究团队提供了近 300 万美元的资助。

同时,学术机构也开始考虑这一新生学科相关人才的聘用。比如,德国慕尼黑工业大学开始接受细胞农业教授的申请。而且,正如 Domigan 的融资成功所证明的那样,各国政府也在关注财政支持的呼吁。

细胞农业领域开始面临着一些巨大的科学和工程化的挑战,来自各种学科背景的科学家也加入了这一领域。

马萨诸塞州伍斯特理工学院的生物医学工程师 Glenn Gaudette 表示:“这项细胞农业研究是我每天早起的动力。”

近 20 年来,他一直致力于研发用于心脏再生疗法的支架技术。 现在,他将自己的专业知识应用于如何培养肉类的问题。“它能商业化吗?不,还没有,希望有一天可以。但是这项技术真的很令人兴奋。”

                        图. 规模化生产像实验室培育的肉汉堡这样的产品还有很长的路要走。

挑战1 争夺基金

在 21 世纪初,美国国家航空航天局(NASA)短暂地为在实验室中培育金鱼肌肉,用于作为长期任务中宇航员潜在的蛋白质来源提供了支持。

几年后,荷兰政府赞助了一个 200 万欧元(合 230 万美元)的利用干细胞培养猪肉的研究项目。该项目还获得了 Google 的联合创始人 Sergey Brin 的 250,000 欧元注资,并引发了该领域迄今为止最引人注目的时刻――当时荷兰马斯特里赫特大学的血管生物学家 Mark Post 在 2013 年推出了世界上首个培养汉堡。

但是,除了时不时提供给探究使用细胞培养肉的社会影响的资助外,很少会有其他的公共资金用于培养肉的研究。

非盈利组织 New Harvest 的前研究主管 Kate Krueger 说,政府机构很大程度上避开了这一领域,因为这类科学未经证实且涉及到学科交叉,与资助来源的官方机构的传统分界线背道而驰。

Krueger 说:“细胞农业属于生物医学研究和农业研究领域之间的无人区。”他目前也在剑桥经营着一家咨询公司,业务以细胞农业为主。

GFI 和 New Harvest 的资金在一定程度上填补了资金缺口。不过,情况正在改变。

随着科学界对这一课题的兴趣与日俱增,政府也开始向这一领域注入更多资金。仅在过去几个月里就发放了几笔大额赠款。

例如,2020 年 11 月,政府机构佛兰德斯创新创业(Flanders Innovation and Entrepreneurship)开始资助一项名为 CUSTOMEAT 的为期 4 年的项目,金额为 210 万欧元,该项目由比利时根特大学和鲁汶大学的科学家共同运营。

在美国,美国国家科学基金会(NSF)在 2020 年 9 月份拨款 350 万美元,在未来五年内继续资助加州大学戴维斯分校的一个培养肉联合会。

负责戴维斯研究工作的化学工程师 David Block 说:“我们希望我们能够提供基本知识,并培养一支训练有素的员工队伍,这些就是发展一个行业所需的各种东西。”

曾担任瑞士食品业巨头雀巢公司研究小组的负责人 Johannes le Coutre 说,专家们称许多培养肉的公司可能存在过度承诺和交付不足的情况,但是学术科学可以帮助他们“保持信誉”。Johannes le Coutre 于 2019 年加入澳大利亚悉尼的新南威尔士大学,运行一个专门研究细胞农业的实验室。

加利福尼亚大学洛杉矶分校的生物物理学家 Amy Rowat 指出,学术界还为研究人员提供了从事研究项目的智力自由,他们可以利用基础科学方面的专业知识提出创新的思维方式,或者解决虽然与产品开发没有直接关系但对整个领域很重要的问题。

根据马萨诸塞州梅德福的塔夫茨大学生物工程师 David Kaplan 的说法,进入该领域的下一代科学家“完全有动力做出改变”。

他说:“在我从事这一领域的数十年中,从未见过如此积极热情的学生。” Andrew Stout 就是一个例子, Stout 是 Kaplan 实验室的博士研究生,他正在重新思考细胞农业的整个过程,从最基本的成分开始:肌肉细胞本身。

大多数进行实验室培养肉的公司要么直接使用取自动物组织活检的细胞,要么使用通过自然突变而自发变为永生的细胞系,这些突变允许其在实验室中无限增殖。

但是由于担心消费者的强烈反对,很少有公司会考虑通过基因操作来获得最佳性能。不过,Stout 意识到,基因工程为实现培养肉的营养前景提供了一条途径。

                     图. Ka Yi Ling 和 Sandhya Sriram 是新加坡 Shiok Meats 公司的联合创始人。

挑战2 原始材料的选择

他在牛的肌肉细胞中插入了三个基因[1]。每个基因编码的酶都参与抗氧化剂的合成,可减轻与食用红肉和加工肉类有关的疾病,例如结肠癌。这些酶也可能有助于培养肉的生产,因为抗氧化剂攻击的不稳定分子会阻止某些实验室培养的细胞的增殖。

如果消费者愿意接受这种类型的 DNA 增强,Stout 说:“基因工程和代谢工程可以对培养肉产生很大的影响并从中受益,甚至可以让我们以另一种方式创造出我们无法获得的新颖食品。”

其他研究者正重新考虑,用于培养肉产品的细胞是否需要来自于西方文化中已普遍食用的物种。

例如,塔夫茨大学的另一位研究生 Natalie Rubio 已经探索了利用昆虫细胞来培育肉,从而创造出口感可类似螃蟹、虾和其他海鲜味道的产品。

利用果蝇(Drosophila melanogaster)[2]和烟草天蛾幼年毛虫的肌肉细胞进行研究,Rubio 表明昆虫细胞比传统家畜物种的细胞以更容易且更低成本的方式生长,而且可能还有营养优势。

同时,其他科学家希望通过细胞培养的斑马鱼鱼片这个想法将研究团队团结起来,至少是作为加速该领域进展的工具。

斑马鱼(Danio rerio)是研究疾病遗传、神经和行为基础的一种模式生物。

纽约非营利组织 Clean Research 的执行董事 Alain Rostain 现在也希望把它变成细胞农业基础研究项目的目标物种。他说:“现在还没有很多基本的认识。我们需要很多人的参与进来,一起自由思考科学。”

而且,正如 Rostain 和他的同事所说[3],研究人员可以从已经为斑马鱼建立的分子工具箱中受益。

另外,作为一种肌肉中脂肪含量很少的精瘦鱼类,斑马鱼鱼片应该比实验室培养的含脂肪三文鱼、金枪鱼、牛肉、猪肉等类似的切片更容易生产。Rostain 说,培育养的斑马鱼肉的味道很可能与鳕鱼或黑线鳕等白鱼味道相似,而斑马鱼研究中的发现也可以转化应用到其他任何可食用物种。

不管起始材料是什么,所有的细胞都需要一种优化的生长培养基――富含化学物质和蛋白质的肉汤,以支持细胞增殖和分化。

许多公司已经设计出无需营养丰富的胎牛血的培养方法(胎牛血是大多数体外培养基的基石),从而创造出行业所需的免屠宰产品。但这种无血清培养基对培养肉来说提高了它的成本,从而无法使大众负担得起。

新加坡一家细胞培养海鲜食品公司 Shiok Meats 的首席科学官 Ka Yi Ling 说:“很难找到一个经济高效的选择。”

挑战3 培养基的构建

根据 GFI 的一项分析[4],目前生长培养基占了培养肉类总生产成本的大部分,而被称为生长因子的蛋白质是其最昂贵的成分。

随着致力于服务细胞农业产业的初创企业设计出制造这些产品的新方法,成本正在下降。但正如加拿大埃德蒙顿 Future Fields 的联合创始人兼首席科学官 Matt Anderson Baron 承认的那样,”在优化和发现方面还有很多工作要做。”

假设研究人员找到了细胞系和生长培养基的正确组合,他们也必须在支架上生长这些细胞。理想的支架应该是可食用的,这样就不需要将其从最终产品中去除。

对于汉堡、香肠等碎肉产品,称为微载体(microcarriers)的小球可以提供大多数肌肉细胞和脂肪细胞生长所需的表面特性。但是对于任何具有更复杂肉类结构的产品,例如牛排或伊比利亚火腿,它们都需要更复杂的组织工程方法。

来自马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的一个团队提供了一种选择。生物工程师 Kevin Kit Parker 和他的同事们开发了一种纺纱技术,该技术就像棉花糖机器一样,可以从明胶中挤出长而细的纤维[5]。

研究人员将明胶(一种源自胶原蛋白的蛋白质产品)放入他们的机器中,并产生了细小的线(比头发的宽度窄),这种线与肌肉组织中的纤维结构高度相似。

去年,Parker 和他的同事们发现,在明胶纤维上生长的兔和牛的肌肉细胞排列正确[6]。虽然这些细胞仍然没有像真正的肌肉那样密集,但是 Parker 与他的三个博士后以及学生们一起成立了一家名为 Boston Meats 的公司,以进一步改善技术。

他说:“现在,有了我们的支架,您的选择就可以从汉堡变成鱼片了。”

在其他地方,研究人员已经从食物中制备支架了,如组织化大豆蛋白以及剥离了细胞成分、只保留支撑结构的蛋白质和糖类的各种蔬菜。

例如,在加拿大渥太华大学,生物物理学家 Andrew Pelling 和他的学生使用了脱细胞的芹菜茎,并证明其天然结构产生的凹槽有助于促进肌肉细胞的形成和排列[7]。

伍斯特理工学院的 Gaudette 团队在无细胞菠菜叶上培养了脂肪和肌肉细胞,植物细腻的静脉分支网络为营养介质到达各个培养肉细胞提供了理想的管道。

然而,由于肌肉细胞和脂肪细胞需要不同的生长基质,研究人员通常将这两种细胞分别培养在各自的支架上,放在不同的营养池中。包括 Rowat 在内的一些研究者已经设计出一种策略,将肌肉和脂肪交织在一起,以获得肥瘦分布极佳的牛排的味道。

Rowat 解释说:“这些细胞实际上是在数小时的时间尺度上与另一种同伴支架融合在一起,形成这些复合结构。”在未发表的研究中,她用老鼠和兔子的细胞制造了微型肥瘦相间牛排,并开始研究猪和牛的细胞。

但即使有了最新的支架策略,一些肌肉生物学家担心组织生理学的关键方面仍然被忽视。

位于悉尼的致力于生产袋鼠和羊驼等动物细胞培养肉的初创公司 Vow 公司首席科学官 James Ryall 说:“作为一个产业,我们对细胞分裂过于关注,却忽略了融合和成熟。”

为了形成肌肉组织,成千上万的前体细胞必须先融合在一起才能形成长肌管。这些细胞需要物理刺激才能成熟为肌纤维。

KU Leuven Kortrijk 校区的肌肉组织工程师 Lieven Thorrez 说,只有到那时,在实验室中生长的肌肉才会具有真实肉的质地和营养特性。

他说:“这个过程需要时间。你不能仅仅在几天内就分化出细胞,并宣称这种肌纤维与成年动物的肌纤维相同。然而,这个问题在很大程度上被忽略了。”

挑战4 规模化

由于有许多科学问题有待于解决,所以无论是在学术实验室还是私人实验室中,细胞培养肉的研究仍处于实验阶段。为了实现商业可行性,该行业需要找到前所未有的大规模组织生产方法。

英国纽卡斯尔大学的组织工程师 Che Connon 估计,使用实验室培养的肉类来供应全世界人口,需要建立一个每年生长10的24次方的细胞的系统,而目前这种理想的规模,在基于哺乳动物细胞的生产中使用的分批生物处理技术是无法实现的。

全球的生产能力可以满足该需求的约十亿分之一。Connon 说:“这是一个巨大的限制因素。”他开发了一种连续细胞生物反应器平台,他计划通过一家名为 CellulaREvolution 的衍生公司将其进行商业化。

与此同时,西雅图生命科学软件公司 Biocellion SPC 总裁、计算机科学家 Simon Kahan 领导着一个名为培养肉建模小组( Cultivated Meat Modeling Consortium)的团队。

该团队于 2019 年成立,旨在通过建模技术优化生物加工技术。在德国技术公司默克公司的资助下,该团队开发了搅拌罐式生物反应器的概念验证模型,其中仅涉及旋转转子和自由漂浮的微小珠子,用于培养肌肉细胞。

这个生物反应器可能相当简陋,但这个团队的计算机模型却完全不是如此。流体力学和细胞生物力学的模拟揭示了大规模培养肌肉细胞或脂肪细胞的核心挑战。

Kahan 说:“你有两个矛盾的目标,为了支持营养和气体交换,你正在尝试使物质保持良好的混合状态,同时需要尝试使细胞受到很小的机械流体压力。”在行业合作伙伴的投入下,该团队计划在其模型中增加更多复杂性,以模拟现实世界中生物反应器的模型。

拥有 NSF 资助的 Block 小组甚至没有时间尝试生物反应器设计。他的团队有很多事情要忙,忙于解决细胞系,培养基和支架的问题,以及对细胞培养肉行业进行可行性评估。

Block 说:“对我来说,目前还不清楚这是否将是可行的选择”,无论从技术,经济还是可持续的角度来看。 但是,随着每一项新的资助或每一个新的研究团队进入到该领域,从细胞中培养出完美烤制的四分熟牛排的目标就变得越来越接近实现。

参考文献:

1. Stout, A. J., Mirliani, A. B., Soule-Albridge, E. L., Cohen, J. M. & Kaplan, D. L. Metab. Eng. 62, 126C137 (2020).

2. Rubio, N. R., Fish, K. D., Trimmer, B. A. & Kaplan, D. L. ACS Biomater. Sci. Eng. 5, 1071C1082 (2019).

3. Potter, G. et al. One Earth 3, 54C64 (2020). 4. Specht, L. An Analysis of Culture Medium Costs and Production Volumes for Cultivated Meat (The Good Food Institute, 2020).

5. Reza Badrossamay, M., McIlwee, H. A., Goss, J. A. & Parker, K. K. Nano Lett. 10, 2257C2261 (2010).

6. MacQueen, L. A. et al. npj Sci. Food 3, 20 (2019). 7. Campuzano, S., Mogilever, N. B. & Pelling, A. E. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.02.23.958686 (2020).

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-03448-1

作者|Elie Dolgin

编译|Johnson

审校|617

编辑|笑D