NUS-Wissenschaftler entwickeln pflanzliches Zellkulturgerüst für billigeres, nachhaltigeres Zuchtfleisch
Diese essbaren Gerüste beschleunigen nicht nur den Prozess der Fleischzüchtung im Labor, sondern können auch mit weithin verfügbaren pflanzlichen Prolaminen in 3D gedruckt werden
Einem Forscherteam der National University of Singapore (NUS) ist es gelungen, gängige Pflanzenproteine für den 3D-Druck eines essbaren Zellkulturgerüsts zu verwenden, so dass nun erschwinglicheres und nachhaltigeres Fleisch aus dem Labor auf den Tisch kommen kann.
Gezüchtetes Schweinefleisch, das mit den essbaren Zellkulturen angebaut wurde.
National University of Singapore (NUS)
NUS-Professor Huang Dejian (Mitte) und sein Forschungsteam, zu dem auch Su Lingshan (links) und Dr. Jing Linzhi (rechts) gehörten, entwickelten die pflanzlichen Zellkulturgerüste.
National University of Singapore (NUS)
In dem Maße, in dem sich die Verbraucher der ökologischen und ethischen Auswirkungen ihrer Lebensmittel bewusster werden, wird im Labor gezüchtetes Fleisch, auch als Kulturfleisch oder Fleisch auf Zellbasis bekannt, zu einer immer beliebteren Quelle für Nahrungsproteine. Zur Herstellung von kultiviertem Fleisch werden Skelettmuskelzellen von Tieren entnommen und auf dreidimensionalen Konstrukten, so genannten Gerüsten, gezüchtet, die eine strukturelle Unterstützung bieten, während sich die Zellen vermehren und zu Geweben entwickeln.
Zellkulturgerüste werden jedoch in der Regel aus synthetischen oder tierischen Materialien hergestellt, die entweder zu teuer oder ungenießbar sind. Auf der Suche nach einer Alternative wandte sich das Team unter der Leitung von Professor Huang Dejian, stellvertretender Leiter des NUS-Departments für Lebensmittelwissenschaft und -technologie, pflanzlichen Proteinen zu, die bekanntermaßen biologisch abbaubar und mit tierischen Zellen biokompatibel sind. Entscheidend ist, dass die Pflanzenproteine auch die allgemeinen Anforderungen für den Verzehr von Lebensmitteln erfüllen, so dass das resultierende Gerüst für die Züchtung von Fleisch geeignet ist.
"Indem wir leicht verfügbare Getreideprolamine als Biomaterialien für die hochpräzise 3D-Drucktechnologie verwenden, eröffnen wir eine neue Methode zur Herstellung essbarer und strukturierter Gerüste für die Produktion von kultivierten Muskelfleischscheiben mit faserigen Eigenschaften", so Prof. Huang.
Die Arbeit des Teams, die im Einklang mit dem Bestreben der NUS steht, Spitzenforschung im Bereich der Nachhaltigkeit zu betreiben, wurde am 22. Oktober 2022 in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Die Herstellung eines essbaren Gerüsts
Prolamine sind eine Familie von pflanzlichen Speicherproteinen, die aufgrund ihres spezifischen Aminosäureprofils einen geringen Nährwert haben. In der Tat 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 Fleischproduktion 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 dienten dann als Tinte für den elektrohydrodynamischen Druck, ein hochpräzises 3D-Druckverfahren, das häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt wird.
Um zu beurteilen, ob die Prolamin-Konstrukte für die Fleischkultivierung geeignet waren, wurden sie in das Zellkulturmedium getaucht und sieben Tage später auf strukturelle Veränderungen hin untersucht. Unter dem Rasterelektronenmikroskop behielten die Gerüste ihre Struktur bei und brachen nicht zusammen, obwohl sich auf ihrer Oberfläche mehrere Löcher bildeten. Den Forschern zufolge sind diese Poren jedoch eher das Ergebnis von Enzymen, die von den kultivierten Zellen abgesondert werden, als ein Hinweis auf strukturelle Schwächen.
Damit die Gerüste für die Züchtung von Fleisch von Nutzen sind, müssen sie mit Muskelzellen von landwirtschaftlichen Tieren biokompatibel sein, d. h. sie müssen diese Zellen aufnehmen und ihr Wachstum und ihre Entwicklung unterstützen können.
Um dies zu testen, setzten Prof. Huang und sein Team die Prolamin-Konstrukte mit Stammzellen aus Schweineskelettmuskeln ein und maßen die Zellvermehrung in den folgenden Tagen. Sie stellten fest, dass sich die Zellen auf den Gerüsten ausgiebig teilten und 11 Tage nach der Besiedlung eine maximale Anzahl erreichten. Die Stammzellen wuchsen sowohl in Zein/Hordein- als auch in Zein/Secalin-Gerüsten vergleichbar gut.
Im Vergleich zu einem Standardgerüst aus Polycaprolacton, einem üblichen Hilfsmittel im Tissue-Engineering, wuchsen die Schweinezellen, die auf die Prolamin-Konstrukte ausgesät wurden, wesentlich schneller, was zeigt, dass das Gerüst auf Pflanzenproteinbasis für die kultivierte Fleischproduktion besser geeignet ist als synthetische Standardpolymere.
"Gerüste aus Pflanzenproteinen sind essbar und verfügen über vielfältige und variable Peptidsequenzen, die die Zellanhaftung erleichtern, die Differenzierung fördern und das Wachstum von Fleisch beschleunigen können. Im Gegensatz dazu haben synthetische Gerüste wie Plastikkügelchen, die für Fleischkulturen verwendet werden, keine funktionellen Gruppen, was es tierischen Zellen erschwert, 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.
Zur Erprobung des Konzepts versuchte das Forschungsteam, ein echtes Stück Fleisch herzustellen, indem es Stammzellen der Schweinehaut auf einem Zein/Secalin-Gerüst kultivierte und sie dann zu Muskeln differenzieren oder reifen ließ. Um die rötliche Farbe von Fleisch zu simulieren, wurde Rübenextrakt verwendet.
Das Experiment erwies sich als erfolgreich. Innerhalb von 12 Tagen gelang es dem Forschungsteam, Fleisch zu züchten, das in Textur und Gesamterscheinung echtem Tierfleisch ähnlich war.
"Da das Gerüst essbar war, waren keine besonderen oder zusätzlichen Verfahren erforderlich, um es aus dem Endprodukt zu extrahieren", berichtet Prof. Huang. Diese Ergebnisse bestätigen das Potenzial der vorgeschlagenen Prolamin-basierten Gerüste für die kultivierte Fleischproduktion".
Weitere Entwicklungen
Prof. Huang und sein Team arbeiten aktiv an der Verfeinerung der auf Pflanzenproteinen basierenden Technologie. So sind beispielsweise weitere Studien erforderlich, um besser zu bestimmen, wie sich die besondere Struktur und Zusammensetzung der Prolamin-Konstrukte auf das Wachstum der tierischen Stammzellen und die Bildung von Muskelgewebe auswirken könnte.
"Darüber hinaus müssen wir sicherstellen, dass die daraus resultierenden Fleischprodukte marktreif sind, mit Sicherheitsprofilen, die den strengen behördlichen Anforderungen genügen, und mit einer Nährstoffzusammensetzung, die den empfohlenen Ernährungsbedürfnissen entspricht", 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.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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