Fleischerzeugung ohne Tierleid: Co-Kultur-System setzt auf Photosynthese
Forscher entwickeln nachhaltige Alternative zu Serum für kultiviertes Fleisch
Es besteht ein dringender Bedarf an umweltfreundlichen Fleischproduktionstechnologien, um den weltweit steigenden Nahrungsmittelbedarf zu decken. Die kultivierte Fleischproduktion ist eine solche Technologie, die als Alternative zur herkömmlichen Fleischproduktion viel Aufmerksamkeit auf sich zieht. Bei dem 2012 erstmals entwickelten Kulturfleisch handelt es sich um Fleisch, das durch Züchtung oder Kultivierung von Muskelzellen von Tieren in einem Labor hergestellt wird.
Forscher haben ein System entwickelt, in dem Leberzellen und photosynthetische Mikroorganismen zusammen gezüchtet werden können, um ein kostengünstiges, umweltfreundliches Medium für das Wachstum von Muskelzellen ohne tierisches Serum zu schaffen.
Dr. Tatsuya Shimizu from Tokyo Women’s Medical University, Japan
In der Regel wird für die Produktion von kultiviertem Fleisch Serum (oder der flüssige Teil des Blutes) von Tieren benötigt, das für das Wachstum von Muskelzellen im Kulturmedium unerlässlich ist, da Serum reichlich Proteine enthält, die das Wachstum von Muskelzellen fördern. Die Verwendung von tierischem Serum ist aus mehreren Gründen problematisch, z. B. wegen der hohen Kosten, des Kontaminationsrisikos und ethischer Bedenken. Daher besteht ein Bedarf an Kulturmethoden, die das Wachstum von Muskelzellen ohne die Verwendung von Serum ermöglichen.
Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Tatsuya Shimizu von der Tokyo Women's Medical University zusammen mit der Doktorandin Shanga Chu und Professor Toru Asahi von der Waseda University, Professor Yuji Haraguchi von der Tokyo Women's Medical University und Professor Tomohisa Hasunuma von der Kobe University ein neues System für die Kultivierung von Muskelzellen ohne Serum unter Verwendung photosynthetischer Mikroorganismen entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden am 23. August 2024 in Scientific Reports veröffentlicht.
Normalerweise liefert tierisches Serum Proteine, so genannte Wachstumsfaktoren, die für das Wachstum von Muskelzellen unerlässlich sind. Es ist jedoch bekannt, dass auch Rattenleberzellen diese Wachstumsfaktoren absondern. Die Forscher entdeckten, dass das nach der Kultivierung dieser Leberzellen verbleibende Medium (oder der Überstand) Wachstumsfaktoren enthält und das Wachstum von Muskelzellen ohne die Verwendung von Serum unterstützen kann. "Obwohl mehr wachstumsfaktorproduzierende Zellen und eine längere Kultivierung eine größere Menge an Wachstumsfaktoren hervorbringen, besteht der Nachteil darin, dass die Zellen gleichzeitig Abfallprodukte wie Laktat und Ammoniak in das Medium abgeben, was schließlich das Wachstum der Muskelzellen behindert", erklärt Shimizu.
Daher ist die Beseitigung der Abfallprodukte von entscheidender Bedeutung, um die Leistung dieses Kulturüberstandes als Alternative zum tierischen Serum zu verbessern. Um dieses Problem zu lösen, hatten die Forscher L-Laktat-assimilierende Cyanobakterien (photosynthetische Mikroorganismen) mit Genen zur Umwandlung von Laktat in Pyruvat entwickelt, die in der Lage sind, schädliche Abfallstoffe wie Laktat und Ammoniak aufzunehmen und sie in Nährstoffe für tierische Zellen (Rattenleberzellen und Muskelzellen) wie Pyruvat und Aminosäuren umzuwandeln.
In dieser Studie schlug die Forschergruppe ein neues System vor, bei dem die Wachstumsfaktoren absondernden Rattenleberzellen zusammen mit den modifizierten Cyanobakterien kultiviert werden und der Überstand aus dieser Co-Kultur dann zur Förderung des Muskelzellwachstums ohne Serum verwendet werden kann. Sie fanden heraus, dass die Co-Kultur von Cyanobakterien mit Rattenleberzellen zu einer 30-prozentigen Reduzierung von Laktat und einer über 90-prozentigen Reduzierung von Ammoniak führte. Darüber hinaus konnten die von den Cyanobakterien produzierten Nährstoffe die Nährstoffverarmung der Rattenleberzellen verringern, so dass der Überstand der Co-Kultur im Vergleich zu dem Überstand, der aus den allein gezüchteten Rattenleberzellen gewonnen wurde, eine Fülle von Nährstoffen wie Glukose und Pyruvat enthielt.
Als dieser Co-Kultur-Überstand zur Kultivierung von Muskelzellen verwendet wurde, stellten sie fest, dass die Wachstumsrate der Muskelzellen dreimal höher war als bei der Verwendung von Rattenleberzellen allein. Dies zeigt, dass die Co-Kultivierung von Cyanobakterien die Leistung des Kulturüberstandes als Serumalternative erheblich verbessert und die Zellkultur durch Abfallverwertung optimiert.
"Unsere Studie liefert ein neuartiges, kostengünstiges und nachhaltiges Zellkultursystem mit breiter Anwendbarkeit in verschiedenen Bereichen der zellulären Landwirtschaft, wie z.B. der kultivierten Fleischproduktion, der Fermentation, der biopharmazeutischen Produktion und der regenerativen Medizin. Darüber hinaus könnte die Kultivierung von tierischen Zellen mit photosynthetischen Mikroorganismen als Technologie zur Erzeugung von Fleisch ohne Tötung von Tieren nicht nur dazu beitragen, künftige Herausforderungen im Bereich der Ernährungssicherheit zu bewältigen, sondern auch ethische Bedenken und Probleme im Zusammenhang mit dem Klimawandel zu lösen", schließt Shimizu.
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