Wissenschaftler entwickeln pflanzliches Zellkulturgerüst für billigeres, nachhaltigeres Kulturfleisch

01. Mai 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Einem Forschungsteam der National University of Singapore (NUS) ist es gelungen, mithilfe gewöhnlicher Pflanzenproteine ​​ein essbares Zellkulturgerüst in 3D zu drucken, wodurch erschwinglicheres und nachhaltigeres Fleisch aus Laboranbau auf den Tisch gebracht werden kann. Da sich die Verbraucher der ökologischen und ethischen Auswirkungen ihrer Lebensmittel immer 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 Gerüsten, wachsen gelassen werden, die eine strukturelle Unterstützung bieten, während sich die Zellen vermehren und sich zu Gewebe entwickeln. Gerüste für Zellkulturen bestehen jedoch typischerweise aus synthetischen oder tierischen Materialien, 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 pflanzliche Proteine ​​auch die üblichen Anforderungen für den Lebensmittelverzehr erfüllen und das resultierende Gerüst für die Fleischzucht geeignet machen. „Durch die Verwendung leicht verfügbarer Getreideprolamine als Biomaterialien für die hochpräzise 3D-Drucktechnologie eröffnen wir eine neue Methode zur Herstellung essbarer und strukturierter Gerüste, um kultivierte Muskelfleischscheiben mit faserigen Eigenschaften herzustellen“, sagte Prof. Huang. Die Arbeit des Teams steht im Einklang mit dem Bestreben von NUS, hochmoderne Nachhaltigkeitsforschung zu betreiben, und wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe (“3D-Printed Prolamin Scaffolds for Cell-Based Meat Culture”). Mit den essbaren Zellkulturgerüsten gezüchtetes Schweinefleisch. (Bild: National University of Singapore)

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, auch bekannt als Zeine, Hordeine bzw. Secaline. Diese Mischungen dienten dann als Tinte für den elektrohydrodynamischen Druck, eine hochpräzise 3D-Drucktechnologie, die häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt wird. Um zu beurteilen, ob die Prolamin-Konstrukte für den Fleischanbau geeignet waren, wurden sie in das Zellkulturmedium getaucht und sieben Tage später untersucht, um etwaige strukturelle Veränderungen zu untersuchen. Unter einem Rasterelektronenmikroskop behielten die Gerüste ihre Struktur und brachen nicht zusammen, obwohl sich auf ihren Oberflächen 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 Gerüste für den Fleischanbau von Nutzen sein können, 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 Schweine-Skelettmuskeln und maßen in den folgenden Tagen die Zellproliferation. 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-Gerüsten vergleichsweise gut. Bemerkenswert ist, dass sich Schweinezellen, die auf die Prolamin-Konstrukte ausgesät wurden, im Vergleich zu einem Standard-Polycaprolacton-Gerüst, einem gängigen Werkzeug in der Gewebezüchtung, viel schneller vermehrten, was zeigt, dass das auf Pflanzenproteinen basierende Gerüst für die Produktion von kultiviertem Fleisch besser geeignet war als herkömmliche synthetische Polymere. „Aus Pflanzenproteinen hergestellte Gerüste sind essbar und verfügen über vielfältige und variable Peptidsequenzen, die die Zellanheftung erleichtern, die Differenzierung induzieren und das Fleischwachstum beschleunigen können.“ Im Gegensatz dazu haben synthetische Gerüste wie etwa Kunststoffkügelchen, die für Kulturfleisch verwendet werden, keine funktionelle Gruppe, was die Anheftung und Vermehrung tierischer Zellen erschwert. Darüber hinaus sind synthetische Gerüste nicht essbar und es sind zusätzliche Schritte erforderlich, um die Gerüste von der Fleischkultur zu trennen“, erläuterte Prof. Huang. Als Machbarkeitsnachweis versuchte das Forscherteam, ein echtes Stück Fleisch herzustellen, indem es Stammzellen aus Schweinehaut auf einem Zein/Secalin-Gerüst kultivierte und sie dann zu Muskeln differenzieren bzw. reifen ließ. Rübenextrakt wurde verwendet, um die rötliche Farbe des Fleisches zu simulieren. Ihr Experiment erwies sich als Erfolg. Innerhalb von 12 Tagen gelang es dem Forscherteam, Fleisch zu züchten, das in Textur und Gesamterscheinung echtem Tierfleisch ähnelte. „Da das Gerüst essbar war, waren keine besonderen oder zusätzlichen Verfahren erforderlich, um es aus dem Endprodukt zu extrahieren“, teilt Prof. Huang mit.

Weiterentwicklungen

Prof. Huang und sein Team arbeiten aktiv an der Verfeinerung der auf Pflanzenproteinen basierenden Technologie. Beispielsweise sind weitere Studien erforderlich, um besser zu bestimmen, wie sich die besondere Struktur und Zusammensetzung der Prolaminkonstrukte auf das Wachstum tierischer Stammzellen und die Bildung von Muskelgewebe auswirken könnte. „Darüber hinaus müssen wir sicherstellen, dass die resultierenden Fleischprodukte marktreif sind, mit Sicherheitsprofilen, die den strengen gesetzlichen Anforderungen genügen, und Nährstoffzusammensetzungen, die den empfohlenen Ernährungsbedürfnissen entsprechen“, sagt Prof. Huang. „Natürlich müssen sie auch appetitlich sein. Geschmack, Aroma und Textur müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, um mit traditionell gezüchteten Fleischprodukten konkurrieren zu können.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/biotech/newsid=62921.php