人造牛肉干，你敢嘗嘗嗎？

出品：科普中國

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

隨著全球牛肉消費(fèi)的不斷增長(zhǎng)，如何滿足人們對(duì)肉類的需求成為了一個(gè)重要的問題。

在這個(gè)問題背后，一個(gè)新興領(lǐng)域正嶄露頭角，它被稱為細(xì)胞農(nóng)業(yè)。有了這一技術(shù)，在未來我們可能不再需要真正的農(nóng)場(chǎng)來養(yǎng)殖肉牛，就能夠品嘗到美味的牛肉干了——這聽起來像是科幻電影的情節(jié)，但事實(shí)上，細(xì)胞農(nóng)業(yè)正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

牛肉

（圖片來源：作者拍攝）

什么是細(xì)胞農(nóng)業(yè)？

細(xì)胞農(nóng)業(yè)是一種直接利用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)來生產(chǎn)食品的革命性方法。通過在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)和繁殖動(dòng)物細(xì)胞，我們可以生產(chǎn)出與傳統(tǒng)肉類相似的食品，而無需進(jìn)行養(yǎng)殖和屠宰過程。

通過細(xì)胞農(nóng)業(yè)技術(shù)，無需飼養(yǎng)整只動(dòng)物，只培養(yǎng)我們吃的那部分就夠了，比如，當(dāng)我們只想吃牛排時(shí)，就無需費(fèi)力氣培養(yǎng)骨頭、角、蹄等組織或器官。

細(xì)胞農(nóng)業(yè)流程示意圖，它不涉及動(dòng)物的養(yǎng)殖，而是工業(yè)化的細(xì)胞培養(yǎng)過程

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

培養(yǎng)牛肉細(xì)胞的過程是怎樣的？

想吃人造牛肉干，就得從牛肌肉干細(xì)胞開始培養(yǎng)。牛的干細(xì)胞培養(yǎng)的整個(gè)過程非常復(fù)雜、精確而又能源密集。

首先，在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)從牛體組織中提取的肌肉細(xì)胞。在一個(gè)小小的燒瓶中，這些細(xì)胞會(huì)被培養(yǎng)在特殊的營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液能提供細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的生長(zhǎng)因子、激素、重組蛋白和其他調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)的物質(zhì)。隨著時(shí)間的推移，最初的種子細(xì)胞會(huì)開始繁殖，并逐漸形成更大的生物反應(yīng)器。這個(gè)過程需要保持細(xì)胞和營養(yǎng)液的特定比例，以滿足細(xì)胞的生長(zhǎng)需求。

細(xì)胞培養(yǎng)的培養(yǎng)皿和營養(yǎng)液

（圖片來源：wikipedia）

然而，科學(xué)家目前仍面臨一個(gè)挑戰(zhàn)，就是從活體動(dòng)物中提取的牛肌肉干細(xì)胞在培養(yǎng)過程中通常只能分裂約50次，然后就會(huì)進(jìn)入老化狀態(tài)，無法再繼續(xù)存活。

這50次倍增的閾值被稱為Hayflick極限。Hayflick極限是指大多數(shù)哺乳動(dòng)物體細(xì)胞的有限分裂次數(shù)。這個(gè)概念由Leonard Hayflick在20世紀(jì)60年代提出。細(xì)胞分裂極限是由于每次細(xì)胞分裂時(shí)染色體末端的特殊結(jié)構(gòu)——端粒（telomere）的縮短。每次細(xì)胞分裂，端粒都會(huì)縮短一定的長(zhǎng)度，當(dāng)端?？s短到一定程度時(shí)，細(xì)胞就無法繼續(xù)分裂，進(jìn)入停滯狀態(tài)或細(xì)胞凋亡（細(xì)胞死亡）。

在細(xì)胞分裂過程中，其染色體末端的端粒（紅色部分）會(huì)不斷縮短，最終導(dǎo)致細(xì)胞無法繼續(xù)分裂

（圖片來源：wikipedia）

為了解決這個(gè)問題，塔夫茨大學(xué)細(xì)胞農(nóng)業(yè)中心的研究人員開發(fā)了永生化的牛肌肉干細(xì)胞(iBSC)，它們可以快速生長(zhǎng)并分裂數(shù)百次，甚至可能無限期分裂。

這些永生化的牛肌肉干細(xì)胞會(huì)不會(huì)成為癌細(xì)胞？

一個(gè)研究成果發(fā)表在了《ACS Synthetic Biology》（《美國化學(xué)會(huì)合成生物學(xué)》）上，塔夫茨大學(xué)的研究人員對(duì)牛干細(xì)胞進(jìn)行了工程改造，使其不斷重建端粒，有效地保持染色體的“年輕”狀態(tài)，并為新一輪的復(fù)制和細(xì)胞分裂做好準(zhǔn)備，這些細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了120多次分裂。

《ACS Synthetic Biology》文章截圖

（圖片來源：作者）

研究人員注意到，對(duì)于永生細(xì)胞的開發(fā)存在一種擔(dān)憂，那就是，永生細(xì)胞可能會(huì)發(fā)展成癌細(xì)胞。因?yàn)榘┘?xì)胞就是異常增殖和分裂的細(xì)胞，繞過了正常細(xì)胞對(duì)Hayflick極限的調(diào)控機(jī)制。

然而，根據(jù)他們的研究，這些永生化的牛肌肉干細(xì)胞并未表現(xiàn)出致癌的性質(zhì)。研究人員將這些細(xì)胞注入到小鼠體內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞能夠在小鼠體內(nèi)形成腫瘤或傳播（癌細(xì)胞通常具有這些特性）。此外，他們也在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行了長(zhǎng)期觀察，沒有發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞有任何的畸變或不正常的增長(zhǎng)特性。

未來的肉類生產(chǎn)會(huì)發(fā)生什么改變？

隨著科技的發(fā)展和細(xì)胞農(nóng)業(yè)的普及，我們可以預(yù)見，未來肉類生產(chǎn)方式會(huì)進(jìn)一步多樣化。

細(xì)胞農(nóng)業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一在于能大幅提高肉類生產(chǎn)效率。例如，根據(jù) Open Philanthropy的報(bào)告，一個(gè)成熟的、擴(kuò)大規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)肉行業(yè)，最終可能實(shí)現(xiàn)用3—4卡路里的能量，就能生產(chǎn)1卡路里的食用蛋白。如果飼養(yǎng)動(dòng)物的話，這個(gè)比例在雞肉中是每攝入10卡路里可產(chǎn)生1卡路里的食用蛋白，牛肉則是25卡路里。

當(dāng)然，消費(fèi)者更關(guān)心的可能是另外兩點(diǎn)：價(jià)格和口味。雖然目前的人造肉價(jià)格昂貴，且口感與真肉有明顯差異，但或許未來有一定的提升空間。

在口感上，我們目前已經(jīng)看到了人造肉的曙光：2019年，以色列的 Aleph Farms 公司就宣布，他們已經(jīng)成功地利用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)出一塊色香味俱佳的牛排。這一產(chǎn)品在實(shí)際的餐廳環(huán)境中得到了驗(yàn)證，并得到了消費(fèi)者的積極反饋。

總的來說，雖然細(xì)胞農(nóng)業(yè)面臨許多挑戰(zhàn)，但它有一定的潛力，未來可能有望成為食品生產(chǎn)的重要方式之一。

參考文獻(xiàn)：

【1】Stout, Andrew J., et al. "Immortalized bovine satellite cells for cultured meat applications." ACS Synthetic Biology (2022).

【2】Hayflick, Leonard. "The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains." Experimental cell research 37.3 (1965): 614-636.

【3】Reiss J, Robertson S, Suzuki M. Cell sources for cultivated meat: applications and considerations throughout the production workflow[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(14): 7513.