未來的肉可能與過去的肉完全不同。 斯坦利·庫布里克（Stanley Kubrick），《外觀》雜誌照片集的攝影師，國會圖書館，版畫和照片部，LC-USZ6-2352。, CC BY-ND
如果你是食肉動物，你吃的肉來自動物肌肉。 但是動物不僅僅是肌肉。 它們有大多數美國人不消耗的器官和骨骼。 他們需要食物，水，空間和社會聯繫。 他們產生廢物。
農民花費大量的精力和資源來種植複雜的生物，在這個過程中造成浪費，只關注他們可以收穫的有利可圖的肉類。
它會更容易，更人性化，更少浪費 只生產人們想要的零件。 通過細胞生物學和組織工程，可以僅生長肌肉和脂肪組織。 它被稱為養殖肉。 科學家們為細胞提供了生長所需的相同輸入，就在動物體外：細胞鄰居的營養，氧氣，水分和分子信號。
到目前為止，研 栽培的細胞束 可以變成加工肉類，如漢堡或香腸。 這種養殖肉類技術仍處於研究和開發的早期階段，因為原型經過擴大和微調，以應對商業化的挑戰。 但是，已經生物工程師正在接受下一個更嚴峻的挑戰：增加結構化的肉類切塊，如牛排或雞排。
什麼肉製成的
如果你在顯微鏡下觀察一塊生肉，你可以看到你在細胞水平上吃的東西。 每一口都是肌肉和脂肪細胞的基質，與血管交織並被結締組織包裹。
肌肉細胞充滿了蛋白質和營養素，脂肪細胞充滿了脂肪。 當咬入漢堡或牛排時，這兩種細胞類型有助於大部分味道和口感 - 食肉動物體驗。
火雞的部分被染色顯示細胞水平的組織骨骼肌肉組織 - 亦稱肉。 娜塔莉盧比奧
當血管存活時，血管為動物的組織提供營養和氧氣; 屠宰後，血液為肉類增添了獨特的金屬鮮味細微差別。
由膠原蛋白和彈性蛋白等蛋白質組成的結締組織將肌纖維組織成對齊的束，朝向收縮方向。 這種結締組織在烹飪過程中會發生變化，並為肉類增添質地和軟骨。
細胞農業研究人員面臨的挑戰是從下到上模仿這種肉類的複雜性。 我們可以在培養皿中培養肌肉和脂肪細胞 - 但血管和結締組織不像動物那樣自發產生。 我們如何設計生物材料和生物反應器以提供營養物擴散和誘導組織，以便我們最終得到厚厚的，結構化的肉塊？
養殖漢堡是第一步
為了製造任何養殖肉類，研究人員採用小型 - 認為大理石大小 - 來自牛，豬或雞的大量組織並分離單個細胞。 然後，像我這樣的生物工程師將細胞放入塑料瓶中，給它們提供養分，氧氣和水分，同時將它們放在體溫下。 細胞很快樂，可以指數級分裂，創造出越來越多的細胞。
當在塑料上生長時，細胞將繼續分裂，直到它們存在於所有可用的表面區域上。 這導致一個單元厚的擁擠層。 一旦細胞停止分裂，它們就會開始成熟。 肌肉細胞融合在一起，形成長肌纖維，脂肪細胞開始產生脂質。 研究人員可以將這些細胞組合在一起，製作加工過的肉類產品，如漢堡，熱狗和香腸。
單獨的動物細胞可以復制大部分的肉類經驗。 但是如果沒有血管和結締組織，你就不會得到一個有組織的三維組織 - 而這正是你需要的結構切肉，如牛排，雞胸肉和培根。
為了克服這一挑戰，科學家們可以使用生物材料來複製血管（用於營養和氧氣轉移）和結締組織（用於組織和紋理）的結構和功能。 這個研究領域被稱為 腳手架開發.
提供一些細胞生長的結構將從漢堡包到牛排的養殖肉。 Tyler Olson / Shutterstock.com
腳手架是牛排的秘方
支架的概念起源於 用於醫療應用的組織工程。 科學家將細胞和支架結合起來，為研究，毒理學篩查或研究提供功能性生物材料 植入物.
這些生物材料可以採用不同的形式 - 薄膜，凝膠，海綿 - 取決於所得組織中所需的性質。 例如，你可以 在平坦的膠原蛋白膜上生長皮膚細胞 創造一個皮膚移植，以幫助燒傷受害者或 羥基磷灰石海綿中的骨細胞 用於骨再生。
對於醫學應用，支架通常需要安全植入，不得誘導身體免疫系統的反應，可降解並能夠支持細胞生長。
對於食品應用，支架的設計考慮因素是不同的。 它們仍應支持細胞生長，但同樣重要的是它們價格低廉，可食用且對環境友好。 用於食品應用的一些常見生物材料包括來自植物的纖維素，來自蘑菇的稱為殼聚醣的碳水化合物和來自藻類的稱為藻酸鹽的碳水化合物。
這是我在實驗室工作過的一種“肉食配方”。 首先，創建一個合適的腳手架。 從蘑菇中分離殼聚醣並將其溶解在水中以產生粘性凝膠。 將凝膠放入管中，將一端暴露於冷物質，如乾冰或液氮。 從冷端開始，整個凝膠管將慢慢凍結。 然後可以通過在非常低的溫度下在凝膠上真空抽吸來冷凍乾燥冷凍凝膠，最終產生乾燥的海綿狀材料。 該 定向冷凍過程產生海綿 具有類似於一捆吸管的小而長的對齊毛孔 - 以及肌肉組織。
用於製造具有對齊孔的殼聚醣海綿的簡化方法。 娜塔莉盧比奧, CC BY-ND
然後，您可以將細胞轉移到這種三維海綿上，而不是在扁平塑料上種植肉，為更厚的組織提供更多的表面積。 毛孔還可以幫助在整個組織中分配營養和氧氣。 到目前為止，通過這種技術，我的實驗室已經能夠生產出不到一平方厘米的小塊肉 - 雖然有點小，但是起點很強。
其他支架可能性包括在藻酸鹽基纖維，凝膠或海綿內生長細胞。 或者，技術人員可以在稱為脫細胞化的過程中從植物中沖洗植物細胞 重新填充留下動物細胞的纖維素框架.
一旦研究人員找到了能夠很好地發揮作用的材料和方法，我們就會努力創造更大批量的產品。 在這一點上，這將是一個擴大過程和降低成本的遊戲，因此養殖肉類產品可以與養殖肉類產品相比具有成本競爭力。
看到創業公司推出他們的培養肉丸，香腸和漢堡，總是令人興奮。 但是我正在展望下一步。 有了更多的研究，時間，資金和運氣，養殖肉類菜單2.0將包括許多食肉動物知道和喜愛的牛排和豬排。
關於作者
Natalie R. Rubio，細胞農業博士候選人， 塔夫茨大學
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