实验室培养肉是通过在体外培养动物细胞来生产的，它不涉及动物的饲养和屠宰，因此比传统畜牧业更环保、高效、动物友好，并且可能更安全。尽管如此，培养肉的生产成本高昂，主要原料如细胞因子、营养物质和生物材料的成本较高，同时产品的质量也有待提高，这些都是限制培养肉大规模工业化的障碍。
研究简介
微生物细胞工厂在培养肉生产中的作用
微生物细胞工厂通过代谢工程改造，可以生产出用于培养肉生产的原料。这些微生物生长可以在体外通过廉价或可再生的氮和碳源支持，并且使用生物反应器进行大规模发酵过程，提供了高生产效率，同时具有资源节约和生态友好的优势。为了实现培养肉原料的高效、成本效益高和非动物依赖的供应链，微生物细胞工厂必须在产量、成本和产品活性方面进行升级。
设计高性能细胞因子
细胞因子是在无血清培养基中不可或缺的功能性添加剂，对培养肉生产中动物细胞的增殖、分化和功能维持至关重要。目前，大多数细胞因子可以通过微生物细胞工厂使用重组蛋白表达技术生产，但由于产量相对较低和复杂的纯化过程，它们的成本较高。此外，大多数细胞因子在细胞培养中稳定性差，通常需要高浓度或频繁补充，进一步提高了成本。因此，在培养肉生产中应用持久且高活性的细胞因子将延长资源使用并降低成本。蛋白质工程技术，如定向进化、合理设计和计算机辅助蛋白质设计，为设计具有强化性能的细胞因子突变体提供了有效方法，例如更高的表达水平、稳定性、特异性和生物活性。例如，人工智能技术和基于深度学习的模型，如AlphaFold、FuncLib和ProteinMPNN，已经被开发用于预测和设计蛋白质结构。尽管只有少数人源细胞因子成功地使用这些工具进行了工程化改造，但它们展示了计算机辅助设计适用于培养肉生产的高性能细胞因子的潜力。
开发功能性水解物
微生物如酵母富含营养物质，通过微生物发酵和水解，它们可以产生含有培养基基本营养物质的水解物混合物，包括游离氨基酸、核苷酸、维生素和活性肽。尽管水解物混合物中氨基酸和化合物的浓度不如化学定义的基础培养基精确，但微生物水解物提供了显著的价格优势，并被认为是培养基的成本效益添加剂。一个令人鼓舞的策略是开发含有维持细胞生长和诱导分化的功能性物质的水解物，如细胞因子、激素和白蛋白。例如，通过微生物细胞工厂开发了能够同时表达四种生长因子的酿酒酵母菌株CPK2B2。当添加到猪肌肉卫星细胞的培养基中时，CPK2B水解物显示出与商业细胞因子类似的效率，但成本大大降低。值得注意的是，高浓度的水解物可能会抑制细胞生长，因此需要进一步的研究来识别和去除潜在的有毒成分。此外，水解物受到批次间变异的影响，需要努力建立稳定的生产过程和可靠的成分测试方法。
探索用户定义的生物材料
除了培养基外，支架材料（主要是基于蛋白质的材料，如胶原蛋白、明胶和纤维连接蛋白，以及基于多糖的材料，如海藻酸、结冷胶、透明质酸和纤维素）对于创建仿生的三维生长环境和提供机械支持以促进细胞生长和组织至关重要，但也增加了培养肉的生产成本。代谢工程的进步使得微生物细胞工厂能够生产用于支架的基于多糖的材料；然而，使用微生物重组生产基于蛋白质的材料仍然具有挑战性，因为这些材料产量低，容易降解，并且凝胶形成性能差。一个替代解决方案是使用合成生物学策略重新设计生物材料，以平衡所需的属性和功能与高微生物表达效率。通过用户定义的设计和系统调节表达和修饰，可以创建和生产具有机械强度、保水性、自组装、打印性和促进细胞生长等属性的蛋白质，由微生物作为支架材料。例如，可以在大肠杆菌中表达纯蛋白质超分子材料，该材料具有凝胶形成、粘附和止血密封等功能，并且能够支持2D和3D细胞粘附、增殖和猪肌肉干细胞的肌源性分化，显示出比胶原蛋白和纤维连接蛋白更好的效果。然而，需要开发更多的生物活性材料，并且必须优化相应的微生物表达系统，以实现大规模和低成本生产。此外，需要评估生物材料的营养属性、毒理学和潜在的过敏原，以确保它们的可食用性和安全性。
生产专门的食品成分
在体外生产的纯细胞或组织通常是无色无味的。因此，食品加工是提高培养肉质量和口感不可或缺的步骤。微生物细胞工厂可以可持续地生产食品成分，如酶、不饱和脂肪酸和肉味。例如，高效的血红素供应毕赤酵母菌株使得可以生产高活性的猪肌红蛋白和大豆血红蛋白，这两种都可以用于给人造肉着色和调味。尽管如此，如何加工营养丰富、味道鲜美的培养肉最终产品尚无定论。因此，基于对培养细胞或组织与常规肉类之间风味和营养差异的深入理解，利用微生物细胞工厂为培养肉定制食品成分是一个有前景的策略。
监管考虑
微生物细胞工厂在培养肉行业的应用需要监管支持。许多地区已经建立了监管框架和安全指南，用于将微生物菌株和相关产品作为食品成分或添加剂的应用，这些可以应用于培养肉的最终产品。然而，目前对培养基没有明确的食物法规。在美国，食品药品监督管理局关于批准的培养肉产品的科学备忘录表明，培养基中的物质并不严格限于食品级。在这个备忘录中，通过反复洗涤细胞生物量以将特定成分的残留量降低到阈值以下，和/或通过比较培养肉中某一种成分的含量与常规肉类中相应成分的含量，得出了安全结论。此外，粮食及农业组织和世界卫生组织联合发布了“细胞基础食品的食品安全方面”，已经确定了培养肉的食品安全风险，并用因果链示例进行了总结。重要的是，使用微生物细胞工厂开发培养肉原料或成分应伴随着食品安全研究，以为产品批准和消费者接受提供科学数据。
总结
培养肉的生产是一个跨学科的领域，需要细胞生物学、组织工程和微生物代谢工程的科学家、技术人员和监管机构的协作努力，以促进培养肉行业的发展和成熟。通过微生物细胞工厂生产原料是降低成本和提高质量的关键策略之一。这包括设计高性能的细胞因子、开发功能性水解物、探索用户定义的生物材料和生产专门的食品成分。此外，监管框架和安全指南的建立对于这一新兴行业的成功至关重要。随着这些挑战的解决，培养肉有望成为一种可持续、环保和道德的肉类生产方式。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/nature24662
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