Zelluläre Landwirtschaft ist ein Forschungsgebiet, das sich mit der Herstellung von tierischen und pflanzlichen Produkten in Zellkultur beschäftigt. Hierunter fallen Produkte wie In-vitro-Fleisch, Fisch, Milch, Eier, Gelatine, Seide und Leder. Der zellulären Landwirtschaft wird das Potenzial einer Alternative zu den mit ökologischen und ethischen Problemen belasteten herkömmlichen Produktionsmethoden für tierische Produkte zugeschrieben. In den letzten Jahren erfuhr das Forschungsgebiet wachsendes Interesse von Wissenschaftlern und Investoren.
Üblicherweise wird zwischen zellulären und azellulären Produkten unterschieden. Zelluläre Produkte bestehen aus ganzen Zellen oder künstlichen Geweben und werden auf dem Wege des Tissue Engineering hergestellt. Azelluläre Produkte sind organische Stoffe (z. B. Proteine, Lipide), die von Zellkulturen hergestellt werden. Im Endprodukt sind dann keine Zellen enthalten. Bezüglich des Herstellungsprozesses lässt sich zelluläre Landwirtschaft in Zell-/Gewebskultivierung und Präzisionsfermentation unterscheiden.
Forschung Tissue Engineering Zellauswahl Zur Herstellung von kultiviertem Fleisch werden Stammzellen als Ausgangsmaterial verwendet, welche die Fähigkeit zu zahlreichen Zellteilungen besitzen (Proliferation) und zugleich die Kapazität, sich in ein bestimmtes Gewebe zu entwickeln (Differenzierung). Da die Hauptbestandteile von in vivo gewachsenem Fleisch Muskel- und Fettgewebe sind, fokussiert sich ein Großteil der momentanen Forschung auf die Produktion von kultiviertem Muskelfleisch und Fett, wofür jeweils verschiedene Zelltypen verwendet werden können. So enthalten beide Produkte gewebespezifische adulte Stammzellen, i. e. Satellitenzellen in Muskeln oder mesenchymale bzw. fibroadipotöse Stammzellen in Fett. In Abgrenzung zu adulten Stammzellen werden auch pluripotente Stammzellen für die Produktion eines oder mehrerer Gewebe verwendet, beispielsweise embryonale Stammzellen oder induzierte pluripotente Stammzellen. Da sich pluripotente Stammzellen in eine Vielzahl verschiedener Zelltypen ausdifferenzieren können, ist zu deren spezifischer Differenzierung eine komplexe Mischung verschiedener Zellstimuli, wie Wachstumsfaktoren oder transgene Genexpression, notwendig. Die Anforderung an die Zellen, sich noch häufig teilen zu können, um aus dem vom Tier entnommenen Material ökonomisch relevante Mengen kultivierten Fleisches herzustellen, stellt eine besondere Herausforderung für die Entwicklung der Technologie dar. Es wird dabei von 30 bis 50 notwendigen Zellteilungen ausgegangen, welche jedoch in den Bereich des Hayflick Limits kommen. Die Entwicklung von Zelllinien, d. h. der von einer Zelle oder einer geringen Anzahl an Zellen ausgehende Zellpopulation, die diesen Anforderungen gerecht werden, wird auch als Zelldesign bezeichnet. Der Begriff umfasst dabei die Auswahl der Stammzellen, die Optimierung ihrer Wachstumsbedingungen, also auch die genetische Modifikation, und hat zum Ziel, die genetische Stabilität und Reproduzierbarkeit des Wachstums und finaler Produkte zu maximieren.Mark J. Post, Shulamit Levenberg, David L. Kaplan, Nicholas Genovese, Jianan Fu, Christopher J. Bryant, Nicole Negowetti, Karin Verzijden und Panagiota Moutsatsou: Scientific, Sustainability and Regulatory Challenges of Cultured Meat. Nature Food 1, Nr. 7 (Juli 2020): S. 403–415. doi:10.1038/s43016-020-0112-z.
Nährmedien Um außerhalb eines Organismus wachsen zu können, benötigen Zellen in vitro eine Nährlösung (auch Kulturmedium) als Nährstofflieferant. Diese können neben dem Hauptbestandteil Wasser unter anderem anorganische Salze, verschiedene Zucker, Aminosäuren, Peptide, Vitamine und Wachstumsfaktoren enthalten.Meenakshi Arora: Cell Culture Media: A Review. Materials and Methods 3 (5. März 2013). doi:10.13070/mm.en.3.175. Im Gegensatz zur medizinischen Anwendung besteht in der zellulären Landwirtschaft die zusätzliche Einschränkung, dass keine oder nur geringe Anteile an tierischen Produkten wie beispielsweise Fetales bovines Serum in den Nährmedien verwendet werden können, um dem Ziel einer (von den ursprünglichen Zellen abgesehen) tierfreien Produktion von kultiviertem Fleisch gerecht zu werden.A. M. Kolkmann, M. J. Post, M. A. M. Rutjens, A. L. M. van Essen, P. Moutsatsou: Serum-Free Media for the Growth of Primary Bovine Myoblasts. Cytotechnology 72, Nr. 1 (Februar 2020), S. 111–120. doi:10.1007/s10616-019-00361-y.
Biomaterial Um adhärente (anhaftende) Zellen wie Satellitenzellen in einem Bioreaktor wachsen zu lassen, werden üblicherweise Mikroträger (Microcarrier) verwendet. Diese müssen biologisch aktiv sein, sodass die Zellen z. B. durch fokale Adhäsion mit ihnen interagieren können, und idealerweise auch biologisch abbaubar oder essbar, um im späteren Produkt keine Gefahrenstoffe darzustellen. Die Suche nach den idealen Mikroträgern stellt innerhalb der zellulären Landwirtschaft eine eigene Forschungsdisziplin dar. Auch für die Differenzierung von Myoblasten (wie auch von pluripotenten Stammzellen) zu Myozyten muss eine Stützstruktur vorhanden sein, auf der sich die zunächst mononukleären Zellen zu multinukleären Muskelfasern durch Zellfusion ausbilden können. Bei Stützstrukturen wird grundsätzlich unterschieden zwischen Hydrogelen, die ausgangs noch in flüssigem Zustand mit den Zellen gemischt werden und bei höheren Temperaturen, Salzkonzentrations- oder pH-Änderungen aushärten (z. B. Kollagen, Matrigel, Gelatin, Alginate, Agarose etc.), und bioaktiven porösen Gerüsten (Scaffolds), wie beispielsweise Soja, Pektin oder Gellan.Jasmine Si Han Seah, Satnam Singh, Lay Poh Tan, Deepak Choudhury: Scaffolds for the Manufacture of Cultured Meat. Critical Reviews in Biotechnology 42, Nr. 2 (17. Februar 2022), S. 311–323. doi:10.1080/07388551.2021.1931803.
Fermentation Mit Hilfe von Präzisionsfermentation (engl. precision fermentation) lassen sich tierische Produkte wie zum Beispiel Milch und Eier herstellen. Beide Lebensmittel besitzen Proteine mit besonderen sensorischen Eigenschaften, die nur schwierig durch pflanzliche Proteine ersetzt werden können. Durch Präzisionsfermentation lassen sich durch genetisch veränderte Mikroorganismen diese Proteine herstellen, ohne dass hierfür ein Tier benötigt wird.
Ein bereits etabliertes Produkt ist zum Beispiel mikrobiell fermentiertes Lab.Valentin Waschulin, Liz Specht: Cellular agriculture: An extension of common production methods for food In: Website des Good Food Institute (PDF), abgerufen am 29. März 2022. Das Enzym Chymosin B ist eine Protease, die natürlicherweise im Labmagen von Kälbern gebildet wird. Es ist in der Lage, Proteine in der Milch der Mutterkuh zu spalten, und erleichtert so die Verdauung der Proteine für das Kalb. Gleichzeitig führt das Spalten der Milchproteine zu einer Veränderung der Löslichkeit der Proteine. Die Proteine fallen aus und die Milch dickt ein. Aufgrund dieser Fähigkeit wird Lab bzw. das darin enthaltene Chymosin B zur Produktion von Käse verwendet. Traditionell wird Lab aus den Mägen geschlachteter Kälber gewonnen. Durch Präzisionsfermentation ist seit Anfang der 1990er Jahre auch eine tierfreie Alternative möglich. Durch Einführen der Original-Gensequenz von Chymosin B aus dem Hausrind in einen Pilz (Trichoderma reesei) kann ein identisches Protein aus einem Fermentationsprozess anstatt aus Schlachtung gewonnen werden. Heutzutage werden 80 % des weltweit in der Käseproduktion eingesetzten Labs auf diese Weise produziert.
Motive für die Erforschung Umwelt Um den Umwelteinfluss von kultiviertem Fleisch herauszufinden, gibt es verschiedene LCA-Studien (life cycle asessment), die kultiviertes Fleisch mit konventionellen Tierprodukten vergleichen. Die neueste Studie (Stand 2022) kommt vom niederländischen Forschungsinstitut CE Delft. Demnach wird der ökologische Fußabdruck wie folgt verringert: Kultiviertes Fleisch verursacht 92 % weniger Treibhausgas-Emissionen als konventionelles Rindfleisch, 52 % weniger als konventionelles Schwein und 17 % weniger als konventionelles Huhn. Außerdem benötigt kultiviertes Fleisch laut einer Prognose bei Verwendung nachhaltiger Energie (CM sust.) im Vergleich zu konventionellem Rindfleisch bis zu 95 % weniger Land, 78 % weniger Wasser, spart bis zu 93 % der Feinstaubbelastung ein und verringert die Auswirkungen auf die globale Erwärmung um 92 %.FBR BP Biorefinery & Sustainable Value Chains, FBR Bioconversion, VLAG, Iris Vural Gursel, Mark Sturme, Jeroen Hugenholtz, Marieke Bruins: Review and Analysis of Studies on Sustainability of Cultured Meat. Wageningen: Wageningen Food & Biobased Research, 2022. doi:10.18174/563404.Elliot Swartz: New studies show cultivated meat can have massive environmental benefits and be cost-competitive by 2030 vom 9. März 2021; In: Blog des Good Food Institute; abgerufen am 30. März 2022.
Gesundheit Die Zielsetzung, mit kultiviertem Fleisch das tierische Produkt nachzuahmen, setzt eine grundlegende Übereinstimmung der Zusammensetzung von Muskelfleisch und kultiviertem Fleisch voraus. Natürliches Fleisch trägt zur vollwertigen Protein-, Vitamin- und Mineralstoffversorgung bei, die je nach Entnahmeregion, Tier oder Fleischprodukt variieren kann. Kritik gegenüber Fleischprodukten entspringt vor allem erhöhten Anteilen gesättigter Fettsäuren in nicht mageren Fleischstücken oder Fleischprodukten.L. M. Valsta, H. Tapanainen, S. Männistö: Meat Fats in Nutrition. Meat Science 70, Nr. 3 (Juli 2005): S. 525–530.doi:10.1016/j.meatsci.2004.12.016. Ebenso werden Zusätze in Fleischprodukten wie Pökelsalz durch ihre gesundheitsschädliche Auswirkung bei hohem Konsum kritisiert. Die synthetische Herstellung von kultiviertem Fleisch ermöglicht es hypothetisch, die Fettmenge sowie die Fettsäurezusammensetzung durch Adipozyt-Kulturen zu optimieren.Chriki, Sghaier, Jean-François Hocquette: The Myth of Cultured Meat: A Review. Frontiers in Nutrition 7 (7. Februar 2020): S. 7. doi:10.3389/fnut.2020.00007. Ein Austausch von gesättigten mit mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren, wie sie in Fisch vorkommen, ist in Diskussion. Da das Endprodukt von den hinzugefügten Zellen und dem Nährmedium definiert wird und durch eben diese verändert werden kann, besteht die Möglichkeit des Feintunings. Dadurch könnte das als erstrebenswert anerkannte Verhältnis von Omega-6- zu Omega-3-Fettsäuren in den hergestellten Produkten eingestellt werden. Zwar ist die Umsetzung dieser Überlegungen noch nicht gesichert, es gibt jedoch einige Ansätze der Fettoptimierung, z. B. durch Fettsäuresupplementation des MediumsIlse Fraeye, Marie Kratka, Herman Vandenburgh, Lieven Thorrez: Sensorial and Nutritional Aspects of Cultured Meat in Comparison to Traditional Meat: Much to Be Inferred. Frontiers in Nutrition 7 (24. März 2020): S. 35. doi:10.3389/fnut.2020.00035. oder durch Tuning der Fettsäurezusammensetzung in den zugegebenen Adipozyten.Kyle D. Fish, Natalie R. Rubio, Andrew J. Stout, John S.K. Yuen, David L. Kaplan: Prospects and Challenges for Cell-Cultured Fat as a Novel Food Ingredient. Trends in Food Science & Technology 98 (April 2020), S. 53–67. doi:10.1016/j.tifs.2020.02.005.
Die Zugabe von Vitaminen und Mineralien wird derzeit durch Supplementation des Mediums oder des Endproduktes erforscht.Andrew J. Stout, Addison B. Mirliani, Erin L. Soule-Albridge, Julian M. Cohen, David L. Kaplan: Engineering Carotenoid Production in Mammalian Cells for Nutritionally Enhanced Cell-Cultured Foods. Metabolic Engineering 62 (November 2020), S. 126–137. doi:10.1016/j.ymben.2020.07.011. Durch fortschreitende Forschung wird der nutritive Inhalt kultivierten Fleisches möglicherweise den von tierentnommenem Fleisch übertreffen, jedoch muss dieser mit den Einflüssen der Veränderungen auf Geschmack und Konsistenz des Endproduktes abgeglichen werden. Forschung in diesem Bereich beschäftigt sich mit dem Fortschrittsgedanken, kultiviertes Fleisch zu verbessern und gleichzeitig potenzielle Konsequenzen dieser Abänderungen aufzudecken und zu beheben.