Damit die zelluläre Landwirtschaft, also das Züchten von Fleisch in Bioreaktoren, Millionen von Menschen ernähren kann, müssen mehrere technische Herausforderungen gemeistert werden. Muskelzellen von Hühnern, Fischen, Kühen und anderen Nahrungsmitteln müssen gezüchtet werden, um Millionen von Tonnen pro Jahr zu produzieren.
Um dieses Ziel zu erreichen, haben Forscher am Tufts University Center for Cellular Agriculture (TUCCA) in den USA unsterbliche Rindermuskelstammzellen (iBSCs) entwickelt, die schnell wachsen und sich hunderte Male und möglicherweise unbegrenzt teilen können. Dieser Fortschritt, der in der Fachzeitschrift ACS Synthetic Biology beschrieben wird, bedeutet, dass Forscher und Unternehmen auf der ganzen Welt Zugang zu neuen Produkten haben und diese entwickeln können, ohne wiederholt Zellen aus Biopsien von Nutztieren entnehmen zu müssen.
Für die Produktion von zellgezüchtetem Fleisch werden Muskel- und Fettzellen mit einer sehr hohen Wachstums- und Teilungsfähigkeit benötigt. Obwohl zellgezüchtetes Fleisch mit Beispielen wie der vorläufigen FDA-Zulassung von gezüchtetem Hühnerfleisch und sogar einem Hamburger, der mit Mastodon-DNA gezüchtet wurde, in den Medien Aufmerksamkeit erregt hat, sind die Produkte immer noch teuer und schwer zu vermarkten.
Normale Muskelstammzellen, die aus lebenden Tieren entnommen werden, um eine Kultur anzulegen, teilen sich in der Regel nur etwa 50 Mal, bevor sie „alt“ werden und nicht mehr lebensfähig sind. Zwar ist es theoretisch möglich, mit diesen Stammzellen eine beträchtliche Menge Fleisch zu produzieren, doch bieten die vom TUCCA-Team entwickelten unsterblichen Zellen mehrere Vorteile. Einer davon ist die Möglichkeit, deutlich mehr Masse für die Fleischproduktion zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die breite Verfügbarkeit der unsterblichen Zellen die Einstiegshürde für andere Forscher gesenkt wird, die sich mit der zellulären Landwirtschaft befassen und nach Möglichkeiten suchen, die Kosten zu senken und die Schwierigkeiten bei der Produktion in großem Maßstab zu überwinden.
„Normalerweise mussten Forscher ihre eigenen Stammzellen aus Tieren isolieren, was teuer und mühsam ist, oder Modellzelllinien von weniger relevanten Arten verwenden, wie z. B. Muskelzellen von Mäusen“, so Andrew Stout, Doktorand an der TUCCA und leitender Forscher des Projekts, „Mit diesen neuen persistenten Rinderzelllinien können ihre Studien relevanter sein und buchstäblich zum Kern der Sache vordringen“.
Zwei Schritte waren entscheidend für die Umwandlung normaler Rindermuskelstammzellen in die unsterblichen Rindermuskelstammzellen. Wenn sich die meisten Zellen teilen und altern, verlieren sie die DNA an den Enden ihrer Chromosomen, den so genannten Telomeren, wie abgenutzte Seile, die mit der Zeit ausfransen. Dies kann zu Fehlern führen, wenn die DNA kopiert oder repariert wird. Es kann auch zum Verlust von Genen und schließlich zum Absterben von Zellen führen.
Die Forscher haben die Rinderstammzellen nun so manipuliert, dass sie ihre Telomere ständig erneuern und so ihre Chromosomen „jung“ und bereit für eine weitere Runde der Replikation und Zellteilung halten. Der zweite Schritt zur Unsterblichkeit der Zellen bestand darin, sie dazu zu bringen, kontinuierlich ein Protein zu produzieren, das eine kritische Phase der Zellteilung stimuliert. Dadurch wird der Prozess effektiv beschleunigt und die Zellen wachsen schneller.
Muskelstammzellen sind nicht das Endprodukt, das man essen möchte. Sie müssen sich nicht nur teilen und wachsen, sondern sich auch in reife Muskelzellen differenzieren, genau wie die Muskelzellen in einem Steak oder Filet oder ihnen zumindest sehr ähnlich. Stout und sein Forschungsteam fanden heraus, dass sich die neuen Stammzellen tatsächlich in reife Muskelzellen differenzierten, wenn auch nicht ganz identisch mit tierischen Muskelzellen oder Muskelzellen aus herkömmlichen Rinderstammzellen.
„Es ist möglich, dass sie reif genug sind, um den Geschmack und die Beschaffenheit von natürlichem Fleisch nachzubilden“, so Stout, „das müssen wir weiter erforschen. Sie verdoppeln sich sehr schnell, also brauchen sie vielleicht nur etwas mehr Zeit, um ihre volle Reife zu erreichen.“
„Manche mögen sich fragen, ob es sicher ist, unsterbliche Zellen zu sich zu nehmen, aber wenn die Zellen geerntet, gelagert, gekocht und verdaut sind, gibt es keinen gangbaren Weg mehr, um weiter zu wachsen“, sagt David Kaplan, Stern Family Professor für Biomedizintechnik an der Tufts University und Direktor von TUCCA. „Wie natürliches Fleisch, das wir heute essen, werden die Zellen einfach zu einem trägen Material, von dem wir hoffen, dass es köstlich schmeckt und eine breite Palette an nahrhaften Vorteilen bietet.“
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