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In-vitro-Fleisch-Erstproduktion

In-vitro-Fleisch-Erstproduktion


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Ich habe mich für die Wissenschaft hinter In-vitro-Fleisch interessiert und habe mich gefragt, was nötig wäre, um es herzustellen. Benötigen Sie zunächst eine Primärkultur oder eine immortalisierte Zelllinie? Und wie würden Sie eine solche Kultur schaffen, die sich richtig differenziert?

Die nächste Analogie dazu wäre meiner Meinung nach die Geweberegeneration, aber es fällt mir schwer, Antworten auf diese Fragen zu finden.

Vielen Dank!


Kultiviertes Fleisch

In-vitro-Fleisch ist die (Idee der) Herstellung von Fleischprodukten durch "Tissue-Engineering"-Technologie. Kultiviertes Fleisch (= in-vitro-Fleisch = sauberes Fleisch) könnte gegenüber traditionellem Fleisch finanzielle, gesundheitliche, tierschutz- und umweltbezogene Vorteile haben. Die Idee: Tierfleisch zu produzieren, aber ohne ein Tier zu verwenden. Ausgangszellen werden schmerzlos lebenden Tieren entnommen, in ein Kulturmedium gegeben, wo sie sich unabhängig vom Tier zu vermehren und zu vermehren beginnen. Theoretisch wäre dieser Prozess effizient genug, um den weltweiten Fleischbedarf zu decken. All dies würde ohne genetische Manipulation geschehen, d. h. ohne dass in die genetischen Sequenzen der Zellen eingegriffen werden müsste.

Die Herstellung von kultiviertem Fleisch für verarbeitete Fleischprodukte wie Würstchen, Burger und Nuggets sollte vergleichsweise einfach sein, während kultivierteres Fleisch, das stärker strukturiert sein sollte, wie für ein In-vitro-Steak, deutlich anspruchsvoller ist. Ein Steak besteht aus Muskelgewebe, das von extrem langen, feinen Kapillaren durchzogen ist, die Blut und Nährstoffe direkt zu den Zellen transportieren. Es ist viel schwieriger, eine so komplexe Struktur zu reproduzieren, als die kleinen Zellbälle zusammenzusetzen, die zu größeren Zellbällen wachsen, die wiederum in-vitro Chicken Nuggets werden.

Die wichtigsten Herausforderungen, die es zu meistern gilt, um Fleisch aus tierischem Fleisch in Bezug auf Geschmack und Wirtschaftlichkeit zu übertreffen, sind:

Starterzellen:
Diese können durch Biopsie schmerzlos von lebenden Tieren entnommen werden. Die Frage ist: Welcher Zelltyp soll verwendet werden? Stammzellen sind Zellen, die sozusagen noch nicht entschieden haben, was sie zu Muskelzellen, Knochenzellen oder zu einer von so vielen anderen Zellarten werden sollen? Dies ist ein Nachteil, da für die Herstellung von In-vitro-Fleisch sehr spezielle Zellen benötigt werden. Der Vorteil von Stammzellen besteht jedoch darin, dass sie sich schnell vermehren. Die Alternative zur Verwendung von Stammzellen wäre die Verwendung vollständig definierter Muskelzellen, die “ wissen, was sie sind”, obwohl das Problem hier ist, dass sie sich kaum vermehren. Ein Kompromiss besteht darin, Zellen zu verwenden, die zwischen den beiden Extremen liegen, also Zellen, die in einem akzeptablen Tempo proliferieren und sich gleichzeitig ausreichend von anderen Zelltypen, beispielsweise Myoblasten, unterscheiden.

Wachstumsmedium / Kulturmedium:
Ziel ist es, ein Medium zu finden, in dem die Zellen kostengünstig und frei von tierischen Inhaltsstoffen wachsen können. Serum von Kälbern zum Beispiel kann nicht mit kultiviertem Fleisch verwendet werden. Da kultiviertes Fleisch nicht über die Verdauungsorgane eines lebenden Lebewesens verfügt, die Nährstoffe umwandeln, um die Zellen zu ernähren, muss das Medium in der Lage sein, die Zellen direkt mit dem zu versorgen, was sie brauchen.

Material für ein essbares Gerüst, an das sich die Zellen anheften können:
Um dreidimensionales In-vitro-Fleisch herzustellen, ist ein Gerüst erforderlich. Ideal ist ein essbares Gerüst, das nicht aus dem Endprodukt herausgelöst werden müsste. Um die Dehnung zu simulieren, die Muskelzellen bei der Bewegung eines Lebewesens erleiden, ist es sehr wünschenswert, ein Gerüst zu entwickeln, das seine Form periodisch ändern und so die Zellen „beanspruchen“ kann. Dies könnte durch die Verwendung eines reizempfindlichen Gerüsts aus Alginat, Chitosan oder Kollagen aus nicht-tierischen Quellen erreicht werden. Das Gerüst würde sich dann periodisch als Reaktion auf kleine Änderungen der Temperatur oder des pH-Wertes dehnen. Die Zellen könnten sich auch an einer Membran oder winzigen Kügelchen anheften, die übereinander geschichtet und miteinander verbunden werden könnten.

Bioreaktor:
Im Bioreaktor kommt alles zusammen, die Zellen, das Kulturmedium und das Gerüst. Durch Temperaturschwankungen entsteht eine Umgebung, die mit einem Fitness-Center mit Bewegungstraining für die Muskelzellen vergleichbar ist. Kultiviertes Fleisch muss neben dem Bindegewebe, das Kollagen und Elastin produziert, aus kleinen und großen Fasern von Muskelzellen bestehen sowie aus Fettzellen, die für den Geschmack des Endprodukts wichtig sind.

Wirtschaftlich sinnvolle Lösungen für die oben aufgeführten Punkte sind noch nicht vollständig erforscht. Wir warten noch auf den großen Durchbruch.

Zur Idee der Natürlichkeit von Lebensmitteln möchten wir kurz anmerken: Zuchtfleisch soll die industrialisierte Intensivlandwirtschaft ersetzen, dies stellt beispielsweise keine Bedrohung oder Konkurrenz für den Anbau von Bio-Gemüse dar. Im Vergleich zur Unnatürlichkeit der industriellen Tierhaltung wäre Zuchtfleisch zweifellos ein fortschrittlicher Schritt in Bezug auf Gesundheit, Tierschutz und Ökologie.

Status Quo der globalen Forschung:
Derzeit gibt es 3 sehr aktive Länder in der Kulturfleischforschung: Die USA, hauptsächlich Kalifornien, mit Unternehmen wie "Memphis Meats" oder "Hampton Creek / Just " oder "Finless Foods" (Zuchtfisch), die Niederlande mit"MosaMeat" und nicht zuletzt Israel mit "Supermeat" und ".The Kitchen Foodtech Hub". Japan könnte mit dem Open Source "Shojinmeat Project" zu einem weiteren Hotspot der Forschung werden.


Einführung

In letzter Zeit ist das Bewusstsein für die negativen Auswirkungen von Produktion und Konsum von Fleischprodukten gewachsen [1]. Diese konzentrieren sich in erster Linie auf Umweltergebnisse, wie Treibhausgasemissionen [2] ethische Bedenken für die Tiere, die unter Intensivhaltungsbedingungen aufgezogen werden [3] und die Ineffizienz der Fleischproduktion in Bezug auf den Ressourcenverbrauch und die Fähigkeit, eine ständig wachsende Weltbevölkerung zu ernähren [ 4]. Trotz der zunehmenden Anerkennung dieser Bedenken in den USA liegt der Fleischkonsum dort dreimal so hoch wie im weltweiten Durchschnitt [5] und stieg 2015 ebenfalls um 5 % – ein Sprung größer als seit den 1970er Jahren [1]. Darüber hinaus sehen wir oft, dass Fleischkonsum mit Männlichkeit gleichgesetzt wird.

Angesichts des anhaltenden Verlangens der Menschen, Fleisch zu essen, scheint es unwahrscheinlich, dass die mit dem Konsum verbundenen Probleme durch eine Einstellungsänderung vollständig gelöst werden können. Stattdessen müssen sie aus einer anderen Perspektive angegangen werden: dem Wechsel des Produkts. Forscher in den Niederlanden haben mögliche Möglichkeiten dafür untersucht und ein Produkt aus kultivierten tierischen Stammzellen im Labor entwickelt (in vitro Fleisch, IVM)[8, 9]. Im April 2013 kochten und aßen sie die weltweit erste im Labor gezüchtete Fleischpastete, und in vitro Hamburger [10] und streben derzeit an, dieses Produkt als tragfähige Alternative für die zukünftige Fleischproduktion zu entwickeln [8, 9]. Damit zielen sie darauf ab, einige der oben genannten ethischen und ökologischen Bedenken in Bezug auf landwirtschaftliche Praktiken zu mildern [11] und die weltweit steigende Nachfrage nach Fleisch zu adressieren [12].

Laut dem führenden Wissenschaftler, der an der Herstellung von IVM beteiligt ist, sind „detaillierte Studien erforderlich, um mehr Einblick in potenzielle psychologische Hindernisse zu gewinnen, die zu einer Ablehnung führen könnten“ [8]. Angesichts der allgemeinen Zurückhaltung der amerikanischen Öffentlichkeit, Fleisch aus ihrer Ernährung zu streichen, könnte dieser neue Ansatz bei der Fleischproduktion auf einige Besorgnis stoßen. Seit der Entwicklung des IVM-Konzepts untersucht die Forschung die praktischen und philosophischen Komponenten des IVM [13–15]. Allerdings ist die öffentliche Wahrnehmung bislang relativ ungeprüft.

Mehrere qualitative Analysen wurden durchgeführt, um die Wahrnehmung von IVM in Kommentaren aus Online-Nachrichtenquellen [16] sowie in einem Gruppenforum und Interviewkontext zu untersuchen [17–19]. Im Allgemeinen bezogen sich die positiven Wahrnehmungen auf die öffentliche Gesundheit und den potenziellen Nutzen für die Umwelt, während sich die negativen Themen auf die unnatürlichen und unattraktiven Eigenschaften des Produkts, die Sicherheit und die Durchführbarkeit der industriellen Produktion konzentrierten. Im Allgemeinen schienen die Leute bereit, das Produkt auszuprobieren, zögerten jedoch, sich weiter zu engagieren [18]. Darüber hinaus fand eine Studie heraus, dass die geografische Lage mit Positivität zusammenhängt – wobei diejenigen, die in ländlichen Gebieten lebten, negativere Ansichten über das Produkt hatten. Personen, die Kommentare online abgeben, neigen jedoch zu extremeren Ansichten [20], was darauf hindeutet, dass die in den Online-Kommentaranalysen identifizierten Kommentare stärkere Meinungen darstellen können, als sie in der Öffentlichkeit vertreten wären.

Im Hinblick auf quantitative Analysen wurden zwei Online-Umfragen durchgeführt. In einer Studie [21] wurden Teilnehmer in Belgien befragt, wobei eine Methode zur bequemen Stichprobenziehung verwendet wurde, die zu Teilnehmern führte, die jünger und besser ausgebildet waren als die allgemeine Öffentlichkeit. Dies könnte zu einem linksorientierten Stichprobenbias geführt haben [22]. Bei der zweiten Umfrage, die 2013 von Forschern in den Niederlanden durchgeführt wurde, wurde eine große Anzahl von Teilnehmern befragt, ohne dass eine Stichprobenauswahl gemeldet wurde [8]. Beide Umfragen ergaben, dass die Mehrheit der Teilnehmer mit dem Konzept nicht vertraut war, jedoch gaben etwa drei Viertel jeder Stichprobe an, dass sie IVM ausprobieren würden. Die positiven Faktoren im Zusammenhang mit IVM waren die Reduzierung von Abfall und Leiden [21] und die Lösung des Welternährungsproblems [8, 9, 21]. Bei der Betrachtung von Hindernissen für den IVM-Konsum war das Hauptanliegen derjenigen, die IVM nicht ausprobieren wollten, die gentechnisch veränderte Natur des Produkts, was mit früheren Forschungen zu IVM übereinstimmt, die Bedenken hinsichtlich seiner Natürlichkeit festgestellt haben [16, 19, 21]. Auch der Preis wurde in beiden Studien als Barriere identifiziert, wobei die Mehrheit der Teilnehmer nicht bereit war, mehr als für traditionell produziertes Fleisch zu bezahlen [8, 21].

Insgesamt erscheinen die Einstellungen zu IVM gemischt und würden auch von praktischen Faktoren wie dem Preis und Wahrnehmungsfaktoren wie der Natürlichkeit beeinflusst. Die aktuelle Literatur ist jedoch noch nicht in der Lage, die ganze Geschichte zu vermitteln. Die Mehrheit der Forschung hat qualitative Maßnahmen verwendet, die zwar informativ sind, aber die Fähigkeit einschränken, großräumige Wahrnehmungen zu verstehen. Von der quantitativen Forschung sind einige Studien von Stichprobenverzerrungen betroffen, und darüber hinaus hat eine begrenzte Forschung versucht, die Mechanismen der Resistenz zu verstehen. Um unser Verständnis der öffentlichen Wahrnehmung dieses Produkts zu verbessern, muss die Einstellung zu vergleichbaren Produkten untersucht werden. Die Forschung zur Herstellung gentechnisch veränderter (GV) Lebensmittel ist von Bedeutung. Die Verwendung von GV-Lebensmitteln ist seit langem und umfassend, wobei viele Produkte inzwischen modifiziert wurden [23]. Die allgemeine Meinung zu GVO bleibt jedoch weltweit negativ [24, 25]. Darüber hinaus hält der öffentliche Widerstand trotz bewusster Unkenntnis der Menschen über das Produkt an [26]. Eine Metaanalyse hat eine Reihe von Faktoren identifiziert, die konsistent mit Opposition verbunden sind, darunter höhere wahrgenommene Risiken als Vorteile, geringes Vertrauen in Institutionen und moralische Bedenken [27].

Im Gegensatz dazu war die anfängliche Wahrnehmung von IVM positiv – obwohl mehrere Hindernisse in Bezug auf Bedenken hinsichtlich der Natürlichkeit, der Gentechnik und der potenziellen Kosten identifiziert wurden [8, 21]. Die unterschiedlichen Wahrnehmungen der beiden Produkte sind möglicherweise ein Produkt methodischer Unterschiede zwischen den Studien. Sie können jedoch auch auf die konzeptionellen Unterschiede zwischen der IVM- und der GV-Lebensmittelproduktion in Bezug auf das Potenzial zur Linderung von Umwelt- und Tierschutzproblemen zurückzuführen sein. In mehreren Studien wird der Tierschutz durchweg als die drei wichtigsten Motivatoren für den Verzicht auf Fleisch identifiziert, wobei auch Gesundheits- und Umweltbedenken genannt werden [11]. Wenn öffentlich zugänglich, hat IVM die Fähigkeit, eine Fleischquelle bereitzustellen, die nicht auf die Landwirtschaft angewiesen ist, und wirft daher nicht die gleichen ethischen und ökologischen Bedenken auf, die mit der traditionellen Landwirtschaft verbunden sind [8, 9]. Diese einzigartige Komponente muss unbedingt erforscht werden, wenn wir sowohl die Unterstützung als auch die potenziellen Hindernisse dafür verstehen möchten, dass IVM eine akzeptierte Fleischproduktionsmethode der Zukunft ist.

Das Potenzial für interkulturelle Variationen in der Wahrnehmung muss ebenfalls untersucht werden. Untersuchungen zeigen, dass die Wahrnehmung von GV-Lebensmitteln von Land zu Land unterschiedlich ist, wobei die Menschen in den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) GV-Lebensmitteln positiver gegenüber stehen als die Europäer [24, 25]. 18, 21], mit einer in Neuseeland durchgeführten Studie [17], die die Frage aufwirft, ob nicht-europäische Teilnehmer unterschiedliche Wahrnehmungen haben. Angesichts der unterschiedlichen Ergebnisse, methodischen Probleme und der begrenzten interkulturellen Stichproben in der bisherigen Literatur ist Forschung erforderlich, um die Einstellungen gegenüber IVM als potenzielle Fleischproduktionsalternative für die Zukunft objektiv zu untersuchen. Um dies anzugehen, zielt die aktuelle Studie darauf ab, die Wahrnehmung von IVM in den USA zu untersuchen, um das Potenzial dieses Produkts für die Öffentlichkeitsarbeit in einem Land, das im Allgemeinen Innovationen unterstützt und einen großen potenziellen Markt darstellt, besser zu verstehen.


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Laborfleisch kommt, ob es Ihnen gefällt oder nicht

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Josh Tetrick steht in einer Küche in San Francisco, in einem Staat, in dem Foie Gras illegal ist, schneidet sowieso in die blassgraue Pastete und schmiert sie auf ein dünnes Stück Brot. „Du hast es ein bisschen verschönert“, sagt er zu einem bärtigen Koch und zeigt mit seinem Buttermesser auf den Teller, „was ist hier los?“

„Kleines Karotten-Vanille-Püree“, sagt der Koch. "Kleine Rüben, ein bisschen Spritzer, um die Gräueltaten nachzuahmen, die wir wegnehmen."

Tetrick kaut auf der Delikatesse herum. „Obwohl ich kein Foie-Experte bin“, sagt er, „esse ich in den letzten Monaten außerhalb des Bundesstaates Kalifornien etwas mehr Foie, und es schmeckt wie Foie.“

Es schmeckt nach Gänseleber sollen weil man argumentieren könnte, dass es sich nicht wirklich um Foie Gras handelt. Denn dies ist keine gewöhnliche Küche, sondern auch ein Labor. Tetrick ist CEO von Just, einem umstrittenen Lebensmittelunternehmen, das früher als Hampton Creek bekannt war und dessen gesamter Vorstand letztes Jahr ausschied. Und seine Wissenschaftler hier züchteten das Fleisch im Labor aus Zellen, inkubierten sie mit Hitze und fütterten sie mit Nährstoffen. Vergleichen Sie das mit Foie Gras auf die altmodische Art und Weise: eine Ente oder Gans zwangsfüttern, bis sich ihre Leber auf das 10-fache ihrer normalen Größe aufbläht.

Just's Tacos mit im Labor angebauter Chorizo.

Wissenschaftler kultivieren Fleisch seit Jahren in Labors, aber Just und andere Startups wie Finless Foods, das Fischfleisch anbaut, verfolgen dieses sogenannte „saubere Fleisch“ in letzter Zeit fieberhaft. Just jagt neben der Gänseleber eine kultivierte Chorizo ​​und ein kultiviertes Nugget. Und Tetrick behauptet, sein Startup habe den Prozess endlich kosteneffizient genug gemacht, um ihn auf den Markt zu bringen: Ende dieses Jahres, sagt er, wird Just offiziell ein noch nicht bekannt gegebenes Laborfleisch einführen, wenn das Zeug zum ersten Mal in die Regale kommt .

Die Herausforderungen bei der Herstellung von Fleisch im Labor sind eine Sache, aber die Verbraucher davon zu überzeugen, sich von der legendären „Kill-it-and-Grill-it“-Methode des Essens abzuwenden, ist eine andere. Und obwohl es leicht vorstellbar ist, dass im Labor gezüchtetes Fleisch besser für den Planeten wäre, gibt es tatsächlich nur wenige Daten, die dies belegen.

Ob Just es dieses Jahr auf den Markt kommt oder nicht, ob ihr Fleisch nach Fleisch schmeckt, riecht und sich anfühlt, die Ära des sauberen Fleisches naht. (Nur lehnte es ab, uns ihr Essen schmecken zu lassen, da es noch nicht für den öffentlichen Verzehr bereit war.) Schon bald werden Burger nicht nur auf Feldern, sondern in Bottichen wachsen. Im weiteren Verlauf stammen Ihre T-Bones möglicherweise nicht von einer Kuh, zumindest nicht im traditionellen Sinne. Wenn das Geräusch Sie stört, wissen Sie, dass Sie nicht allein sind.

Das Versprechen von im Labor gezüchtetem Fleisch besteht nicht darin, mit dem Verzehr von Tieren aufzuhören – es geht nur darum, viel, viel weniger davon zu essen. Allein in Amerika konsumieren wir jährlich 26 Milliarden Pfund Rindfleisch. Das erfordert ein massives industrialisiertes Viehzuchtsystem, das für den Planeten problematisch ist. Eine Kuh kann bis zu 11.000 Liter Wasser pro Jahr verbrauchen. Weltweit könnten die Nutztiere für 15 Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich sein. Und selten hat das System das Wohl der Tiere im Blick.

Aber kultiviertes Gewebe bietet eine Möglichkeit, aus nur einer Handvoll Zellen potenziell viele Fleischmahlzeiten zu züchten. Unter den richtigen Bedingungen in einem Labor können Zellen zur Teilung ermutigt werden, genau wie im Inneren des Körpers – wodurch natürliche Ressourcen, Gas und Tierrechtsverletzungen eingespart werden. „Theoretisch kann man aus einem kleinen Stück Fleisch eine unbegrenzte Menge herstellen“, sagt Mike Selden, CEO von Finless Foods.

Die genauen Methoden variieren zwischen Laboren und Unternehmen. „In der Praxis funktioniert es nicht beim ersten Mal – man muss verschiedene Dinge ausprobieren, damit es funktioniert“, sagt Selden. Bei Finless Foods nehmen sie etwas Fischfleisch und filtern es nach einer bestimmten Zellart, nicht so sehr Stammzellen, sondern Stammzellen.mögen Zellen, die sie Vorläuferzellen nennen. „Wir suchen nach Zellen, die die Fähigkeit haben, sich in verschiedene Abstammungslinien zu differenzieren“, sagt Selden. „Also suchen wir nach Zellen, die Stammzellen sind genug.”

Die Idee ist, diese Zellen dazu zu bringen, zu glauben, dass sie immer noch in ihrem Besitzer sind. Durch die Zufuhr von Nährstoffen wie Salzen und Zucker kann Finless die Zellen dazu bringen, sich in Muskeln oder Fett oder Bindegewebe zu verwandeln. Stellen Sie es sich wie Sauerteighefe vor: Sobald Sie eine Startersorte haben, können Sie weiterhin ein unverwechselbares Brot backen. „Sobald jedes dieser Unternehmen eine Zelllinie am Laufen hat“, sagt Selden, „müssen sie nie wieder zum ursprünglichen Tier zurückkehren.“

Diese Starter-Sorte zu erzeugen ist jedoch schwieriger, als es sich anhört. Die Medien, die diese Unternehmen verwenden, um die Zellen zum Wachsen zu bringen, sind teuer, vor allem, weil sie den Zellen nicht nur Salze und Zucker liefern müssen, sondern auch Proteine. Dies geschieht normalerweise mit Seren aus Tierblut, die sehr, sehr teuer sind – nur eine Unze Fischserum kostet Sie 850 US-Dollar. Und das Blut von Tieren ist wahrlich nicht die ideale Grundlage für eine neue Art von nachhaltigem, tierversuchsfreiem Fleisch. (Vor allem, wenn Sie fötales Rinderserum verwenden, was genau das ist, wonach es sich anhört: Blut von winzigen Kühen.) Es hat die Reinfleischindustrie stark zurückgehalten.

Finless wird die Zusammensetzung seines Mediums nicht preisgeben, sagt aber, dass es seinen Serumverbrauch seit September um 50 Prozent reduziert hat. Der Kampf besteht also darin, ein Medium zu perfektionieren, das Protein ohne tierisches Serum liefert. „Wenn wir mit dem Verkauf von Produkten beginnen, werden wir absolut kein Serum mehr haben“, sagt Selden. „Das liegt nicht nur an PR- oder Umweltgründen. Kostentechnisch macht die Wirtschaftlichkeit absolut keinen Sinn.“

Es ist kein unüberwindbares Problem. „Theoretisch könnten alle im Serum gefundenen Vorläufer und Nährstoffe aus isolierten Quellen zusammengeführt werden“, sagt der Biochemiker und Koch Ali Bouzari. Serum liefert insbesondere sogenannte Wachstumsfaktoren, Proteine, die der Zelle signalisieren, sich zu teilen. „Ich stelle mir vor, dass es viele sehr genaue Verhältnisse und Komponenten gibt, die für die Förderung eines optimierten Zellwachstums unerlässlich sind“, sagt er.

Bei Just behauptet Tetrick, sein Unternehmen habe diesen Code geknackt. Ihre Zellmedien seien frei von Serum, sagt er, und daher viel billiger. Was genau in dieser magischen Mischung steckt, werden sie nicht sagen.

Wenn das stimmt, was Tetrick sagt, wäre das ein gigantischer Fortschritt für Fleisch aus dem Labor, das stark mit den Kosten zu kämpfen hat – ein im Jahr 2013 eingeführter Burger aus dem Labor kostete coole 330.000 Dollar. Aber selbst wenn im Labor gezüchtetes Fleisch für diese Unternehmen wirtschaftlich nachhaltig ist, bedeutet dies nicht unbedingt, dass es für die Menschen ökologisch nachhaltiger ist als traditionelles Vieh.

Unternehmen für sauberes Fleisch behaupten, dass der Prozess effizienter sein wird, weil Sie nur die Teile anbauen, die Sie brauchen, um die Menschen zu ernähren – keine Eingeweide oder Augäpfel oder Gehirne. Und ohne massive Viehzuchtbetriebe könnten Sie theoretisch Ihre Produktionsanlagen verteilen und die Transportemissionen reduzieren. Aber nur wenige Studien haben die ökologischen Vor- und Nachteile der In-vitro-Fleischproduktion gründlich untersucht.

Was Wissenschaftler wirklich brauchen, ist eine sogenannte Lebenszyklusanalyse. Es würde alle Dinge auflisten, die zur Herstellung von Lebensmitteln beitragen, wie Wasser, Land und Treibhausgasemissionen. „Es ist zum Beispiel sehr einfach zu sagen: ‚Nun, ich weiß nicht, in vitro verbraucht nicht so viel Land wie die Rinderproduktion‘“, sagt Alison Van Eenennaam, Tiergenetikerin an der University of California, Davis. „OK, aber das ist nur ein Bestandteil einer Lebenszyklusanalyse.“

Oder Sie könnten sagen, dass Sie die Treibhausgasemissionen reduzieren, weil Sie keine Kühe haben, die Methan rülpsen. Aber eine der wenigen Studien, die hat zu diesem Thema wurde festgestellt, dass Sie am Ende tatsächlich mehr Energie für die Produktion von sauberem Fleisch verbrauchen würden, als für die Aufzucht von Kühen. Schließlich ist dies im Wesentlichen eine neue Welle der Industrialisierung, was bedeutet, dass Sie das Licht anlassen müssen. Eine andere Studie ergab jedoch, dass sauberes Fleisch an der Spitze stehen würde.

Selbst wenn im Labor gezüchtetes Fleisch sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich nachhaltig ist, wird es für die Produzenten natürlich nicht de facto die Wahl sein oder Verbraucher. Weltweit ist die Tierhaltung eine Lebensweise für eine Milliarde Menschen, die Nutztiere nicht nur für Fleisch verwenden. „Eine Petrischale kann keinen Dünger liefern und sie kann keinen Pflug ziehen und sie bietet diesen Menschen keine Bank- und Handelsquelle“, sagt Van Eenennaam. „Ich weiß nicht, dass dies große Auswirkungen auf die Entwicklungsländer haben wird, wo der größte Teil der Nachfrage nach Milch und Fleisch in den nächsten 20 Jahren erwartet wird.“


Rechtliche Rahmenbedingungen

PBMs werden in ähnlicher Weise reguliert wie andere nicht-tierische Lebensmittel. In den Vereinigten Staaten beaufsichtigt die Food and Drug Administration (FDA) und insbesondere das Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN) die Lebensmittelinspektion, Etikettierung, Verpackung, Einfuhr und Anlagensicherheit. Die meisten PBM-Produkte enthalten einfache Zutaten, die zuvor für den menschlichen Verzehr zugelassen wurden. Neuartige Inhaltsstoffe können zusätzlichen Bewertungsverfahren unterliegen. So hat beispielsweise gentechnisch hergestelltes Soja-Leghämoglobin bei der FDA den Status „allgemein als sicher anerkannt“ zur Verwendung als Farbzusatz beantragt 17 . In der Europäischen Union (EU) unterstützen die aktuelle Politik und Regulierung Innovationen und Investitionen in alternative Proteine. 2018 legte die Europäische Kommission einen „EU-Proteinplan“ vor, der die Produktion alternativer Proteine ​​für den menschlichen Verzehr fördert, und listete bestehende EU-Politikinstrumente auf, die „Optionen zur Stärkung der Entwicklung von in der EU angebauten Pflanzenproteinen bieten“. Viele neuartige PBM-Produkte fallen unter die Novel-Food-Verordnung, die „Lebensmittel regelt, die vor dem 15. Mai 1997 in der EU nicht verzehrt wurden oder nicht existieren“ 23 . Australien, Kanada und Neuseeland haben ebenfalls Rechtsvorschriften eingeführt, um die Aufsicht über neuartige Lebensmittel zu lenken 13 . Auch für die Lebensmittelkennzeichnung ist eine staatliche Aufsicht erforderlich. Im Jahr 2018 beantragte die United States Cattlemen’s Association beim Food Safety and Inspection Service (FSIS), „Produkte, die nicht direkt von aufgezogenen und geschlachteten Tieren stammen, von der Definition von „Rindfleisch“ und „Fleisch“ auszuschließen 29 . Auch die Verwendung von Begriffen wie Steak, Wurst, Speck, Filet etc. für PBMs unterliegt in vielen EU-Mitgliedstaaten einer Prüfung und Einschränkung.

Die Aufsicht für CBM umfasst die Regulierung und Überwachung von Produktion, Verpackung, Etikettierung und Vermarktung. In den Vereinigten Staaten wird CBM gemeinsam von der FDA und dem US-Landwirtschaftsministerium (USDA) reguliert, basierend auf einer Entscheidung der Ministerien im Jahr 2019 30 . Die FDA wird die Isolierung, Lagerung, das Wachstum und die Reifung von Zellen regulieren. Nachdem Zellen und Gewebe geerntet wurden, wird das USDA die Produkte während des restlichen Vermarktungsprozesses überwachen und die Kennzeichnung beaufsichtigen 30 . Gerüstmaterialien können unter die FDA-Bestimmungen für Lebensmittelzusatzstoffe fallen 31 . Auch bei gemeinsamer Anstrengung wird es wichtig sein, bestehende Systeme zu nutzen, aber auch neue Regulierungsverfahren zu implementieren, da die Technologie weiter voranschreitet 32,33 . Weitere Komplikationen könnten auftreten, wenn Unternehmen beabsichtigen, Produkte zu verkaufen, die gentechnisch veränderte (GV) Zellen enthalten. Während das USDA GV-Pflanzen reguliert, sieht eine FDA-Vorschrift für einen Antrag auf neue Tierarzneimittel die DNA-Manipulation als unter die Definition eines Arzneimittels fallend an und schreibt die Aufsicht der FDA über GV-Tiere vor, was möglicherweise so interpretiert werden könnte, dass sie auch für GV-Zellen gilt 33 . Ein zweites Anliegen bezüglich der Vorschriften betrifft die genaue Kennzeichnung. Ähnlich wie in der Debatte um die PBM-Kennzeichnung wird versucht, die Kennzeichnung zellbasierter Produkte als „Fleisch“ zu verhindern 29 . Basierend auf dem Bundesfleischinspektionsgesetz, das Fleisch als „jedes Produkt, das ganz oder teilweise aus Fleisch oder Teilen des Schlachtkörpers hergestellt wird“, bezeichnet, kann es gerechtfertigt sein, dass CBM seinen Wortlaut beibehält. Tatsächlich stellt das North American Meat Institute fest, dass zellbasierte Produkte wahrscheinlich unter die Definitionen von „Fleisch“ oder „Fleischnebenprodukt“ fallen 34 . Für Europa könnte CBM auf den Weg der Verordnung über neuartige Lebensmittel der Europäischen Union anwendbar sein. Während die Lebensmittelsicherheitsbehörde die Produktion von GV-Lebensmitteln genehmigt hat, haben viele europäische Länder (z. B. Frankreich, Deutschland, Griechenland) die Herstellung und den Verkauf von GV-Lebensmitteln vorbehaltlich gründlicher Sicherheitsbewertungen verboten 35 .


Vorteile von kultiviertem Fleisch

Diese neuartige Methode der Fleischproduktion hat viele Vorteile in Bezug auf Umwelt, Tierschutz, menschliche Gesundheit und Ethik gegenüber herkömmlichen Fleischproduktionssystemen versprochen und spekuliert. Tabelle 1 vergleicht die aktuelle Fleischproduktion mit der Produktion von kultiviertem Fleisch und Tabelle 2 fasst die Ergebnisse verschiedener Studien zusammen, die verschiedene Aspekte von kultiviertem Fleisch aufklären.

Methoden der Fleischproduktion
Attribute Aktuelle Methoden Kultivierte Fleischproduktion
Landnutzung
Bodenerosion
Wassernutzung
Wasserverschmutzung
Verlust von Lebensraum und Biodiversität
Treibhausgasemissionen (Methan hat eine atmosphärische Lebensdauer von 12 Jahren und CO2 hat tausendjährige Beständigkeit) Kurzfristige Auswirkungen Saubere Energie
Langzeiteffekte Unsaubere Energie
Energieverbrauch Geflügelproduktion
Schweinefleischproduktion
Rindfleischproduktion
Tierleid
Schlachtung von Tieren ↓ (Wenn Nährboden auf tierischer Basis verwendet wird)
Anzahl der gepflegten Tiere
Mikrobielle Sicherheit
Chemische Sicherheit (Hormone, Wachstumsregulatoren)
Produktionskosten
Produktionszeit
Produktionsstandort Ländlich Urbanisiert/ländlich
Vollständig strukturiertes Fleisch wie Steak, Hochrippe usw. Erhältlich Derzeit nicht verfügbar (Gehacktes oder verarbeitete Produkte)
Exquisite und seltene Optionen
Manipulation/Designerfleisch
Nährwert
Technische Fähigkeiten erforderlich
Kapitalbedarf
Verbraucherakzeptanz
Vielfalt im Produktionssystem
Verweise Untersuchte Aspekte Ergebnisse
Lynch und Pierrehumbert (2019) Vergleich der Temperaturauswirkungen der kultivierten Fleisch- und Mastrinderproduktion zu allen Zeiten mit 1.000 Jahren in der Zukunft Die Klimaauswirkungen der Produktion von kultiviertem Fleisch sind noch nicht klar und werden davon abhängen, welches Niveau der dekarbonisierten Energieerzeugung erreicht werden kann und welche spezifischen ökologischen Fußabdrücke die Produktion hat
Spechtet al. ( 2018 ) Möglichkeiten zur Anwendung biomedizinischer Produktions- und Herstellungsmethoden zur Entwicklung des Zuchtfleisches wurden evaluiert Die bestehenden Verfahren und Produkte aus der biomedizinischen Industrie reichen nicht aus, um die Anforderungen an die Produktion von kultiviertem Fleisch in Bezug auf Umfang und Produktionskosten zu erfüllen. Die Entwicklung der Großtechnologie für die Produktion von kultiviertem Fleisch wird gleichzeitig die therapeutischen und biomedizinischen Anwendungen voranbringen und deren Kosten senken
Slade ( 2018 ) Untersuchte die Verbraucherpräferenzen für kultivierte Fleischburger in einem hypothetischen Wahlexperiment Wenn die Preise gleich wären und die Burger gleich schmecken würden, würden nur 11% der Verbraucher den Burger mit kultiviertem Fleisch kaufen und 65% der Verbraucher würden den normalen Rindfleischburger kaufen
Siegrist et al. ( 2018 ) Wie die Akzeptanz von kultiviertem Fleisch von wahrgenommener Natürlichkeit und hervorgerufenem Ekel beeinflusst wird Um die Akzeptanz von kultiviertem Fleisch zu erhöhen, betonten die Autoren die Bedeutung eines nicht-technischen Wegs, der nicht produktionsorientiert, sondern produktorientiert sein sollte, um die Vorzüge des Produkts zu berücksichtigen
Bryant und Barnett (2018) Die Autoren führten eine systematische Überprüfung der verfügbaren Literatur zur Verbraucherakzeptanz von kultiviertem Fleisch durch Die Studie beleuchtet häufige Verbrauchereinwände, Faktoren, die die Akzeptanz und deren demografische Schwankungen beeinflussen, Unsicherheitsbereiche und wahrgenommene Vorteile. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Verbraucher zwar die Vorteile von kultiviertem Fleisch in Bezug auf Umweltvorteile und Tierschutz sehen, diese Fragen jedoch nicht der zentrale Einfluss auf ihre Kaufentscheidungen sein werden
Stephenset al. ( 2018 ) Die Studie evaluierte die gesellschaftspolitischen, technischen und regulatorischen Herausforderungen im Bereich Kulturfleisch anhand von Interviews mit 70 Experten, verfügbarer Literatur und Berufserfahrung der Autoren In der Studie wurden die wichtigsten technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit dieser Technologie hervorgehoben, darunter Kulturmedien, Zellquellen, synthetische und tierische Materialien, die die in vivo Myogenese-Umgebung und Produktion im kommerziellen Maßstab. Die Autoren betonten, dass es notwendig sei, die Bedeutung der institutionellen und politischen Formen einer Kulturfleischindustrie anzuerkennen
Alexanderet al. ( 2017 ) Die Studie überprüfte die Alternativen zu herkömmlichen Tierprodukten und bewertete die potenzielle Änderung des globalen Agrarflächenbedarfs With higher direct energy requirements and similar conversion efficiency, cultured meat does not appear to offer substantial benefits over poultry meat or eggs
Bekker, Fischer et al. ( 2017 ) The study evaluated the effect of information provision on the explicit and implicit attitude toward cultured meat to understand the consumer acceptance The results showed that the information about a positively perceived sustainable product and the sustainability of this production system can influence the explicit attitude toward this new product. This effect was not merely affect based but was shown to be content based
Bekker, Tobi et al. ( 2017 ) A cross-cultural study was conducted to investigate how study participants from the Netherlands, Ethiopia, and China operationalize the concept of meat and to evaluate the extent to which in vitro meat fits or does not fit into this operationalization Cultured meat was positioned across the symbolic boundaries of meat and was viewed as a technology for the future
Siegrist and Sütterlin ( 2017 ) Significance of perceived naturalness for acceptance of cultured meat Although cultured meat was more humane and environmentally friendly, lack of naturalness associated with this production system might reduce the acceptability of the risk associated with such a product. While evaluating foods, consumers rely on symbolic information that may lead to biased decisions and judgments
Bhat et al. ( 2017 ) Various bioengineering techniques for production of cultured meat and their advantages over conventional meat production A great deal of research is required, and considerably greater technical challenges are there before cultured meat production becomes a commercial reality
Hocquette ( 2016 ) Evaluated if in vitro meat is a real solution for the future There are several technological obstacles that need to be addressed before this product becomes a commercial reality. Public acceptance is going to be one of the major problems and several claimed advantages are questionable.
Zhi-chang, Qun-li, and Lin ( 2015 ) The environmental prospects of cultured meat in China Cultured meat has lowest land use per unit of human digestible energy and unit of protein. Emissions (GHG) associated with cultured meat are lower, whereas the energy use in production is slightly higher than that of current pork production in China
Verbeke, Marcu et al. ( 2015 ) Studied attitude formation and reactions of consumers toward cultured meat through online deliberations and focus group discussions involving 179 meat consumers from the United Kingdom, Portugal, and Belgium While learning about the cultured meat, initial reactions were underpinned by considerations of unnaturalness and feelings of disgust that induced some kind of fear of the unknown. The consumers acknowledged the possible benefits of this technology at the global level and envisaged some direct personal benefits
Kadim et al. ( 2015 ) A review on the prospects and challenges of cultured meat The study highlights certain unresolved issues such as characterization of ethical and social constraints and development of cost-effective culture media devoid of any animal components
Bhat et al. ( 2015 ) Compared the benefits of conventional meat production systems with cultured meat production Cultured meat has potential to contribute towards animal welfare and environment. Public acceptance and the production cost are two most important challenges
Hopkins ( 2015 ) The paper studied how western media has covered 2013 London cultured meat tasting event, particularly in Canada, the United States, and the United Kingdom By overrepresenting and overemphasizing the significance of the reception of cultured meat among vegetarians, the authors argues that Western media gives a distorted picture about the obstacles that are in the path of acceptance for cultured meat. Efforts for promoting this novel product should be based on the empirical psychology of mainstream consumers and empirical demographics of the consumer market
Verbeke, Sans et al. ( 2015 ) Study on the prospects and challenges for consumer acceptance of cultured meat Although vegetarians may not be the ideal primary target group for this novel product as a meat alternative, sensory expectations and price are major obstacles
Hocquette et al. ( 2015 ) A study was conducted to evaluate the various assumptions associated with cultured meat. Study involved educated people, mainly students and scientists, 865 French people, 817 persons worldwide interviewed online, and 208 persons (mainly scientists) interviewed after an oral presentation about cultured meat Educated respondents think that cultured meat is not going to solve the problems associated with conventional meat production. Majority of consumers did not believe cultured meat would be tasty and healthy. Only a minority of respondents (5% to 11%) would accept to eat or recommend cultured meat.
Mattick, Landis, and Allenby ( 2015 ) Study covered a systemic environmental analysis of in vitro Fleisch In vitro meat will almost certainly be associated with unforeseen costs and benefits and unintended consequences affecting different stakeholders disproportionately. Assessments of the technology will play a significant role in reducing unintended environmental consequences
Bonny, Gardner, Pethick, and Hocquette ( 2015 ) How cultured meat is going to affect the future of the meat industry Future of cultured meat, although uncertain at this time, will be at least partly decided by the evolution of conventional meat production
Weele and Tramper ( 2014 ) Technical and economic aspects of cultured meat Cultured meat could reduce several problems associated with conventional meat production provided an animal-free growth medium is developed. From societal acceptance and technological stand point, small-scale production appears particularly promising. Production cost was viewed as the main obstacle
Goodwin and Shoulders ( 2013 ) Studied the media coverage of cultured meat in the United States and the European union Media articles about cultured meat generally discuss about its history, benefits, process, time, problems with livestock agriculture, and skepticism. Commonly cited sources of information in these articles included sources from academia, cultured meat researchers, New Harvest, People for the Ethical Treatment of Animals (PeTA), Winston Churchill, Chefs, and restaurant owners
Welin ( 2013 ) Problems and prospects associated with cultured meat Because of its possible merits, it would be a good idea to move the technology of cultured meat forward. The strongest barriers for public acceptance of cultured meat may be its perceived “unnaturalness”
Post ( 2012 ) Studied the challenges and prospects of cultured meat from stem cells Development of cultured meat with exactly same sensorial characteristics as that of the conventional meat is a formidable challenge. A systematic approach is required to maximize the protein synthesis by finding the optimal combination of physical and biochemical conditions for the cells

Pain- and slaughter-free harvest

From the animal suffering point of view, this production system will aim to free itself of all the vicissitudes of animals associated with conventional meat production systems. There should be no animal slaughtering and suffering attached with the product at any stage of production. A small herd of animals would be required to obtain the biopsy for supplying the initial cells for the production.

Designed to be nutritionally balanced and safe

All the ingredients and conditions in the production can be under strict hygienic and quality control and the end-product should be free of any infection, disease, parasites, or chemical contaminants. Larger production units are likely to be managed by robotics. With greater control over the added ingredients, type of cells, and their differentiation under this system, the composition of the developed product can be tailored according to the demands of the consumers. Products with a favorable fatty acid profile (by coculturing) and added minerals and vitamins (added to the media or during processing), such as vitamin C, which are otherwise deficient in meat, could be obtained. Omega 3 fatty acids and other factors such as vitamin B12 that are taken up from the environment, in vivo from blood, could be added during the processing to improve the nutritional status of the product.

Exquisite and rare options

Produktion von in vitro meat does not involve slaughter of animals, which makes it possible to introduce different luxurious options including exotic wild animals in the menu. This meat may be launched initially as a variety of options in chicken, beef, and sea food and later as exotic options such as rhino sausages and snow leopard burgers (Zaraska, 2013 ).

Environmental sustainability and urbanized production

Unlike conventional meat, which is mostly produced around rural areas, cultured meat production units could be established near to or within the cities in proximity to prospective consumers as in vitro meat production has freed itself of massive land and water involvement and feeding schedules and methane production. Ideally, one cell line has the potential to feed the whole world. The batteries for meat production could be extended vertically that would significantly reduce the horizontal space required for production of cultured meat. However, the media waste treatment and disposal at an industrial scale may warrant the use of some extra horizontal space.

Cultured meat production may be established in cities away from green spaces however, this technology is suggested to be more environmentally friendly and green and is believed to significantly reduce the carbon and water foot print associated with meat production. If cyanobacteria were used as the source of energy and nutrients, this new production system would have the potential to reduce 78% to 96% greenhouse gases (GHGs), 82% to 96% of water, and 99% lower land use associated with conventional meat production (Tuomisto & de Mattos, 2011 ). Compared to meat production in Europe, a study conducted by Oxford univ. concluded that the muscle cell production in a culture of cyanobacteria hydrolysate will be associated with 98% lower land use and 80% to 95% lower greenhouse gas emissions (Bartholet, 2011 ). A study conducted by Tuomisto and Roy ( 2012 ) comparing livestock production in Europe with a hypothetical large-scale production of cultured meat, the GHG emissions, water use, and land use was estimated to reduce by two orders of magnitude compared to current meat production practices. Much of the land that would be freed could be returned to the wild that should help reforestation and restoration of endangered species or a sizable portion of this land could be used for other agricultural use, such as growing biofuels. The energy gain involved with this production system depends on what meat product you are comparing it with and is believed to be higher than poultry and pork, but lower than beef (Mattick, Landis, Allenby, & Genovese, 2015 Tuomisto & de Mattos, 2011 ). In a cradle-to-plate life cycle assessment, Smetana, Mathys, Knoch, and Heinz ( 2015 ) compared a range of meat alternatives (mycoprotein-based, plant-based, and dairy-based) and chicken with cultured meat. The method used to assess the environmental impacts in the study included multiple characterization factors such as ozone layer depletion, climate change, human toxicity, ecotoxicity, land occupation, and so on. Except for terrestrial and freshwater ecotoxicity (chicken was leading) and agricultural land occupation, cultured meat had highest impact in most categories owing to its higher level of energy requirements. Overall, it appears that cultured meat has more environmental impact than poultry and plant proteins and less impact than beef and possibly pork.

By relating the emissions of different GHGs to carbon dioxide, all the studies that predicted the environmental footprint of cultured meat uses speculative life cycle assessments based on carbon dioxide equivalent (CO2e) metrics, which may be misleading and provide a poor indication of actual temperature response (Pierrehumbert, 2014 ). There have been some recent advances in the literature that are concerning and directly challenge the claims of cultured meat in environmental sustainability. Recently, a study was conducted by Lynch and Pierrehumbert ( 2019 ) that compared the temperature impact of cultured meat and beef cattle production at all times to 1,000 years in the future, using three different beef production systems and four synthetic meat GHG footprints currently available in the literature. The study revealed that climate impacts of cultured meat production are not clear yet and will depend on the specific environmental footprints of production and what level of decarbonized energy generation can be achieved. Emphasizing the requirement for detailed and transparent life cycle assessment of real production systems for cultured meat, the authors concluded that based on the currently available data, this novel production system does not necessarily give license for unrestrained meat consumption. Thus, the promise of this novel production system to slow climate warming is predicated on an energy revolution. Due to the fact that the carbon dioxide, produced during energy production for making cultured meat, has more long-term effects than the methane produced from cattle, some scientists have warned that cultured meat production could make climate change worse and cause more environmental damage (Cockburn, 2019 McGrath, 2019 ). However, several life cycle assessment studies have suggested that several innovative options could help to reduce the energy consumptions associated with cultured meat production. The environmental impact of the clean meat could be reduced by developing the production systems based on clean energy sources, such as renewable sun and wind energy.

Fast, efficient, and consistent

In comparison to current meat production systems, which takes weeks to months for chicken (5 to 7 weeks for broilers and 18 months for layer hens), months for lamb (6 to 8 months) and pork (5 to 6 months), and years in the case of beef (18 months for beef cattle and 4 years for dairy cows) production (Aussie Abattoirs, 2019 ), time of production will be significantly reduced by culturing the meat in an artificial environment. The cultured meat structure contains no offal or inedible components, which will not only reduce the time of production but also decrease the amount of nutrients required to raise per kilogram of cultured meat. Between 75% and 95% of feed given to animals is lost to animal metabolism and growth of inedible parts such as horns, bones, skin, and so on (Bhat et al., 2015 ). However, almost all inedible animal parts are utilized in some manner and have some value in the current meat production systems. In case of hides, their value increases dramatically as they are manufactured into a variety of leather goods. Other carcass components are utilized in a variety of ways (pet foods, collagen, catguts, bone ash, pharmaceuticals, and so on).

However, production by current methods is affected by external stresses, such as management stress (such as handling) and environmental stress (such as heat or cold) during production or before slaughter, which can seriously affect the production potential (such as weight loss) or quality of meat (such as dark firm and dry (DFD) or pale soft and exudative (PSE)). Culturing of meat in a bioreactor will be independent of such external factors, which will ensure a consistent quality and optimum production under a given set of conditions and will also open new areas of production where the climate or land were otherwise less favorable.

Long-term space explorations and settlements

Cultured meat production may provide an attractive option to produce fresh food for long-term space exploration or situations such as polar settlements when food production is a more economical option than transportation. Bioregenerative life support systems, using living organisms, such as algae, bacteria, higher plants, or animals as the “reactors” to provide life support functions (Schwartzkopf, 1997 ), are considered as a more attractive option for permanent bases and space missions for longer periods (Drysdale, Ewert, & Hanford, 2003 ).

Ritual and vegan meat

Weil in vitro meat does not involve any slaughtering of animals, it should free itself of any ritual link such as Halal, Jhatka, Koscher, und so weiter. However, the initial source of the cells and biopsies to begin with will certainly have an impact on the psyche and decision of the consumers. Some Muslim scholars have stated that if the culture medium and initial cells were halal (myoblasts and media taken from animals considered halal), the developed cultured meat will be permissible by the Islamic law (Billinghurst, 2013 ). Most rabbis agree that if initial cells were taken from a kosher animal slaughtered according to Jewish law, the developed product will be kosher (foods considered permissible by Jewish dietary laws) however, there is no consensus due to disparate nature of the religious certifying bodies (Friedrich, 2017 JTA, 2018 Shurpin, 2018 ).

It is also possible that cultured meat may attract a proportion of those vegetarians who do not eat conventional meat on ethical grounds. However, it's not clear how many vegetarians would abstain from cultured meat because it is essentially still meat. Some vegetarians oppose cultured meat on the premise that it furthers the centrality of meat in our diet. In addition to above advantages, there are other possible benefits such as reduced waste production.


MICROBIOLOGY | Classification of Microorganisms

Microorganisms on Meat

In theory, freshly harvested meat should be relatively free from microorganisms, but microbial numbers detected in aseptically sampled tissues contain some microbes, usually less than 10 cfu kg −1 . There is evidence, however, that these numbers can increase under conditions of stress and if the animal is suffering from an infection, as in the case in Brucella -infected animals. Most meat contamination is from the heavily colonized areas of the animal, such as the skin (fleece) and the gastrointestinal tract, and the type and numbers found will reflect both the animal's indigenous microflora and its environment. The animal hide carries mixed microbial population of micrococci, staphylococci, pseudomonads, yeasts, and molds as well as organisms derived from soil and feces. After dressing and chilling, the surface microbial numbers are typically of the order of 10 2 –10 4 cfu cm −2 and are usually higher in sheep carcasses than in beef, and even higher still in pigs. In some parts of the world, the fur on sheep, cattle and pigs is thoroughly burned soon after slaughtering the animal. Traditionally, the method is used as a way of imparting flavor to the meat, but it should also be lauded and seen as a first step in reducing the microbial numbers on the skin that could otherwise contaminate the flesh. Likewise, after defeathering, in some traditions, birds are flamed before the flesh is cut, and this treatment also greatly reduces the potential contamination of the poultry meat by microbes on the skin.

Species of the genus Brucella are known human pathogens that can cause undulant fever, and are associated with a particular animal host: B. abortus in cattle, B. melitensis in sheep and goats, B. suis in pigs, and B. canis in dogs. Even though the diseases are contracted from close contact with infected animals, they can also be contracted by the consumption of milk, milk products, and meat from these animals.

The processing of poultry is different from red meat, and this has microbiological implications: an active processing plant that can handle 12 000 birds per hour leaves little chance for effective sanitation and favors the spread of microbes between carcasses. After scalding, birds are mechanically defeathered, and a number of studies have suggested that this method actively passes organisms like Salmonellen from one carcass to the other. The intestinal tract of poultry also contains high numbers of the human pathogens Salmonellen und Helicobacter (Campylobacter) these are easily passed on and are the two major causes of foodborne illness in the UK. Interessant, Campylobacter coli und C. jejuni do not grow at temperatures below 30 °C and only become pathogenic when food contaminated by these bacteria is consumed and the microbes start thriving under the higher human body temperature. Being microaerophillic, they are also able to survive the low-oxygen conditions of modern storage processes.

The first indication of spoilage of meat is the production of off-odors, which become apparent when the microbial numbers in meat reach 10 7 cfu cm −2 . Aerobic storage of chilled red meats, whether covered or uncovered, produces a high redox potential at the meat surface that favors the growth of psychrotrophic aerobes. Nonfermentative Gram-negative rods grow most rapidly, causing spoilage, and the principal genera are Pseudomonas, Acinetobacter, Psychrobacter, Pseudomonas fragi, und Pseudomonas lundensis. Other microbes that form a minor component of the spoilage microflora are members of the Enterobacteriaceae, such as Serratia liquefasciens und Enterobacter agglomerans, lactic acid bacteria and the Gram-positive bacterium Brochothrix thermosphacta.

In vacuum-packed meat, the microflora of the meat changes as a result of the accumulation of CO2 and lack of oxygen. This restricts the growth of Pseudomonas, and colonization is dominated by Gram-positives, lactic acid bacteria of the genera Lactobacillus, Carnobacterium, und Leuconostoc.

The perception of spoilage is subject to a number of influences, particularly social: foods acceptable in some cultures are unacceptable in others. Matured cheeses and game birds (e.g., pheasants) that have been hung for several weeks are seen in some cultures as objectionable, but these same products are treasured and sold for large amounts of money to the affluent in other societies.


Scientific Challenges and Solutions for Cultured Meat Manufacturing

The rising environmental cost of cattle meat production, emergence of multi-drug resistant bacteria from overusing antibiotics in livestock, and pressure from supply chain disruptions during the COVID-19 pandemic are accelerating developments in cultured meat, a form of animal-free meat alternative. Cultured meat is also known as in vitro meat, lab grown meat, cultivated meat, or synthetic meat.

In 2013, Mark Post, PhD, professor at Maastricht University, unveiled the first cultured meat patty grown from cells on television. Seven years later in 2020, Singapore became the first country to approve lab grown chicken bites from Eat Just. As an industry, cultured meat is expected to reach a market size of about $570 million in 2025.

“Cultured meat has the potential to address all of the externalities associated with conventional industrial meat production—from environmental impacts and animal welfare considerations to public health risks associated with zoonotic disease and antibiotic resistance—while ensuring a scalable and secure production system to meet the anticipated growth in demand for animal protein,” says Liz Specht, director of science & technology at the Good Food Institute.

“Cultured meat also ultimately offers the opportunity to create meat products that are more well-defined, tunable, and potentially healthier than meat products today, which are constrained by the biological limitations of the domestic animals from which they are derived.”

Owing to advances in industrial-scale cell culture process, the production of cultured meat has been largely standardized. Typically stem cells are first seeded into extracellular matrix scaffolds usually made of edible biomaterials like collagen and chitin. To support cellular metabolic activities, culture media containing nutrients like glucose and sera are next added to the bioreactor where continual mechanical motion facilitates good diffusion of nutrients and oxygen into and removal of metabolic waste products from the cells. After about 2–8 weeks, the cells grow into tissue layers and can be harvested and packaged.

Challenges in cultured meat production

Several key challenges remain in producing cultured meat including access to (proprietary) cell lines, high raw material cost, animal-source nutrients, and limited manufacturing scale. Despite this, immense progress has been made over the last decade. Here, we discuss the challenges and solutions to deliver cultured meat from a lab bench to a dining table.

Cell lines are commonly used in the biotech industry for production of biological materials including viruses and proteins. For cultured meat, stem cells are used as they can divide indefinitely and can be differentiated into different types of lineages—just like meat from different organs. Adult stem cells can be sourced directly from the parts of animals such as muscles, liver, and adipose tissues. Alternatively, pluripotent stem cells can be obtained from embryos or de-differentiated from fibroblasts into induced pluripotent stem cells.

Scientist wears safety goggles and rubber gloves while holding bottle with sample of cultured meat in hand while analyzing results of an experiment. [SeventyFour/Getty Images] However, it can be costly and time-consuming to develop stem cell lines suitable for cultured meat production. First, cell line engineering requires advanced gene delivery technology. It remains challenging to deliver genes into cells that confer desirable traits like fast biomass accumulation. Conventional methods using viruses introduce viral genes into the host genome while bulk electroporation generally provides low transfection yield.

Emerging transgene-free technology such as microfluidics and nano-structures which can deliver genes at high throughput and efficiency are being developed to overcome this technical limitation. Hur and colleagues recently described an inexpensive (< $1) microfluidic system that makes use of cell stretching to delivery genes into stem cells at a scalable throughput of a million cells/min. Likewise, high aspect-ratio nano-structures can also facilitate efficient, minimally perturbative gene delivery into stem cells.

Second, cell line characterization is not well standardized which can adversely affect quality control. When cells divide more rapidly, there is a higher probability that their genetic content is not stable. For instance, during DNA replication, there can be copy number variations and large insertions or deletions that can lead to undesirable phenotypic and functional changes. Advanced techniques such as single cell genomic and epigenomic sequencing and transcriptomics can reveal differences even among cells belonging to the same cell line to understand stochastic heterogeneity in cells.

Culture conditions can also be modified and coupled with single cell sequencing methods to discover the roles of genes and their impact on cellular phenotypes. As the price of sequencing drops, data from these techniques would likely establish a benchmark to evaluate genetic stability of cell lines for quality control.

Biomaterial scaffold

Scaffolds are extracellular matrix materials that support the anchorage and physiological activities such as differentiation of stem cells. The biophysical properties of scaffolds are crucial to facilitate access to nutrients and oxygen while permitting diffusion of metabolic waste products. Tissue engineers have built on their knowledge in tissue engineering for wounds and organ regeneration for cultured meat production.

There are two general types of scaffold materials—naturally-derived or synthetic. Naturally-derived scaffolds like chitosan and cellulose are edible, biodegradable, food-safe, and cheap. However, as they are derived naturally, there is a greater variation in their properties such as molecular weight and degree of polymerization. This can lead to inconsistencies in how these scaffolds interact with cells. On the other hand, synthetic scaffolds can be chemically programmed into desirable materials with defined properties like porosity and ligand availability. However, as their synthesis process is more complex, the cost is higher and getting regulatory approval is also expected to be harder.

A proposed solution is a hybrid model where naturally-derived biomaterial is used as base material and a small amount of synthetic material is added to enhance the compatibility with cultured cells. Advanced manufacturing methods like 3D printing can also be used to “print” scaffolds with defined properties.

It is extremely difficult to create a thick tissue layer because there is little to no vascularization in cultured meat. Consequently, when the tissue layer becomes too thick, cells at the core of the tissue suffer from a lack of nutrients and oxygen. Computational analyses have been applied to understand the optimal scaffold pore size, topography, and material shape to facilitate vascularization in tissue layers and/or promote nutrient and waste production diffusion.

Checking the product for suitability in the laboratory. [Serhii Akhtemiichuk/Getty Images] According to Hanry Yu, PhD, professor of physiology at the National University of Singapore, there are several other ways to overcome the issue of diffusion in thick cultured tissues.

“First, plunge micro needle arrays into thick tissue layers or incorporate vasculature like perfusable features into scaffold or bioreactor design. Second, use cell-sheet tissue engineering approaches to grow thin enough sheets of tissues and then integrate them into food. Third, adopting bottom-up approach to engineer small tissue building blocks and integrate into food so there is no need to worry about the diffusion limit in thick layers,” says Yu.

Yu, however, stresses that, the dominant voice in the field is using a top-down approach where cells are being seeded into a large piece of scaffold and grown into thick tissue layers. “Based on my experience as a tissue engineer over the last few decades, I don’t foresee that we can use a top-down approach at a cost-effective manner for growing cultured meat,” he adds.

Growth media recipes

As cell lines divide rapidly, growth media needs to be able to supply them with high concentrations of essential nutrients including glucose, amino acids, and vitamins. Commercial growth media is costly, and a lack of better alternative has kept the prices of cultured meat high. In addition, while cultured meat is purported as an animal-free meat alternative, in reality, its production may still require animal source materials such fetal bovine sera. Sera is a complex mixture of multiple types of amino acids, lipids, inorganic mineral, and growth factors that cannot be easily or cheaply manufactured, and this has made it challenging for it to be replaced in cultured meat manufacturing.

Kuo et al., described a culture medium recipe containing fibroblast growth factor 2, transforming growth factor β3 and neuregulin 1 for induced pluripotent stem cells that can be produced with just 3% of the costs of commercial media. Importantly, the medium recipe was able to sustain more than 100 passages of cell division and weekend-free feeding without compromising the differentiation capacity of 34 different types of stem cells.

Through technological developments, researchers are also exploring ways to scale up production of recombinant proteins like growth factors at a lower cost using genetically engineered microbes, fungi, or plants to circumvent animal sources. There are also research groups who have develop growth culture media that is entirely void of serum. Kolkmann and colleagues developed a chemically-defined, serum-free media which supported bovine myoblast proliferation exponentially, albeit not as fast as media with 30% serum content.

Bioreactors provide controlled culture environment such as temperature, pH, and even mechanical motion to optimize cell growth. They are an important element in the cultured meat industry to achieve scalable production to meet consumer demand. Stephens et al., estimated that, for instance, to produce 1 kg of protein from muscle cells, 8 x 10 12 cells would be needed and that would require a stirred tank bioreactor in the order of a few thousand liters.

Although bench-top bioreactors have so far been quite successful in meeting current demand for cultured meat, as the demand increases, greater innovation is warranted in bioreactor design. In addition, most commercial bioreactors are designed for growing suspension cells or cells anchored onto micro-carriers, and not scaffold materials with thick tissue layers. This makes it challenging to directly adapt available designs for cultured meat production due to system incompatibility like diffusion limits.

Nevertheless, past experiences can inform bioreactor designs for cultured meat manufacturing. For instance, it would be beneficial to introduce mechanical agitation such as stirring or wave rocking motion to improve nutrient diffusion. Perfusion bioreactors that continually supply nutrients and remove waste products are also better for growing thick tissue layers. Single-use bioreactors can also be considered to minimize contamination and for quicker and cheaper optimization of culture conditions.

The future of cultured meat

Cultured meat provides a hope that our society can become less reliant on animals for meat, thus reducing the environmental and health impact of animal farming. There are still major scientific challenges including developing quality cell lines, lowering the costs of growth media components, and designing bioreactors for growing thick tissue layers before cultured meat can become a common food product. Nevertheless, there is room for optimism.

“In the past few years, we have seen a rapid acceleration of interest in cultured meat research by academic researchers and startup companies. This emerging field is also increasingly capitalizing on the ability to work collaboratively on pre-competitive research angles that will accelerate the whole landscape. At the Good Food Institute, we facilitate seminars and collaborative networking opportunities and curate resources like research tools directory and directly fund research to address key knowledge gaps and develop open-access research tools,” says Specht.

Sophisticated technology in genetic engineering, biomaterial design and sequencing methods can offer effective technical solutions. Greater scientific solutions are also expected with increasing investments in the science of alternative food. Importantly, beyond the science, for cultured meat to become a common market commodity, challenges in regulations and consumer acceptance must still be overcome.


Verweise

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