In-vitro-Fleisch

Das Fleisch, das wir essen, besteht zu einem großen Teil aus tierischem Muskelgewebe. Dieses Muskelgewebe kann auch außerhalb des Körpers (ex vivo) in einer Zellkultur hergestellt werden. Somit braucht man kein ganzes Tier mehr, um ein Stück Fleisch zu bekommen. Das ist – kurz gesagt –die Grundidee von In-vitro-Fleisch. Diese Vorstellung formulierte Winston Churchill bereits 1931 in seinem Essay Fifty Years Hence:

We shall escape the absurdity of growing a whole chicken in order to eat the breast or wing, by growing these parts separately under a suitable medium.

Erfahren Sie auf dieser Seite mehr über den Herstellungsprozess und die Geschichte von In-vitro-Fleisch.

Herstellung

Tissue Engineering

Das sogenannte Tissue Engineering (Tissue = Gewebe), das heißt die künstliche Herstellung biologischer Gewebe durch die gerichtete Kultivierung von Zellen, wird innerhalb der Forschung größtenteils in der regenerativen Medizin eingesetzt. Diese befasst sich mit der Wiederherstellung von zerstörtem Gewebe bzw. funktionsgestörten Zellen und Organen. Beim Tissue Engineering werden einem Spender-Organismus Zellen entnommen und im Labor in vitro vermehrt. Diese können, abhängig von der Art der Zellen, zweidimensional oder mithilfe von Gerüsten auch dreidimensional kultiviert werden. Tissue Engineering ist eine mögliche Technik zur Herstellung von In-vitro-Fleisch.

Der Herstellungsprozess

Durch eine Muskelbiopsie werden einem Tier Muskelstammzellen entnommen [1].  Muskelstammzellen sind multipotente Zellen. Das heißt, dass sie sich zu verschiedenen Muskelzellen entwickeln können. Diese Zellen werden in einem Nährmedium kultiviert und vermehren sich. Diesen Prozess der Vermehrung durch Zellteilung nennt man Proliferation [2]. Die Stammzellen bilden sich anschließend zu Muskelzellen (Myoblasten) aus. Diesen Prozess nennt man Differenzierung. Die mononuklearen Myoblasten wachsen zu multinuklearen Myotuben und bilden dann Myofibrillen bzw. Muskelfasern. Diesen Prozess nennt man Myogenese (Muskelentwicklung) [3]. Ca. 20.000 dieser kleinen Fasern werden benötigt, um einen Hamburger zu formen.

Das Team um Mark Post an der Universität Maastricht hat ein Video veröffentlicht, das recht anschaulich die Herstellung des ersten In-vitro-Hamburgers erklärt.

Jedoch ist dies nicht der einzige mögliche Weg zur Herstellung von In-vitro-Fleisch. In anderen Forschungsgruppen wurde und wird mit unterschiedlichen tierischen Zellen gearbeitet oder mit einem anderen Produktionsprozess. Auch die Vorstellung eines Bioprinters, also eines speziellen 3D-Druckers, der bestimmte Zellstrukturen oder Gewebe aus einzelnen Zellen herstellen soll, um daraus beispielsweise Organe oder eben In-vitro-Fleisch zu „drucken“, wird von einigen Forschern (hauptsächlich aber im Bereich der regenerativen Medizin) verfolgt.

Einige Elemente finden sich aber in allen Herstellungsprozessen wieder. Die Wahl der einzelnen Elemente führt zu unterschiedlichen Anforderungen an den Prozess, zu unterschiedlichen Kosten sowie verschiedenen Problemen und Herausforderungen.

Herausforderungen für die Herstellung von In-vitro-Fleisch

Für die Herstellung von In-vitro-Fleisch bleiben noch einige Fragen offen. Diese betreffen vor allem oben vorgestellten Elemente des Herstellungsprozesses. Eine weitere Forschung und Entwicklung ist notwendig, um die Produktion von In-vitro-Fleisch in einem großen Maßstab zu ermöglichen.

  • Welche Zelllinien und Zelltypen sollen bei der Herstellung von In-vitro-Fleisch verwendet werden?
  • Welches Nährmedium soll bei der Herstellung von In-vitro-Fleisch verwendet werden? Welche Nährstoffzusammensetzung wird benötigt?
  • Welche Gerüste eignen sich für die Herstellung von In-vitro-Fleisch? Aus welchem Material können diese bestehen?
  • Wie kann der Stoffwechsel innerhalb der Zellkultur gewährleistet werden?
Elemente IVF-Herstellungsprozess

Zellen

Zu Anfang steht die Frage, welche Zellen zur Herstellung von In-vitro-Fleisch überhaupt verwendet werden. Ideal sind Muskelstammzellen, die sich möglichst viel und schnell teilen können. Auf diese Weise müssen nur sehr wenige Stammzellenentnahmen bei den Tieren durchgeführt werden, um sehr viel Fleisch zu produzieren.

Nährmedium

Natürlich brauchen die Zellen zum Wachsen auch Nahrung. Diese bekommen sie über ein geeignetes Nährmedium. Dieses muss aus mehreren Nährstoffen wie Vitaminen und Aminosäuren sowie Wachstumsfaktoren und Hormonen bestehen. Momentan wird in der Regel noch Kälberserum verwendet, da es sich sehr gut als Nährmedium eignet. Jedoch hat es mehrere Nachteile. Zum einen ist es sehr teuer. Zum anderen müssen für die Gewinnung des Kälberserums sehr viele Kälber im Mutterleib sterben. An tierfreien Alternativen wird daher geforscht. Beispielsweise gibt es Ansätze, Nährmedien synthetisch, aus Pilzen oder aus Hefezellen herzustellen. Aber auch diese alternativen Medien sind teuer und energieaufwendig in der Herstellung und eignen sich oft nicht für jede Zellart.

Bioreaktoren

Im Bioreaktor wird die notwendige Umgebung für die Zellen geschaffen, damit die Zellen auf dem Trägermedium zu Muskelfasern differenzieren können. Für eine Herstellung von In-vitro-Fleisch im größeren Maßstab ist die Entwicklung von Bioreaktoren mit ausreichender Größe erforderlich. Momentan wird jedoch lediglich mit Bioreaktoren mit einem Volumen von bis zu 10 Litern gearbeitet. Diese Bioreaktoren sollten zudem, um der erhofften Entlastung der Umwelt durch In-vitro-Fleisch nicht entgegenzuwirken, wenig Energie verbrauchen. Um den Energieaufwand zu optimieren, ist noch fraglich, ob viele kleine oder doch eher weniger und dafür große Bioreaktoren geeigneter sind. Des Weiteren spielen die Herstellungskosten eine entscheidende Rolle, damit In-vitro-Fleisch in Zukunft zu akzeptablen Preisen hergestellt und verkauft werden kann.

Gerüste

Da Zellen in einer Zellkultur nur etwa 0,5 mm dick werden, ist es einfacher, verarbeitete Fleischprodukte wie Nuggets oder Buletten zu erzeugen als etwa ein Steak. Dazu werden die kultivierten Zellen einfach zu größeren Zellverbänden zusammengepresst. Um die Zellen für die Herstellung von In-vitro-Steaks dreidimensional heranwachsen zu lassen, sind Gerüste notwendig, die die wachsenden Zellen tragen. Die Gerüste müssen aus einem geeigneten Material bestehen, das idealerweise essbar ist, damit es im Nachhinein nicht entfernt werden muss. Ebenfalls möglich sind neben Gerüsten auch Schwämme, Membrane oder Kügelchen als Trägerstrukturen. Wenn diese die Zellen tragen, werden sie miteinander verbunden. Mögliche Stoffe für die Trägerstrukturen sind beispielsweise pflanzlich oder chemisch hergestelltes Chitin oder Collagen.


Geschichte