Zellkultur neu denken für nachhaltige Fleischproduktion

Bis zum Jahr 2050 wird unsere Welt voraussichtlich 10 Milliarden Menschen haben. Dieses Wachstum wird eine grosse Herausforderung mit sich bringen: Wie können wir genug Essen für alle bereitstellen? Experten sagen, wir müssen 70% mehr Fleisch produzieren, um diese Nachfrage zu decken. Unter den verschiedenen Fleischsorten ist Meeresfrüchte wichtig, da sie etwa 20% des tierischen Proteins ausmachen, das wir weltweit essen.

Eine Lösung für diese Herausforderung ist kultiviertes Fleisch. Diese Methode besteht darin, tierische Zellen in einer speziellen Umgebung wachsen und sich entwickeln zu lassen. Sie bietet Vorteile gegenüber der traditionellen Fleischproduktion, wie weniger Druck auf wilde Fischpopulationen, eine tierfreundlichere Methode und geringere Gesundheitsrisiken, die mit der Fleischverarbeitung verbunden sind. Kultiviertes Fleisch bietet eine nachhaltige und ethische Möglichkeit, den Proteinbedarf der Welt zu decken und gleichzeitig Probleme der herkömmlichen Meeresfrüchteproduktion anzugehen.

#Die Rolle des Kulturmediums

Das Kulturmedium ist entscheidend für die Produktion von kultiviertem Fleisch. Dieses Medium unterstützt das Wachstum und die Vermehrung der Zellen, aber die Kosten für diese Medien können sehr hoch sein und machen oft mehr als 99% der Gesamtkosten für die Produktion von kultiviertem Fleisch aus. Um diesen Prozess erschwinglicher zu machen, suchen Forscher nach Möglichkeiten, günstigere Alternativen zu den derzeit verwendeten Kulturmedien zu entwickeln.

Fetales Rinderserum (FBS) war die traditionelle Wahl in der Zellkultur, weil es wichtige Nährstoffe enthält, die Zellen zum Wachsen brauchen. Allerdings ist FBS teuer und wirft ethische Bedenken auf sowie Risiken der Krankheitsübertragung. Das hat dazu geführt, dass Forscher nach nachhaltigeren und kostengünstigeren Optionen suchen.

#Alternativen zu fetalem Rinderserum

Proteinhydrolysate sind eine solche Alternative. Diese stammen von der Zersetzung von Proteinen und können verwendet werden, um essentielle Nährstoffe und Wachstumsfaktoren für Zellen während ihres Wachstums bereitzustellen. Forscher haben Proteinhydrolysate aus verschiedenen Quellen, einschliesslich Pflanzen und Tieren, verwendet, um das Zellwachstum zu unterstützen. Peptide, winzige Stücke von Proteinen, können ebenfalls eine Rolle in der Signalübertragung innerhalb der Zellen spielen und dem Kulturmedium hinzugefügt werden.

Peptide aus Soja und anderen Quellen wurden verwendet, um das Wachstum verschiedener Zelltypen in Laborumgebungen zu unterstützen. Sie liefern Aminosäuren, die die Bausteine für Proteine sind, die Zellen benötigen. Serum-freie Medien können ebenfalls mit Peptiden verbessert werden, um das Zellwachstum zu fördern und nachhaltiger zu sein.

Während Studien zeigen, dass Proteinhydrolysate das Zellwachstum verbessern können, kann die Verwendung hoher Konzentrationen negative Auswirkungen haben und sogar den Zelltod auslösen. Ausserdem wurde die Umweltauswirkung der Verwendung von Proteinhydrolysaten noch nicht vollständig untersucht. Daher zielt diese Forschung darauf ab, zu untersuchen, wie sich verschiedene Konzentrationen von Serum und Proteinhydrolysaten auf Fischzellen in Bezug auf Wachstum, Aussehen, Lebensfähigkeit und Leistung auswirken. Es wird auch die Treibhausgasemissionen unter verschiedenen Bedingungen berücksichtigt.

#Materialien und Methoden

#Materialien und Chemikalien

Für diese Studie wurden verschiedene Proteinquellen verwendet, darunter Algen und Erbsenprotein. Frische weisse Champignons wurden ebenfalls auf einem lokalen Markt gekauft. Mehrere andere benötigte Materialien, wie Hefehydrolysat, Serum und bestimmte Komponenten des Wachstumsmediums, wurden von namhaften Lieferanten bezogen. Darüber hinaus wurden Zebrafisch-embryonale Stammzellen aus einer Kultursammlung bezogen.

#Herstellung von Proteinhydrolysaten

Der Prozess zur Herstellung von Proteinhydrolysaten begann mit dem Mischen von Rohmaterialien mit Wasser und anschliessendem Einsatz eines Enzyms, um die Proteine abzubauen. Die Mischung wurde erhitzt und danach wurde das entstandene Produkt gesammelt und gefriergetrocknet für die spätere Verwendung.

#Analyse der Aminosäuren und des Proteingehalts

Die Aminosäurezusammensetzung und der Proteingehalt aller Proben wurden bewertet. Diese Bewertung folgte standardisierten Methoden, die von landwirtschaftlichen Chemikern festgelegt wurden, um genaue Ergebnisse zu gewährleisten. Dazu gehörte die Bestimmung, wie gut das Protein verdaut werden konnte, sowie die allgemeine Qualität auf Basis eines Bewertungssystems, das die enthaltenen essenziellen Aminosäuren berücksichtigt.

#Bewertung der funktionalen Eigenschaften

Mehrere Eigenschaften der Proteinhydrolysate, wie Ölhaltefähigkeit und Emulgierfähigkeit, wurden analysiert. Diese funktionalen Eigenschaften sind wichtig, da sie beeinflussen können, wie gut die Hydrolysate in der Zellkultur abschneiden.

#Zellkultur und -pflege

Für die erste Runde der Zellkulturen wurde eine Mischung aus verschiedenen Medientypen verwendet, die Serum enthielten. Die Zellen hatten Zeit, sich an den Kulturflaschen festzusetzen, bevor sie schrittweise niedrigeren Serumkonzentrationen ausgesetzt wurden. Sobald die Zellen ein bestimmtes Wachstum erreicht hatten, wurden sie behandelt, um sie von den Flaschen zu lösen und zu zählen.

#Experimentieren mit reduziertem Serum-Medium

Die Experimente konzentrierten sich darauf, wie unterschiedliche Konzentrationen von Serum und Proteinhydrolysaten das Zellwachstum und die Lebensfähigkeit beeinflussten. Durch die Änderung der Serumwerte in den Medien und das Hinzufügen verschiedener Konzentrationen von Proteinhydrolysaten konnten die Forscher beobachten, wie gut die Zellen gediehen.

#Imaging und Testen der Zellgesundheit

Mit einem fluoreszierenden Farbstoff konnten die Forscher die Zellen beobachten und fotografieren, um ihre Gesundheit und Form zu bewerten. Darüber hinaus wurde die Aktivität bestimmter zellulärer Enzyme gemessen, um Einblicke in das allgemeine Wohlbefinden der Zellen zu gewinnen.

#Bewertung der Umweltauswirkungen

Daten zu Treibhausgasemissionen wurden für die verschiedenen Proteinquellen, einschliesslich FBS, gesammelt. Diese Analyse zielte darauf ab, die Umweltauswirkungen der traditionellen Serumnutzung im Vergleich zu Proteinhydrolysaten zu vergleichen.

#Datenanalyse

Die Daten wurden auf Genauigkeit und Normalität überprüft. Es wurden verschiedene statistische Methoden verwendet, um die Ergebnisse zu interpretieren, um sicherzustellen, dass gültige Vergleiche zwischen den verschiedenen Bedingungen angestellt werden konnten.

#Ergebnisse und Diskussion

#Eigenschaften von Proteinhydrolysaten

Der Ertrag von Proteinhydrolysaten ist entscheidend für die Produktion im grösseren Massstab. Die Studie deutete darauf hin, dass nur kleine Mengen von Hydrolysaten für ein effektives Zellwachstum benötigt werden, was sie zu einer praktikablen Option für die nachhaltige Produktion von kultiviertem Fleisch macht.

#Aminosäureprofil und Proteinqualität

Alle Proteinhydrolysate enthielten hohe Mengen an bestimmten Aminosäuren, die das Zellwachstum fördern. Unter den verschiedenen Hydrolysaten wiesen einige eine höhere Qualität auf, was für ihre Wirksamkeit in der Zellkultur wichtig ist.

#Funktionale Eigenschaften von Hydrolysaten

Die Fähigkeit der Proteinhydrolysate, Öl zu halten und zu emulgieren, ist entscheidend für die Verwendung in der Zellkultur. Die Studie stellte fest, dass verschiedene Quellen in diesen Bereichen unterschiedlich abschnitten, was auf potenzielle Vorteile und Nachteile jeder Quelle hinweist.

#Auswirkungen der Serumkonzentration auf das Zellwachstum

Die ersten Experimente zeigten, dass eine höhere Serumkonzentration besser für das Zellwachstum ist. Allerdings fiel die Zellanzahl signifikant, als das Serum reduziert wurde, was auf einen direkten Zusammenhang zwischen Serumwerten und Zellgesundheit hinweist.

#Rolle von Proteinhydrolysaten in der Zellkultur

Als Proteinhydrolysate in bestimmten Konzentrationen hinzugefügt wurden, zeigten sie Verbesserungen im Zellwachstum und in der Lebensfähigkeit. Geringere Mengen dieser Ergänzungen erwiesen sich als vorteilhaft, als die Serumwerte gesenkt wurden, was ihr Potenzial zur Ersetzung traditioneller Komponenten in der Zellkultur verdeutlicht.

#Die Bedeutung der Hydrolysatkonzentration

Es wurde festgestellt, dass die Verwendung hoher Konzentrationen von Proteinhydrolysaten das Zellwachstum und die Gesundheit negativ beeinflussen könnte. Andererseits führten niedrigere Konzentrationen zu besseren Ergebnissen, was ihre Verwendung zur Reduzierung der Serumabhängigkeit unterstützt.

#Beobachtungen durch fluoreszierende Bildgebung

Mikroskopische Bildgebung zeigte, dass Zellen eine bessere Struktur und Erscheinung aufwiesen, wenn sie mit Proteinhydrolysaten ergänzt wurden, selbst bei niedrigeren Serumwerten. Dies könnte auf einen vielversprechenden Weg hinweisen, effizientere Medien für die Produktion von kultiviertem Fleisch zu schaffen.

#Messung der Aktivität von Laktatdehydrogenase

Die Aktivität der Laktatdehydrogenase deutete auf den Stresslevel der Zellen hin. Eine höhere Aktivität wurde unter serumfreien Bedingungen festgestellt, was darauf hinweist, dass der Mangel an Nährstoffen zu Zellschäden führte. Diese Kennzahl unterstrich weiter die ernährungsphysiologische Rolle, die Serum und Proteinhydrolysate für die Zellviabilität spielen.

#Bewertung der Treibhausgasemissionen

Die Berechnung der Treibhausgasemissionen, die mit jeder Proteinart verbunden sind, half, die Umweltauswirkungen verschiedener Optionen zu verdeutlichen. Obwohl Proteinhydrolysate höhere Emissionen im Vergleich zu FBS zeigten, verringerte ihre niedrigere Konzentration in der Mediennutzung die Gesamtemissionen erheblich.

#Fazit

Zusammenfassend zeigt diese Forschung das Potenzial von Proteinhydrolysaten auf, traditionelles Serum in der Zellkultur zu ersetzen und einen nachhaltigeren Ansatz für die Produktion von kultiviertem Fleisch zu bieten. Durch die effektive Reduzierung des Bedarfs an Serum bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung oder sogar Verbesserung des Zellwachstums und der Gesundheit erweisen sich Proteinhydrolysate als vielversprechende Alternative in der Fleischproduktion.

Eine fortgesetzte Erkundung nach den effektivsten Quellen und Formulierungen von Proteinhydrolysaten kann deren Anwendung in dieser wachsenden Branche weiter verbessern. Da das Bewusstsein für die Umweltauswirkungen weiter zunimmt, wird die Entwicklung nachhaltiger Lebensmittelproduktionsmethoden zu einem kritischen Fokus, und Proteinhydrolysate könnten eine wesentliche Rolle bei der Gestaltung dieser Zukunft spielen.