实验室里长的肉：把细胞变成牛排和鸡块的科学 | 《自然》长文

—じ☆ve人生—

制造培养肉的公司吸引了数十亿美元的投资。本文描述了他们面临的最大挑战。

“吃起来像鸡肉。”这是对UPSIDE Foods新试验产品的普遍评价。可能也不奇怪：它就是（细胞层面上的）鸡肉。但这些肉不是从屠宰场来的。它们是在加利福尼亚州一家城市工厂的生物反应器里长出来的。
十多年前，只有少数研究者在探索实验室培养肉的潜力。马斯特里赫特大学的生物医学工程师Mark Post打造了世界上第一个人造牛肉汉堡（据报道花了32.5万美元），他在2013年的一次新闻发布会上把汉堡吃了。这类产品现在已经更接近上市了：全球有超过150家公司正在制造培养肉（从碎牛肉到牛排、鸡肉、猪肉和鱼）、牛奶，或相关的“细胞培养”产品，包括皮革。
今年六月，美国监管机构通过了实验室培养肉类许可，该国成为第二个将这类食品推向市场的国家。现在有两家公司被开了绿灯：伯克利的UPSIDE Foods和GOOD Meat（为加利福尼亚州的Eat Just所有），可以销售他们的培养鸡肉。（2020年以来只有在新加坡才能买到少量GOOD Meat的鸡肉）。观察家预期，至少一种产品今年会在美国餐馆里出售，即使起初售价可能会亏本。生产工厂正在建设中，根据一个行业报告，投资已经达到27.8亿美元。
随着商业活动逐渐增加，食品科学和医学生物科技等不同领域的学者正在改进细胞培养，完善该流程。Good Food研究所（GFI，华盛顿特区的一家非营利组织）建立于2016年，旨在促进动物产品的替代选择，已经通过100多项研究拨款1700万美元经费，用于加强肉类替代品各方面的科学研究；其中超过一半资金用于培育肉类。2021年，塔夫茨大学成立了细胞农学中心，二十几个研究者现正从事细胞培养肉类的制造到营销等方面的工作。而今年4月，英国资助了巴斯大学的细胞农业制造中心。
倡导者们说，培养肉能够减少人类对肉的渴求造成的负面影响。饲养牲畜占据大量土地，构成全球温室气体排放的约15%。食用红肉和加工肉与心脏病、糖尿病和癌症有关；养鸡场可能会传播禽流感等病毒，增加抗生素耐药性；鱼类养殖污染海水。全球每年有800亿动物为我们的饭食而死——联合国和经济合作与发展组织的一项联合报告预测，由于全球富裕人口不断增加，全球对肉类的需求到2031年将会增长15%。
为此，食品工业正在开发从藻类到昆虫的各种替代蛋白质来源（见https://go.sn.pub/nagGnt）。但要是把肉的感官体验当作优先考虑因素，细胞培养肉可能是首选。“我和那些素食长达15年的人聊过，他们仍然想吃肉。”Post说。他说，如果对肉的偏好太难改变，显而易见的解决方案就是用肉来代替肉。
不过，行业观察家对培养肉的产量、能变得多便宜以及所作的努力是否值得等问题意见不一。
“从土地利用和生物多样性相关的影响来说，好处显而易见。这就是一种更高效的肉类生产方式。” Pelle Sinke说，他是荷兰一家非营利咨询公司CE Delft的工业生态学家，曾参与写作培养肉的碳足迹和成本综述[1, 2]。但他补充说，对于能源利用、技术研发和市场仍存在许多大的问题。现在的版本比传统肉类贵上几百上千倍[1]。每年全球消耗约3亿吨标准肉类，要替代其中10%，就需要建造几十万个生物反应器。

“我对培养肉持强烈批评态度。”Marco Springmann说，他是伦敦卫生与热带医学院的食品系统研究者，参与了2019年世界经济论坛的替代蛋白白皮书[3]和2019年EAT柳叶刀委员会对健康、可持续饮食的报告[4]。“我觉得这对健康、食品安全都是坏主意，在当下对环境也不好。”
更好的汉堡
培养肉的通常配方是从动物身上取活检组织，在培养液中培养细胞，引导它们分化成成熟的肌肉或脂肪，或许还要锻炼一下肌肉细胞使之结合成纤维。一些产品，包括GOOD Meat的产品之一，是结合动物细胞和植物材料制成肉味的小肉块。其他产品如以色列的Aleph Farms则更雄心勃勃地想要制造更复杂的结构，如肉排。
培养肉行业主要的科学和工程挑战，很大程度上和十年前是一样的：找到最好的初始细胞，调配出一个好“饲料”帮它们生长，和完善生产协调。
在所有这些方面，首先要考虑到都是成本。“有些人喜欢说‘哦这就像酿酒一样’。但这和酿酒一点也不一样。”蒙纳士大学的生物技术学家Paul Wood说，他是这个行业的批评者。他说这难得多，培养动物细胞也比微生物贵多了。
在为GFI撰写的一份报告[1]中，Sinke和他在CE Delft的同时对培养肉的生产进行了各种预测。最乐观的场景下，他们推断产品成本理论上可以降至每公斤6美元左右；而对传统肉类的预测基准值是每公斤2美元。其他研究则没那么充满希望：在2021年一项使用了不同假设的分析中，在未来设施中生产培养肉最低的想象成本是每公斤37美元[5]，这个数字“很可能使人们无法负担这一产品作为食物。”研究作者总结说。

为了寻找最好最高效的产品，公司和研究者正在调整肉类生长过程的每一个部分。
他们使用种类繁多的启动细胞，能以不同速度和密度生长，产生不同质地或营养成分。Post的公司Mosa Meat（位于荷兰）从奶牛活体组织中提取肌肉干细胞（试验不同动物和乳牛不同部位），将之培养成成熟的肌肉纤维。但这些细胞分裂上30-50次就会停止。虽然理论上一次活组织取样就能产生数十万公斤肉，但这个方法仍需频繁的鲜肉供应。瑞士联邦理工学院的再生生物学家Ori Bar-Nur获得了一项GFI经费，研究一种小分子鸡尾酒如何让肌肉干细胞同时增殖分化成成熟的肌肉纤维。这个办法也许能制造更多更大的肌纤维，比其他方法更快、更便宜。
另一个选项是用“不死”细胞系，理论上全世界都能用一个单一的活组织。这可以通过基因改造实现——但这个办法在欧洲面临沉重的监管负担——或者通过偶然发现的自发细胞系（如著名的“海拉”人类细胞和各种从小鼠到鹌鹑的研究细胞系）。
以色列公司Believer Meats（前Future Meat Technologies）发表了一项关于其自发永生鸡成纤维细胞的研究[6]。成纤维细胞是一种结缔组织细胞，Wood称之为“细胞培养界的杂草”，它长得又快又容易——而且可以转化成类似脂肪的细胞。这项研究培养出了高密度的细胞，这样就能在生物反应器里放下更多生物量，降低系统扩大规模的成本。Believer Meats的目标很高：它已经在建工厂，计划每年生产10000吨培养肉——比其他培养肉工厂几十吨几十吨的产量高了几个数量级。
一些研究者说吃永生细胞的安全性尚未得到完全确定，因为它可能积累突变，也许会导致肉里出现肿瘤[7]。但在联合国粮农组织（FAO）3月发表的培养肉安全性报告中总结道，这类细胞能经过包装、烹饪和消化过程后存活下来，并造成任何伤害的可能性，“与当前科学界认识不符”。[8]
为了促进对培养肉的研究，GFI编制了一份已知有用细胞系的目录（目前有52种动物，从奶牛到鹌鹑），并与试剂公司Kerafast合作，存储和销售现有4种细胞系的冷冻样本。该目录里包括了鲭鱼（Scomber scombrus）等一些鱼类物种。GFI的生物学家Elliot Swartz提到，通常大学农业系里不培养鱼——但鱼类细胞似乎培养起来更容易，因为它们比哺乳动物细胞更耐受低氧、更大的pH范围和低温条件。
到目前为止，最昂贵的部分是细胞的“饲料”：一种氨基酸、名叫生长因子的蛋白、糖、盐和维生素混合液。实验室细胞系的传统饲料是基于一种名为胎牛血清的牛血衍生物，它有可能有动物福利问题和可持续性问题。Post说替代它已被证明还算容易。他和其他人都已经发表了一些替代品，他说每家公司都有专有的混合饲料。
但成本仍然高得吓人。Post说，目前商业供应的特定生长因子价值每克数百万美元，因为它们是按照制药标准少量制造的小众产品。但研究已经开始发现了一些比较便宜、基于植物的替代品[9]。UPSIDE Foods称已经在2021年生产出一种不含血清的饲料，但公司说最初的产品还是用了一些动物血清。
与此同时，协调方面也有很大改进余地。例如，加州大学的食品科学家Amy Rowat获得了一笔GFI经费来开发可食用珠子作为支架，让肌肉细胞附着其上发生弯曲，以改进肌纤维质地。其他研究者也在研究，如何让细胞培养物在越来越大的生物反应器里茁壮生长，同时为它们提供氧气、抽出废物并避免损坏其结构。
健康尝试
Swartz说，大多数公司的目标是生产出在营养上等同或优于传统肉的产品。Springmann提到，但这样红肉的许多健康危害就会继续存在。“这样做就算健康也健康不到哪儿去。”他说。动植物混合加工产品，如植物和鸡脂肪制成的鸡块（预计会是最便宜的培养肉产品）可能含有人工色素或添加剂，让消费者望而却步。FAO指出，和其他食物一样，培养肉也同样受到有害细菌、过敏原、残留抗生素、生长激素和其他因素的限制。

就环境健康而言，培养肉比生产牛肉、猪肉和鸡肉消耗更少的土地和水。但能源使用是个严重问题——就算设定激进的能源利用目标，到2030年，生产培养肉的每公斤能源消耗仍然会比生产牛肉多约60%，而牛肉生产是当前消耗最大的。不过根据Sinke的分析[2]，如果这些能源都来自可再生能源，它的碳足迹会比传统肉少。一项牛津大学的报告发现，每公斤培养肉蛋白的排放量甚至可能小于植物和昆虫蛋白[10]。
最先进入市场的是鸡肉，尽管（从气候角度来看）标准鸡肉生产在主要肉类中是碳足迹最小的。但Swartz提到，替代鸡肉在动物福利上有切实的好处，能限制人畜共患病，而且少用抗生素可能可以遏制抗生素耐药问题[11]。大多数公司有计划将他们的产品拓展到牛肉和其他肉类。
有人要吃吗？调查显示消费者对培养肉的意愿差异很大——部分取决于它叫什么名字。人们对“培养肉”和“清洁肉”的态度，比“实验室培育”“人造”这类描述要积极得多[12]。有些人在中国看到了一个巨大市场，那里肉类消费增长特别快[3]。
Springmann说，讽刺的是，西方世界的培养肉市场可能会是在素食者群体里。例如，UPSIDE Foods和米其林三星厨师Dominique Crenn合作，计划在她目前经营的素食餐厅里销售这家公司的产品。
如果培养肉真要解决全球问题，Sinke说，“那它就得取代传统肉——而不是成为又一种奢侈品。”
参考文献：
1. Vergeer, R., Sinke, P. & Odegard, I.TEA of Cultivated Meat: Future Projections of Different Scenarios(CE Delft, 2021).
2. Sinke, P., Swartz, E., Sanctorum, H., van der Giesen, C. & Odegard, I.Int. J. Life Cycle Assess.28, 234–254 (2023).
3. Oxford Martin School.Meat: The Future Series — Alternative Proteins(World Economic Forum, 2019).
4. Willett, W.et al.Lancet393, 447–492 (2019).
5. Humbird, D.Biotechnol. Bioeng.118, 3239–3250 (2021).
6.Pasitka, L.et al.Nature Food4, 35–50 (2023).
7.Soice, E. & Johnston,J.Int. J. Mol. Sci.22, 11660 (2021).
8.United Nations Food & Agriculture Organization & World Health Organization.Food Safety Aspects of Cell-Based Food(FAO & WHO, 2023).
9.Stout, A. J.et al.Biomaterials296, 122092 (2023).
10.Collett, K., O’Callaghan, B. Mason, M., Godfray, C. & Hepburn, C.The Climate Impact of Alternative Proteins(Oxford Smith School of Enterprise and the Environment, 2021).
11.McNamara, E. & Bomkamp, C.Nature Food3, 791–794 (2022).
12.Bryant, C. J. & Barnett, J. C.Appetite137, 104–113 (2019).
原文以Lab-grown meat: the science of turning cells into steaks and nuggets标题发表在2023年7月4日《自然》的新闻特写版块上
nature
doi:10.1038/d41586-023-02095-6
原文作者：Nicola Jones
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