Wie wird In-vitro-Fleisch hergestellt? - Teil 1

8. November 2020

In einem sehr allgemeinen Artikel über In-vitro-Fleisch habe ich bereits einige Firmen vorgestellt, die zukünftig zellbasierte Fleischprodukte auf den Markt bringen wollen und habe Vor- und Nachteile von In-vitro-Fleisch erläutert. Nun möchte ich in drei Artikeln näher darauf eingehen, wie In-vitro-Fleisch eigentlich hergestellt wird, was uns Patente über den Herstellungsprozess und verschiedene Produktionsansätze verraten und warum es so schwierig ist, die zukünftige Entwicklung von In-vitro-Fleischprodukten vorherzusagen. Im ersten Teil werde ich eine generelle Einführung in das Thema In-vitro-Fleisch geben und mich anschließend näher mit dem benötigten Zellkulturmedium beschäftigen. In Teil 2 geht es um die zu Grunde liegende Zellkultur sowie unterschiedliche Ansätze zur Zelldifferenzierung. In Teil 3 befasse ich mich näher mit verschiedenen Arten von Bioreaktoren, gebe eine Einschätzung zu den möglichen ökologischen Vorteilen von In-vitro-Fleisch im Vergleich zu konventionellen Fleischprodukten und ende mit einem zusammenfassenden Fazit und eventuellen zukünftigen Entwicklungen. Auf diese Weise hoffe ich, die momentan noch recht intransparenten Entwicklungen und Verfahren der In-vitro-Fleischproduktion verständlicher zu machen und einen tieferen Einblick in die zu Grunde liegende Zellbiologie zu vermitteln.

Fleisch aus dem Labor - Was ist das?

In den letzten zehn Jahren sind zahlreiche Unternehmen gegründet worden, die an Fleisch aus dem Labor arbeiten. Hinzu kommen Unternehmen, die verwandte Produkte anbieten wollen oder bereits anbieten, wie beispielsweise Fleisch auf Basis pflanzlicher Zellen oder Alternativen zu Eiern und Milchprodukten [10]. In meinen Artikeln beschränke ich mich auf In-vitro-Fleisch, also Fleischprodukte, die aus tierischen Zellen im Labor hergestellt worden sind.

Obwohl Fleisch aus dem Labor in den Medien äußerst positiv dargestellt wird, ist eine allgemeine Definition sowie die letztendliche Bezeichnung von In-vitro-Fleisch, die die gewünschte Zielgruppe ansprechen, noch immer Gegenstand von Studien zu Marktforschung und Verbraucherakzeptanz. Als 2013 der erste im Labor hergestellte Burger vorgestellt wurde, wurde Laborfleisch definiert als Fleisch, wie wir es kennen, das nicht aus einer Kuh stammt. Dadurch sollten Menschen angesprochen werden, die Fleisch mögen aber über die Auswirkungen der Fleischproduktion auf die Umwelt und um das Wohlergehen der Tiere besorgt sind [11]. Eine alternative Definition beschreibt Fleisch aus dem Labor als „künstliches Muskelprotein“, da der Begriff Fleisch eine Entwicklung in einem Tier sowie den Vorgang der Schlachtung enthält [11]. Genauso gut könnte Laborfleisch nicht als fertiges Fleischprodukt definiert werden, sondern als eine Zutat, die ein Fleischproduzent zu einem fertigen Fleischprodukt verarbeiten könnte. Möglicherweise könnte dies mit anderen Zutaten vermischt werden, einschließlich pflanzlichen oder traditionellen tierischen Fleischzutaten [11].

Neben der Definition ist auch die endgültige Bezeichnung für Fleisch aus dem Labor noch nicht festgelegt und hat sich einige Male geändert, um das Produkt für Verbraucher*innen attraktiver zu machen. Während frühe Artikel den Begriff „in vitro meat“ (In-vitro-Fleisch) gebrauchten, wurde um das Jahr 2011 die Bezeichnung „cultured meat“ (Kulturfleisch) populär. Dabei soll „cultured“ die Technik der Zellkultivierung hervorheben und die Ähnlichkeit mit Gärungsprozessen in der Herstellung von Bier und Käse aufzeigen. Seit 2015 findet sich häufiger die Bezeichnung „clean meat“ (sauberes Fleisch), weil angenommen wird, dass dieser Begriff positiver besetzt und somit für Verbraucher*innen attraktiver ist [11]. Der Begriff „clean meat“ soll sowohl den mit In-vitro-Fleisch verbundenen Nutzen für die Umwelt als auch den damit einhergehenden Rückgang von Krankheitserregern und Arzneimittelrückständen in der Nahrung ausdrücken. Negativere Begriffe lauten „lab meat“ (Laborfleisch), „synthetic meat“ (synthetisches Fleisch) und „Frankenstein meat“ (Frankenstein-Fleisch) [11]. Die Bezeichnung zellbasierten Fleischs spielt sowohl beim Verständnis des Produkts in der Öffentlichkeit eine Rolle als auch bei der Berichterstattung darüber und ist Gegenstand aktueller Forschung. Laut einer Studie zu Framing und Verbraucherakzeptanz von In-vitro-Fleisch ist für Verbraucher*innen vor allem der gesellschaftliche Nutzen von In-vitro-Fleisch gegenüber konventioneller Fleischherstellung attraktiv [12]. Die Einstellung von Verbraucher*innen gegenüber zellbasiertem Fleisch entwickelt sich jedoch negativer, wenn es aus einer stark technologischen Perspektive präsentiert wird [12].

Was die Bezeichnung von Fleisch aus dem Labor angeht, stellt sich sogar die Frage, ob In-vitro-Fleisch überhaupt die Bezeichnung Fleisch behalten sollte oder behalten darf. Befürworter von konventionellem Fleisch fordern, ihre Produktkennzeichnung ohne Sorge um die Verwirrung von Verbraucher*innen beibehalten zu können [12-14]. Die American Meat Science Association (AMSA) vertritt die Auffassung, dass zellbasiertes Fleisch als "Fleisch" betrachtet werden kann, wenn es aus einer tierischen Zelle stammt, auf Sicherheit geprüft wurde und zumindest Nährwert und Geschmackseigenschaften aufweist, die mit konventionellem Fleisch vergleichbar sind [15]. Um zu verhindern, dass In-vitro-Fleischprodukte als „Rindfleisch" oder „Fleisch" gekennzeichnet werden können, richtete der Verband US-amerikanischer Viehzüchter (U.S. Cattlemen's Association) im Februar 2018 eine Petition an das US-Landwirtschaftsministerium (U.S. Department of Agriculture - USDA). Die Bezeichnungen „Rindfleisch" oder „Fleisch" sollen nur Produkten vorbehalten bleiben, die von Tieren stammen, die auf traditionelle Art und Weise geboren, aufgezogen und geschlachtet wurden [16]. Ende 2019 wurde diese Forderung im US-Senat mit dem Real MEAT (Marketing Edible Artificials Truthfully) Act of 2019 gesetzlich umgesetzt und Missouri war der erste US-Bundesstaat, der die Verwendung des Wortes "Fleisch" untersagte, wenn das Lebensmittelprodukt nicht von Vieh oder Geflügel stammte. Vierzehn Bundesstaaten verabschiedeten 2019 Gesetze zur Etikettierung von Fleisch, und neun Bundesstaaten zogen eine solche Gesetzgebung im Jahr 2020 in Betracht [17]. Diese Gesetze zielen nicht nur darauf ab, konventionelles Fleisch von zellbasiertem Fleisch zu unterscheiden, sondern im weiteren Sinne von allen Fleischersatzprodukten einschließlich pflanzlicher und insektenbasierter Herkunft [18]. Das Problem der unklaren bzw. immer noch diskutierten Definition von In-vitro-Fleisch spiegelt sich auch in dessen Regulierung wider. In den USA sind beispielsweise sowohl die Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelbehörde (Food and Drug Administration, FDA) als auch das Landwirtschaftsministerium an der Regulierung beteiligt. Die FDA wird Zellgewinnung, Zellkultur-Sammlungen sowie das Zellwachstum und die Zelldifferenzierung überwachen. Mit der Phase der Zellernte wird das Landwirtschaftsministerium die Aufsicht übernehmen und die Produktion und Kennzeichnung von Lebensmitteln aus den Zellen von Nutztieren und Geflügel regulieren [19]. Sowohl die FDA als auch das Landwirtschaftsministerium bevorzugen übrigens die Bezeichnungen „zellkultiviertes Produkt“ („cell-cultured product“) oder „zellkultiviertes Lebensmittel“ („cell-cultured food product“) und scheinen den Begriff „Fleisch“ absichtlich zu vermeiden [18, 20].

Während in den USA bereits Vorbereitungen für die zukünftige Markteinführung von In-vitro-Fleischprodukten getroffen werden, ist die Europäische Union (EU) etwas zurückhaltender. In der EU ist In-vitro-Fleisch derzeit noch nicht als Lebensmittel zugelassen. Vermutlich fällt In-vitro-Fleisch („cultured meat“) unter die sogenannte Novel-Food-Verordnung (EU 2015/2283) [9]. Die Verordnung über neuartige Lebensmittel legt fest, dass Lebensmittel, die aus einer Zell- oder Gewebekultur von Tieren, Pflanzen, Mikroorganismen, Pilzen oder Algen bestehen, daraus isoliert oder daraus hergestellt wurden, als neuartige Lebensmittel gelten [21]. Sollte In-vitro-Fleisch unter diese Verordnung fallen, wäre eine Zulassung vor dem Markteintritt erforderlich, die eine von der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) durchgeführte Sicherheitsbewertung beinhaltet [22]. Somit könnte die europäische Markteinführung von In-vitro-Fleisch schlimmstenfalls noch mehrere Jahre beanspruchen, während außereuropäische Staaten bereits jetzt dabei sind, die nötigen Regularien festzulegen. Zusätzlich müssen sichere Testverfahren zur Unterscheidung der Produktionsmethoden von In-vitro-Fleischprodukten eingeführt werden, um eine eventuelle Herstellung mittels gentechnischer Verfahren feststellen zu können [11]. Auch um Lebensmittelbetrug durch eine falsche Lebensmittelkennzeichnung zu vermeiden, sind Regelungen notwendig. Dies betrifft zum Beispiel In-vitro-Fleischprodukte, die als konventionelles Fleisch bezeichnet werden und umgekehrt. Denkbar sind aber auch Produkte, die sowohl konventionelles Fleisch als auch im Labor hergestelltes Fleisch enthalten. Da prinzipiell jedes Lebewesen als Spender für Stammzellen für die In-vitro-Fleischproduktion in Frage kommt, muss der tierische Ursprung mittels Testverfahren eindeutig feststellbar sein [9].

Sobald all diese Aspekte geklärt sind, können Unternehmen ihre Produkte auf dem europäischen Markt anbieten.

Für einen Einblick in die Verfahren zur Herstellung von In-vitro-Fleischprodukten lohnt sich ein Blick in die bislang zugänglichen Patentanmeldungen von In-vitro-Fleisch produzierenden Firmen. Solche Patentanmeldungen umfassen sowohl biologische als auch technische Einzelheiten zu den Herstellungsverfahren. Im biologischen Bereich werden vor allem die genutzten Zelllinien und Methoden zur Zellkultivierung beschrieben. Die technischen Einzelheiten liefern Informationen zu Biodruck- bzw. Bioprinting- Anwendungen und bestimmten Bioreaktor-Systemen. Das Problem an Patentanmeldungen ist jedoch nicht nur, dass sie schwierig zu lesen und zu verstehen sind, sondern insbesondere, dass zwischen der Einreichung einer Patentanmeldung und dem Zeitpunkt, an dem sie öffentlich zugänglich wird, 18 Monate liegen [23]. Das bedeutet, dass die heute einsehbare Patentlandschaft lediglich eine Momentaufnahme von spätestens Anfang 2019 ist. Bis zur Erteilung des Patents können sich zudem bestimmte Details oder einzelne Patentansprüche ändern. In den letzten Jahren hat die Finanzierung von Firmen, die an zellbasiertem Fleisch arbeiten, stark zugenommen, sodass vermutlich noch weitere Patentanmeldungen und damit einhergehende Herstellungsverfahren existieren, die zurzeit noch nicht öffentlich einsehbar sind. Dennoch möchte ich anhand der zugänglichen Patentanmeldungen und den darin beschriebenen Verfahren und Methoden die Grundlagen der In-vitro-Fleischherstellung beschreiben und ein Verständnis für die zu Grunde liegende Zellbiologie schaffen.

Kein Wachstum ohne Nährstoffe: Zellkulturmedium

In-vitro-Fleisch wird aus im Labor kultivierten Zellen hergestellt. Zu Beginn werden einem Tier Stammzellen entnommen, diese in der Zellkultur vermehrt und später in Muskelzellen umprogrammiert. Wie das genau funktioniert, wird in Teil 2 beschrieben. Hier soll es zunächst um das Zellkulturmedium gehen, also den Nährstofflieferanten für die Zellen.

Alle Zellen benötigen Nährstoffe zum Wachsen. In den Körpern von Menschen und Tieren sorgt der Blutkreislauf für die Versorgung von Zellen mit allen nötigen Nährstoffen und Molekülen, die wichtig sind für das Überleben der Zelle, ihre Vermehrung (Proliferation) und ihre Umwandlung in andere Zelltypen (Zelldifferenzierung). In Zellkultursystemen, in denen die Zellen entweder in Petrischalen oder in großen Bioreaktoren wachsen, übernimmt diese Rolle das Zellkulturmedium. Das Zellkulturmedium ist im Grunde das Kernstück der Zellkultur, da es alle Faktoren für den Stoffwechsel und die Energieerzeugung der Zelle beinhaltet und somit ihr Überleben sicherstellt. Im Vergleich zum Gewebe eines Körpers treten in der Zellkultur zwei entscheidende Schwierigkeiten auf. Zum einen unterscheidet sich die natürliche Umgebung einer Körperzelle je nach Zelltyp und Tierart in Bezug auf unterschiedliche Nährstoffe, Hormone, Wachstumsfaktoren und etliche andere Faktoren, mit denen sie über das Blut versorgt wird [24]. Das Zellkulturmedium und dessen Komponenten bzw. Zutaten müssen also perfekt auf den jeweiligen Zelltyp in Kultur zugeschnitten sein. Zum anderen handelt es sich beim Blutsystem um einen Kreislauf, bei dem verbrauchte Komponenten erneuert und Abfallstoffe beseitigt werden. Ein solcher Kreislauf liegt in der Zellkultur nicht vor, sodass entweder das gesamte Medium von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden muss oder die verwendeten Bioreaktoren, in denen die Zellen kultiviert werden, ein solches Kreislaufsystem imitieren müssen. Die Optimierung des Zellkulturmediums auf einen bestimmten Zelltyp ist zeitintensiv und teuer; ebenso ist das fertig zusammengestellte Medium teuer und sollte möglichst effektiv genutzt werden. Zellkulturmedien sind einer der teuersten Faktoren bei der Herstellung von In-vitro-Fleisch und machen schätzungsweise 55% bis über 95% der Kosten des Produkts aus [25].

Im Allgemeinen benötigen kultivierte Zellen für ihr Wachstum eine sterile, also keimfreie, Umgebung und eine Versorgung mit Nährstoffen. Darüber hinaus sollte die Kulturumgebung einen relativ stabilen pH-Wert und eine gleichbleibende Temperatur bieten. Die Temperatur wird über den Bioreaktor eingestellt und wird an den jeweiligen Zelltyp angepasst. Sie entspricht meist der Körpertemperatur des Tieres, aus dem die Zelle ursprünglich stammt; menschliche Zellen werden beispielsweise bei 37°C kultiviert. Der pH-Wert wird sowohl über das Zellkulturmedium als auch die Parameter des Bioreaktors gesteuert. So hat bei manchen Zellkulturmedien die Konzentration von Kohlenstoffdioxid im Bioreaktor einen direkten Einfluss auf den pH-Wert des Mediums. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Zellkulturmedien entwickelt, die heute im Handel erhältlich sind. Ausgehend von einfach gehaltenen Salzlösungen wurden Aminosäuren, Vitamine, Fettsäuren und weitere Komponenten hinzugefügt, um moderne Zellkulturmedien herzustellen, die das Wachstum einer Vielzahl von Zelltypen unterstützen. Für die genauen Rezepturen wurden oft die Konzentrationen jedes einzelnen Bestandteils optimiert [26].

Es gibt einige Inhaltsstoffe, die die meisten Zellen in Zellkultursystemen benötigen. Dazu gehören anorganische Salze wie Calcium, Magnesium und Natrium, die für eine große Anzahl zellulärer Prozesse benötigt werden. Die Aufnahme komplexer chemischer Verbindung in die Zelle, das heißt deren aktiver Transport über die Zellmembran, benötigt einen kontinuierlichen Austausch von anorganischen Salzen. Als der britische Physiologe Sidney Ringer 1882 das erste Kulturmedium entwickelte, handelte es sich dabei lediglich um eine Salzlösung bestehend aus einer Mischung verschiedener Ionen mit gepuffertem pH-Wert. Dennoch konnte er damit Herzmuskelzellen von Fröschen mehrere Stunden am Leben halten [27, 28]. Eine Reihe weiterer Salzlösungen wurde von anderen Forschern entwickelt, die zum Teil heute noch als Basis für komplexere Zellkulturmedien dienen [29-33]. Entscheidend für optimale Kulturbedingungen ist der pH-Wert des Zellkulturmediums. Ist das Medium zu sauer oder zu basisch, können die Zellen entweder nicht mehr richtig wachsen oder sterben im schlimmsten Fall sogar ab. Um den pH-Wert konstant zu halten, wird ein Puffersystem verwendet, also ein Stoffgemisch, dessen pH-Wert sich trotz Zugabe von Säuren oder Basen nur unwesentlich ändert. Das ist wichtig, weil die Zelle durch ihren Stoffwechsel Moleküle in das Medium abgibt, die dessen pH-Wert ansonsten beeinflussen.

Ein solches Puffersystem ist die Zugabe von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) in das Medium und die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO2) im Zellinkubator bzw. Bioreaktor. Über mehrere Zwischenschritte zerfällt Natriumhydrogencarbonat im Zellkulturmedium in Wasser und Kohlenstoffdioxid. Das gelöste Kohlenstoffdioxid des Mediums erreicht ein Gelichgewicht mit dem gasförmigen Kohlenstoffdioxid in der Luft des Bioreaktors. Erhöht man die Konzentration von gasförmigen Kohlenstoffdioxid im Bioreaktor, erhöht sich auch die Konzentration von gelöstem Kohlenstoffdioxid im Medium, was letztlich zu einer Verminderung des pH-Werts führt. Das Zellkulturmedium wird saurer. Andersherum führt die Verminderung von gasförmigen Kohlenstoffdioxid zur Erhöhung des pH-Werts, das Medium wird basischer [26]. Die meisten kommerziell erhältlichen Medien enthalten Phenolrot als pH-Indikator, was eine konstante Überwachung des pH-Wertes ermöglicht [34]. Während des Zellwachstums ändert das Medium seine Farbe, wenn der pH-Wert aufgrund der von den Zellen freigesetzten Stoffwechselprodukten verändert wird. Bei niedrigen pH-Werten färbt Phenolrot das Medium gelb, während es das Medium bei höheren pH-Werten violett färbt. Bei pH 7,4, dem optimalen pH-Wert für die Zellkultur, ist das Medium leuchtend rot [35].

Was ebenfalls in keinem Zellkulturmedium fehlen sollte sind Aminosäuren. Aus ihnen bestehen die Proteine, die in der Zelle gebildet werden und die in der Zelle sämtliche Funktionen ausführen. Es gibt nicht-essentielle Aminosäuren, die von der Zelle selbst erzeugt werden können, und essentielle Aminosäuren, die über die Nahrung bzw. das Zellkulturmedium aufgenommen werden müssen. Insgesamt gibt es 20 Aminosäuren, aus denen sich die Proteine innerhalb unseres Körpers bzw. innerhalb einer Zelle zusammensetzen, wovon 13 Aminosäuren essentiell sind. Diese müssen also dem Medium hinzugefügt werden, um das langfristige Überleben der Zelle zu gewährleisten. Zellkulturmedien können jedoch auch nicht-essentielle Aminosäuren enthalten, da ihre jeweiligen Konzentrationen das Verhalten der Zellen in Kultur beeinflussen können [35]. Ebenfalls wichtig sind Kohlenhydrate, also Zucker, da sie die Hauptenergiequelle der Zellen bilden. Die meisten Zellkulturmedien enthalten Glucose oder Galaktose, seltener werden Fruktose und Maltose verwendet [35].

Fettsäuren, auch Lipide genannt, sind wichtig für die Intaktheit und Stabilität der Zellmembran und dienen der Zelle darüber hinaus als weitere Energiequelle. Manche Fettsäuren führen in der Zelle aber auch noch weitere Aufgaben aus. Cholesterin ist beispielsweise an der zellulären Signalübertragung und am intrazellulären Transport beteiligt. Die Beschaffenheit und Lipidzusammensetzung der Membrane kann zusätzlich die Aktivität von Membranproteinen beeinflussen. Übergangsmetalle wie Eisen, Zink oder Kupfer sind für die Struktur und Funktion einer großen Anzahl von Proteinen und Enzymen von Bedeutung [37]. Viele überlebenswichtige Enzyme binden Übergangsmetalle, um zu funktionieren. Der in den Mitochondrien stattfindende Elektronentransfer in der Atmungskette, der für die Energieerzeugung notwendig ist, wäre ohne Eisen nicht möglich [38]. Manche Metallionen dienen der Zelle darüber hinaus als Botenstoff in Signalwegen. Ebenfalls für die Zelle wichtig sind Vitamine. Neben den Vitaminen A, C, D, E und K gibt es acht weitere Vitamine des B-Komplex. Vitamine sind an vielen zellulären Prozessen beteiligt und häufig als Kofaktor in chemischen Reaktionen von Bedeutung. Polyamine wie Spermidin, Spermin und Putrescin sind Amine mit geringem Gewicht, die in allen Zelltypen vorkommen. Sie fördern das Zellwachstum, indem sie die Protein- und DNA-Synthese regulieren [39].

Von entscheidender Bedeutung sind Transportproteine, die den Transport von Molekülen zur und durch die Zellmembran erleichtern. Dazu zählen beispielweise die Proteine Transferrin und Laktoferrin, die Eisen zur Zellmembran transportieren. Das Protein Albumin ist das Hauptprotein im Blut, das Wasser, Salze, freie Fettsäuren, Hormone und Vitamine bindet und zwischen Geweben und Zellen transportiert. Die Bindungskapazität von Albumin macht es zu einem geeigneten Entferner von toxischen Substanzen aus den Zellkulturmedien [35]. Proteine für die Zellanheftung und Zellausbreitung dienen den Zellen als Struktur, auf der sie wachsen können. In einem natürlichen Gewebe sind Zellen Teil eines komplexen Netzes aus Molekülen an die sie binden, die sogenannte extrazelluläre Matrix. Sie bietet den Zellen physische Unterstützung und überträgt Signale, die das Verhalten und die Entwicklung der Zellen regulieren [40]. Um eine Art extrazelluläre Matrix in der Zellkultur nachzuahmen, ist es üblich, dass der Boden von Petrischalen mit Proteinen der extrazellulären Matrix wie Laminin oder Fibronektin beschichtet ist. Die Zugabe solcher Proteine in das Zellkulturmedium kann das Anheften von Zellen fördern [41]. Um die Zellvermehrung, also Proliferation, das Zellwachstum und die Zelldifferenzierung, also die Umwandlung in einen anderen Zelltyp, zu steuern, beinhalten Zellkulturmedien Wachstumsfaktoren und Hormone. Sie sind zusätzlich für die Aufrechterhaltung der laufenden biologischen Funktionen wichtig. Insulin und Glukagon sind zum Beispiel wichtige Regulatoren des Zuckerstoffwechsels in Muskel- und Fettzellen. Einige Wachstumsfaktoren wie epidermaler Wachstumsfaktor (EGF) oder Fibroblastenwachstumsfaktor (FGF) werden dem Medium hinzugefügt, um die Zellproliferation in der Zellkultur zu erhöhen [42].

Viele Inhaltsstoffe des Zellkulturmediums werden jedoch nicht einzeln hinzugefügt, sondern gemeinsam durch die Zugabe von Serum, also dem flüssigen Anteil von Blut. Serum ist eine komplexe Mischung aus Proteinen, Wachstumsfaktoren und Hormonen und ist wahrscheinlich eine der wichtigsten Komponenten eines Zellkulturmediums. Das am häufigsten verwendete Serum ist fetales Kälberserum (fetal calf serum, FCS). Andere Arten von Serum sind erhältlich, darunter Serum von neugeborenen Kälbern und Serum von Pferden [44]. Da In-vitro-Fleisch laut der Herstellerfirmen ohne Tierleid produziert werden soll, kommt die Verwendung von FCS oder anderer tierischer Seren nicht in Frage. Wie sehen Alternativen zu FCS aus? Ist Zellkultur ohne FCS möglich?

Wie war das nochmal mit dem FCS?

FCS wurde zum ersten Mal vom amerikanischen Genetiker Theodore Puck als Bestandteil von Zellkulturmedium genutzt. 1958 veröffentlichte er, dass die Zugabe von 15% FCS das Überleben der Zellen und die Stabilität des Genoms für eine Vielzahl menschlicher und tierischer Zellen verbessert [45]. FCS enthält viele Komponenten, die für das Überleben und die Proliferation von Zellen wichtig sind. Durch die Zugabe von FCS imitiert das Zellkulturmedium die natürliche Umgebung, das heißt die natürliche Nährstoffversorgung, embryonaler und fetaler Zellen von Rindern. Die Anforderungen verschiedenster Zellen, darunter auch menschlicher, sind so ähnlich, dass sich FCS als universeller Motor für Zellwachstum und -Überleben herausgestellt hat. Dadurch verringert sich die Notwendigkeit, Kulturmedien zu entwickeln, die auf spezifische Zelltypen zugeschnitten sind, erheblich [46].

Die Herstellung von FCS ist barbarisch: FCS wird aus dem Blut von ungeborenen Kälbern (Föten) gewonnen, die meist zufällig bei der Schlachtung trächtiger Kühe entdeckt werden [46]. Das Blut wird hierbei mit einer Spritze aus dem noch schlagenden Herzen des Fötus entnommen. Es muss davon ausgegangen werden, dass die fetalen Kälber während dieser Prozedur bewusst Schmerzen empfinden können, einschließlich der Entnahme aus dem Leichnam der Mutter, des Einstichs in das Herz und der Blutentnahme selbst, die zu ihrem Tod führt. Weltweit werden jährlich etwa 800.000 Liter FCS produziert, was zwei Millionen Rinderföten entspricht [46]. Die Verwendung von FCS ist allerdings nicht nur aufgrund der ethischen Bedenken unvorteilhaft. Die genaue Zusammensetzung von FCS ist immer noch nicht bekannt und schwankt in den Konzentrationen einzelner Bestandteile je nach Charge [47]. Dies kann letztlich zu einer hohen Variabilität in Laborexperimenten führen und die Reproduzierbarkeit von Zellwachstum, Zellproliferation und Zelldifferenzierung einschränken [48]. Hinzu kommen ernste Sicherheitsbedenken für das Laborpersonal aufgrund der möglicherweise im FCS enthaltenen Endotoxine, Mykoplasmen, Viren oder Prionproteine [46]. Zu diesen Problemen kommt der hohe Preis von 1000 bis 1200 $ pro Liter FCS sowie ein undurchsichtiger und locker regulierter Markt, der in der Vergangenheit bereits zu falschen Kennzeichnungen und Produktverfälschungen geführt hat [46].

Schon lange vor dem Aufkommen von In-vitro-Fleisch haben andere Industriezweige erfolgreich FCS-freie, chemisch genau festgelegte Kulturmedien entwickelt [49]. Serum-freies Zellkulturmedium wird beispielsweise bei der Herstellung monoklonaler Antikörper oder in der Kultur von Stammzellen für Anwendungen wie Zelltherapien verwendet. Während bei der Herstellung von Antikörpern unbekannte FCS-Bestandteile die Reinheit der geernteten Proteine beeinträchtigen könnten, würden unerwünschte Bestandteile in einigen Chargen von FCS für die vorzeitige Differenzierung von Stammzellen sorgen [26]. Einige In-vitro-Fleischproduzenten geben inzwischen an, auf FCS zu verzichten [50]. Die bisher einsehbaren Patentanmeldungen enthalten jedoch keine genaueren Angaben, wie dies gelungen ist. Lediglich das in San Francisco ansässige Unternehmen Wild Type beschreibt Experimente, in denen FCS im Zellkulturmedium durch Shiitake-Pilzextrakt und Sojabohnenhydrolysat ersetzt worden ist und führt diese Methode auch als Patentanspruch auf [51]. Die Möglichkeit, Serum durch aminosäurereiche Pilzextrakte ersetzen zu können, ist bereits seit längerer Zeit bekannt [52]. Das ebenfalls aus San Francisco stammende Unternehmen Memphis Meats beschreibt in einer seiner Patentanmeldungen, dass die Hemmung des Hippo-Signalwegs die Fähigkeit der Zellen erhöht, sich ohne FCS zu vermehren [53]. Der Hippo-Signalweg reguliert die „Kontakthemmung", also die Tendenz von Zellen, die Proliferation zu stoppen, wenn sie mit anderen Zellen in Kontakt kommen [54]. Viele der in der Patentanmeldung beschriebenen Protein- bzw. Genmodifikationen, um den Hippo-Signalweg zu blockieren, resultieren in gentechnisch veränderten Zellen, sodass auch das daraus hervorgehende Endprodukt als gentechnisch verändert gekennzeichnet werden müsste.

Es kann davon ausgegangen werden, dass die meisten In-vitro-Fleisch produzierenden Firmen den Einsatz von FCS umgehen, indem sie bereits kommerziell erhältliche, serum-freie Zellkulturmedien nutzen. Dafür kommen zum Beispiel das Medium TeSR oder das daraus hervorgegangene Essential 8 in Frage. Essential 8 ist ein weit verbreitetes, kommerziell erhältliches Zellkulturmedium ohne tierische Bestandteile. Es wurde 2011 durch eine Verfeinerung des Mediums TeSR entwickelt, um unnötige Faktoren wie das teure und schwankungsanfällige Protein Albumin zu entfernen. Essential 8 eignet sich gut für die Gewinnung und längere Erhaltung von Stammzellen, ohne eine Differenzierung auszulösen, und seine genaue Zusammensetzung ist öffentlich zugänglich [55]. Die Kosten für einen Liter Essential 8 Medium belaufen sich auf etwa 400 $, wovon jedoch über 96% auf die beiden Wachstumsfaktoren FGF-2 und TGF- entfallen [25]. Sollte das Medium in großem Maßstab eingesetzt werden, fallen die Kosten pro Liter Essential 8 vermutlich um bis zu 80% [25]. Darüber hinaus wäre eine mögliche Strategie die Kosten des Zellkulturmediums zu senken, die beiden teuren Wachstumsfaktoren durch günstigere Alternativen zu ersetzen oder ihre Kosten durch eine Steigerung ihrer Produktion zu verringern.

Eine weitere Möglichkeit zur Kostensenkung ist die Entwicklung eines Recycling-Systems für Zellkulturmedium, sodass teure Inhaltsstoffe wie Wachstumsfaktoren mehr als einmal verwendet werden können. Die In-vitro-Fleisch Unternehmen Future Meat und Integriculture beschreiben solche Medium-recycelnden Bioreaktoren in ihren Patentanmeldungen [56, 57]. Ausgehend von diesen Patentanmeldungen und den Aussagen der In-vitro-Fleischproduzenten auf ihren Websites scheint der Verzicht auf FCS in Zellkulturmedien zur Erzeugung zellbasierten Fleischs kein Problem mehr darzustellen. Zusätzlich kann davon ausgegangen werden, dass die Herstellung von In-vitro-Fleisch in großem Maßstab mittels chemisch festgelegter Medien und Medium-recycelnden Bioreaktoren zu einem Endprodukt führen wird, dass preislich mit konventionellen Fleischprodukten mithalten kann [25].

In Teil 2 werde ich erklären, wie das Zellkulturmedium dazu genutzt wird, Stammzellen in Muskelzellen umzuprogrammieren. In Teil 3 gehe ich näher auf Mikroträger, Stützstrukturen und die verschiedenen Bioreaktoren ein.

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