Wie wird In-vitro-Fleisch hergestellt? - Teil 3
Stützstrukturen, Bioreaktoren und ökologische Vorteile
8. November 2020
Die Nachfrage nach Fleischprodukten steigt sowohl in Ländern der Europäischen Union als auch global weiterhin an [1] - und dies trotz Lebensmittelskandalen, schlechten Haltungsbedingungen der Tiere und desaströsen Arbeitsbedingungen für die Angestellten der fleischverarbeitenden Industrie [2-4]. Jedes Jahr werden für unseren Fleischkonsum weltweit 80 Milliarden Tiere geschlachtet – zehn Tiere pro Mensch [5]. Auf der anderen Seite nehmen auch die Verkaufszahlen von Fleischersatzprodukten auf pflanzlicher Basis rasant zu und deren Umsatz übersteigt bei manchen Herstellern bereits den konventioneller Fleischprodukte [6-8].
Neben Fleischersatzprodukten auf pflanzlicher Basis stehen auch zellbasierte Fleischprodukte aus dem Labor oft im Fokus der Öffentlichkeit. An sogenanntes In-vitro-Fleisch sind viele Hoffnungen geknüpft: die Herstellung von In-vitro-Fleisch kommt ohne Massentierhaltung aus, benötige weniger Fläche und sei insgesamt umweltfreundlicher. Der Haken: noch gibt es kein fertiges In-vitro-Fleischprodukt im Supermarkt zu kaufen; die Akzeptanz bei Verbraucher*innen ebenso wie die letztendlichen Verminderungen von Umweltschäden gründen auf Vorhersagen und Modellrechnungen [9].
In den Teilen 1 und 2 habe ich die entscheidende Rolle des Zellkulturmediums bei der Herstellung von In-vitro-Fleisch beschrieben, sowie die verwendeten Zelltypen und die angewandten Methoden zur Zelldifferenzierung erläutert. Im dritten Teil möchte ich den Schwerpunkt auf Stützstrukturen und die verwendeten Bioreaktoren legen. Außerdem werde ich mögliche Umweltvorteile von In-vitro-Fleisch diskutieren.
Die Herstellung von In-vitro-Fleisch erfordert konstante Zellkulturbedingungen in einem Maßstab, der bislang für die Kultur von Zellen unvorstellbar schien. Die Firma Mosa Meat gibt auf ihrer Website beispielsweise an, aus einer Gewebeprobe einer Kuh 800 Millionen Muskelstränge herstellen zu können, was letztlich für die Herstellung von 80,000 Hamburger Buletten ausreichen würde [10]. Im zweiten Teil über die Herstellung von In-vitro-Fleisch habe ich zwar erklärt, wie aus einzelnen Stammzellen viele Muskelfasern werden, habe dabei aber sowohl die Rolle von Gerüsten und Stützstrukturen, als auch die Verwendung unterschiedlicher Ansätze von Bioreaktoren und die Zellernte außer Acht gelassen. Diese Aspekte sollen jetzt im dritten Teil detaillierter beleuchtet werden.
Gerüste und Mikroträger für das Wachstum von Zellen
Kultivierte Stammzellen werden möglichst häufig vermehrt und anschließend über bestimmte Wachstumsfaktoren im Zellkulturmedium in Muskelzellen umprogrammiert. Aber wie wird aus einzelnen Muskelfasern richtiges Muskelgewebe, also strukturiertes Fleisch? Um diesen Prozess besser zu verstehen, benötigt es Hintergrundinformationen zur sogenannten extrazellulären Matrix und zu den mechanischen Prozessen, die auf eine Zelle in einem Gewebe einwirken.
In einem Gewebe liegen Zellen innerhalb eines Gemischs aus ganz bestimmten Proteinen und Molekülen vor, der sogenannten extrazellulären Matrix. Die Hauptbestandteile der extrazellulären Matrix sind Wasser, Glykoproteine und Vielfachzucker, sowie in geringeren Mengen Aminosäuren, Glukose, Gewebshormone und verschiedene Elektrolyte [11]. Abhängig von der genauen Zusammensetzung der extrazellulären Matrix, ändert sich deren Festigkeit, was wiederum einen direkten Einfluss auf die Zellaktivität hat. Spezielle Zellmembranproteine, die Integrine, funktionieren als Sensoren für die Vermittlung von mechanischen Reizen, die von der extrazellulären Matrix auf die Zelle ausgeübt werden, an das Zellskelett. Über Integrine kann die Zelle die extrazelluläre Umgebung wahrnehmen, sodass intrazelluläre Signalwege angeschaltet werden, die die Ausrichtung und Bewegung der Zelle sowie ihre Differenzierung kontrollieren [12, 13]. Dieser Prozess wird unter dem Begriff Mechanotransduktion zusammengefasst. Die Dichte und Zusammensetzung der extrazellulären Matrix wirken sich direkt auf das Verhalten der Zelle aus [14]. Für nahezu alle Zelltypen, die zur Erzeugung von In-vitro-Fleisch genutzt werden oder genutzt werden könnten, wurde eine entscheidende Rolle der extrazellulären Matrix bei der Zelldifferenzierung nachgewiesen [15-18]. Neben dem großen Einfluss des Zellkulturmediums auf das Wachstum und die Differenzierung der kultivierten Zellen ist es deshalb ebenso wichtig, auch die Eigenschaften der extrazellulären Matrix im Labor nachzuahmen, um die Differenzierung von Stammzellen und die anschließende Bildung richtigen Muskelgewebes voranzutreiben. Dies ist insbesondere für die Herstellung strukturierter, dreidimensionaler Fleischprodukte von enormer Bedeutung.
Für die Herstellung von In-vitro-Fleisch werden Millionen von Zellen benötigt, die in Bioreaktoren kultiviert werden. Um möglichste viele Zellen in einem Reaktor wachsen lassen zu können, werden die Zellen als Suspensionskultur gehalten, das heißt, sie wachsen umgeben von Zellkulturmedium und bilden keinen direkten Kontakt zum Boden einer Zellkulturschale oder ähnlichem. Die verwendeten Stammzellen sind aber nicht an ein freies Wachstum in Zellkulturmedium angepasst. Stattdessen benötigen sie eine Oberfläche auf der sie wachsen können, da die Zellen ansonsten sterben; es handelt sich dabei um eine Form des programmierten Zelltods namens Anoikis [19]. Um dieses Problem zu umgehen, werden Mikroträger verwendet. Bei Mikroträgern (auch Microcarrier genannt) handelt es sich um kleine, perlenähnliche Strukturen mit einem Durchmesser von 100 bis 400 Mikrometern. Sie ermöglichen die Anheftung von Zellen, indem sie die Eigenschaften der extrazellulären Matrix imitieren, wie beispielsweise deren Festigkeit und Porosität [20, 21].
Durch die Verwendung von Mikroträgern entsteht ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was wiederum hohe Zelldichten ermöglicht. Zusätzlich kann auch die Zelldifferenzierung direkt auf den Mikroträgern erfolgen, indem Komponenten des Zellkulturmediums verändert werden (siehe Teil 1), die Eigenschaften der Mikroträger angepasst werden, oder durch Scherkräfte und Mechanotransduktion [21]. Um die Anheftung von Zellen zu erleichtern, sind die Mikroträger mit Proteinen der extrazellulären Matrix beschichtet oder anderweitig chemisch modifiziert. Klassischerweise bestehen Mikroträger aus Materialien wie Polystyrol, Polyacrylamid oder Glas. Für die Herstellung von In-vitro-Fleisch werden jedoch Mikroträger benötigt, die den Geschmack des späteren Fleischprodukts nicht verändern und abgebaut werden können, sich selbst auflösen oder im besten Fall sogar essbar sind, um nicht aufwändig entfernt werden zu müssen [21]. Das Unternehmen Modern Meadow mit Sitz in New Jersey beschreibt in einer seiner Patentanmeldungen die Herstellung von essbaren, tierfreien Mikroträgern [23]. Die Mikroträger werden hierbei mit Zellen besät, sodass sich kugelförmige, vielzellige Ansammlungen bilden. Das besondere an den beschriebenen Mikroträgern ist nicht nur, dass sie essbar sind und somit in der Zellkultur sowie im Fleisch-Endprodukt belassen werden können, sondern auch, dass sie kompatibel mit einer Bioprinting-Düse sind, auf die Modern Meadow ebenfalls ein Patent angemeldet hat [24]. Die essbaren Mikroträger bestehen aus Pektin, einem Vielfachzucker aus der Zellwand von Pflanzen, und aus Cardosin, einem Protein aus Artischocken. Während Pektin den Mikroträgern ihre Struktur verleiht, enthält das Protein Cardosin die Aminosäuresequenz Arginin, Glycin und Asparaginsäure (RGD), an der Zellen haften können.
Verschiedene Typen von Mikroträgern
Es gibt 3 Haupttypen von Mikroträgern: nichtporöse, mikroporöse und makroporöse. Abhängig von der Porosität des Mikroträgers lagern sich die Zellen unterschiedlich an. Im Allgemeinen werden Zellen auf der Oberfläche von nichtporösen und mikroporösen Mikroträgern angeheftet, während makroporöse Mikroträger größere Räume bieten, die es den Zellen ermöglichen, sich im inneren Teil des Mikroträgers anzuheften. Aufgrund der Ähnlichkeit mit der Umgebung im tierischen Körper, beeinflussen manche Mikroträger die Zelldifferenzierung der auf ihnen angehefteten Zellen. (Abbildung entlehnt von [22])
Die Muskelzellen binden an die Cardosin-Proteine, vermehren sich um die Mikroträger herum und die mit Zellen bewachsenen Mikroträger können anschließend mit der Bioprinting-Düse gedruckt werden. Die Zellen, die die Außenseite der Mikroträger bedecken, können miteinander verschmelzen, sodass sich Zellschichten bilden können [23, 24].
Während durch die Verwendung von Mikroträgern zwar die Anzahl kultivierter Zellen erhöht werden kann, eignet sich die aus den Zellen gewonnene Zellmasse lediglich für einfache Produkte wie Buletten und Frikadellen. Für die Herstellung von strukturierten Fleischprodukten wie Steaks oder Filets benötigt es zusätzlicher Technologien, um die natürliche Umgebung des Muskelgewebes und die im Gewebe herrschenden mechanischen Reize nachzuahmen. Zusätzlich müssen solche Gerüste dafür sorgen, dass auch das Innere des gebildeten Gewebes konstant mit Sauerstoff sowie den Nährstoffen und Wachstumsfaktoren des Zellkulturmediums versorgt wird, ähnlich zu den Blutgefäßen in einem Organismus. Wenn kultivierte Muskelzellen eine Dicke von mehr als 200 Mikrometern erreichen, können Sauerstoff und Nährstoffe nicht bis in die innere Zellschicht eindringen, und diese Zellen beginnen abzusterben [25]. Aus diesem Grund werden für die Herstellung strukturierter Fleischprodukte dreidimensionale Gerüste benötigt, die aus einem Hydrogel, aus einem porösen, schwammähnlichen Material oder einer Mischung aus beidem bestehen können und den wachsenden Zellen Struktur verleihen [26]. Unter einem Hydrogel versteht man eine wasserenthaltende, aber wasserunlösliche, chemische Verbindung aus mehreren verzweigten oder als Ketten angeordneten Molekülen. Das Gerüst aus porösem Material und das Hydrogel übernehmen zwei verschiedene Aufgaben. Während das poröse Biomaterial eine grobe Struktur vorgibt und mechanische Unterstützung für die Muskelfasern liefern kann, bietet das Hydrogel den einzelnen Zellen eine elastische, dreidimensionale Mikroumgebung [26]. Auf diese Weise werden die verschiedenen Schichten des Bindegewebes der Skelettmuskulatur nachgeahmt: das schwammähnliche, poröse Biomaterial imitiert die mechanischen Eigenschaften der locker-faserigen, gefäßreichen Bindegewebsschicht (Perimysium); das Hydrogel ahmt im Inneren der Poren die gefäß- und nervenführenden, innermuskulären Bindegewebshüllen der einzelnen Muskelfaserbündel (Endomysium) nach [26, 27].
Wachsen Zellen auf einer solchen Stützstruktur, nehmen sie mechanische Signale wahr, die durch komplexe Wechselwirkungen zwischen dem porösen Biomaterial, dem Hydrogel und den Zellen selbst erzeugt werden [28, 29]. Die Eigenschaften der Stützstruktur, das heißt unter anderem die Größe der Poren und die Beschaffenheit des Hydrogels, beeinflussen unmittelbar das Wachstum und die Differenzierung der kultivierten Zellen [26, 30, 31].
Wie bereits für die Mikroträger gilt auch für die Gerüste, dass sie aus Materialien bestehen sollten, die den Geschmack des Fleischprodukts nicht beeinflussen, und im besten Fall sogar essbar sind. Die Verwendung essbarer Gerüste und Stützstrukturen während der Zellkultur verhindert eine spätere, aufwändige Entfernung dieser Materialien während oder nach der Zellernte. Mittlerweile ist eine Vielzahl von essbaren Biomaterialien bekannt [32-34].
Das kalifornische Unternehmen Wild Type identifizierte den stärkeähnlichen Vielfachzucker Glucomannan als vielversprechendes Material für essbare Gerüste oder Mikroträger und zeigt, dass Bindegewebszellen von Enten wie auch Muskelstammzellen von Fischen an Glucomannan-Gerüsten anwachsen können [35]. Die israelische Firma Future Meat zeigt in einer Patentanmeldung die Kultivierung von Muskelzellen von Hühnern zusammen mit Endothelzellen, also flachen Zellen, die die Innenseite der Blutgefäße auskleiden [36]. Unter Verwendung eines porösen Kollagengerüsts und eines serumfreien Mediums gelang es, dass die Endothelzellen in den Poren des Gerüsts die Gefäßversorgung für das dreidimensionale, kultivierte Muskelgewebe ausbildeten. Dadurch wird die Herstellung dreidimensionaler, strukturierter Fleischprodukte möglicherweise erleichtert [36].
Zu den Eigenschaften von Mikroträgern oder Stützstrukturen, die von den In-vitro-Fleisch Unternehmen genutzt werden, geben bislang leider nur wenige Patentanmeldungen Einblicke. Die Erforschung unterschiedlicher Materialien und Produkteigenschaften läuft jedoch auf Hochtouren [21]. Eine Möglichkeit dreidimensionale Fleischprodukte ohne Stützstrukturen herzustellen ist der 3D Biodruck, auch als Bioprinting genannt, bei dem die Zellen als Biotinte dienen und Schicht für Schicht aufgetragen werden. Aus Platzgründen werde ich auf diesen interessanten Themenbereich jedoch hier nicht weiter eingehen und möchte lediglich auf exzellente Übersichtsartikel über dieses Thema verweisen [37-39].
Welche Bioreaktoren werden genutzt?
Die Kultur von Zellen für die Herstellung von In-vitro-Fleisch benötigt konstante Bedingungen in Bezug auf Temperatur und pH-Wert. Zudem muss die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff, Nährstoffen und weiteren Faktoren über das Zellkulturmedium sichergestellt werden. Um die Menge an benötigten Zellen für die Herstellung von In-vitro-Fleischprodukten zu kultivieren, reichen herkömmliche Methoden einer zweidimensionalen Zellkultur wie Zellkulturschalen und Flaschen nicht mehr aus. Stattdessen müssen diese durch große Bioreaktoren ersetzt werden, die Zellkulturen mit hoher Zelldichte und großem Volumen erlauben. Schätzungen zeigen, dass etwa acht Billionen Muskelzellen nötig seien, um ein Kilogramm Protein aus einem 5.000 Liter fassenden Bioreaktor zu erzeugen [40].
Vier ganz generelle Methoden für die Zellkultur in Bioreaktoren können unterschieden werden: Batch-Kultur, Fed-Batch-Kultur, kontinuierliche Kultur und Perfusionskultur [41]. Bei der Batch-Kultur wird der Behälter des Bioreaktors mit einem festgelegten Volumen von Medium gefüllt und die Zellen werden bis zu ihrer maximalen Dichte gezüchtet, bevor sie geerntet oder in einen größeren Behälter überführt werden. Die Fed-Batch-Kultur ist ein Zulauf-Verfahren, bei dem die Zellen in einem Behälter gezüchtet werden zu dem frisches Zellkulturmedium hinzugefügt wird. Durch die Zufuhr des frischen Mediums mit variabler Geschwindigkeit werden Zellwachstum und Zelldichte vergrößert. Bei einer kontinuierlichen Kultur wird den in einem Behälter gezüchteten Zellen mit einer optimierten Durchflussrate frisches Zellkulturmedium hinzugegeben. Gleichzeitig werden entweder das verbrauchte Medium oder die Zellen in einem zweiten Behälter gesammelt, sodass ein kontinuierlicher Austausch stattfindet. Die Perfusionskultur ist eine Spezialisierung der kontinuierlichen Kultur, bei der die Zellen über ein Substrat oder Sammelverfahren zurückgehalten werden, was sowohl die Wiederverwendung des Mediums zulässt, als auch hohe Zelldichten auf kleinerem Raum ermöglicht. Jede dieser vier Methoden hat Vor- und Nachteile und während der In-vitro-Fleischproduktion ist auch die Verwendung mehrerer Methoden vorstellbar [39].
Neben den verschiedenen Methoden für die Zellkultur können auch mehrere Bauweisen von Bioreaktoren unterschieden werden. Für die tierische Zellkultur ist der am häufigsten verwendete Bioreaktor ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor. Im Vergleich zu Airlift-Reaktoren bietet er höhere Langzeitsterilität und geringere Bildung von Luftblasen [39, 41]. Kontinuierliche Rührkesselreaktoren ermöglichen das Wachstum von Zellen durch mechanisches Rühren unter Aufrechterhaltung eines hohen Sauerstofftransports [39].
Verschiedene Arten von Bioreaktoren
Neben unterschiedlichen Methoden der Zellkultur (Batch-Kultur, Fed-Batch-Kultur, kontinuierliche Kultur und Perfusionskultur) können auch verschiedene Typen von Bioreaktoren unterschieden werden (Wave-mixed bioreactor, Rotating wall vessel bioreactor, Airlift-Bioreaktor, Rührkesselbioreaktor). Für die tierische Zellkultur ist der am häufigsten verwendete Bioreaktor ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor, der Kultur mit hoher Langzeitsterilität und geringer Bildung von Luftblasen ermöglicht. (Abbildung entlehnt von [42])
Es gibt sehr viele Hürden zu meistern, um die momentan verfügbaren Bioreaktoren an die erforderlichen Zellmengen für die Herstellung von In-vitro-Fleisch anzupassen. Mehrere Optimierungen müssen noch vorgenommen werden, wie zum Beispiel den Umgang mit Zellstress durch Scherkräfte, die Sterilisierung der Bioreaktoren und der einzelnen Komponenten, sowie Kosteneinsparungen durch Wiederaufbereitung von verbrauchtem Zellkulturmedium [39]. Eine sehr gute Übersicht mit vielen, tiefergehenden Informationen findet sich auf dem Blog des Senior Scientist Elliot Swartz [39]. Im Folgenden möchte ich zwei Ansätze für Bioreaktorsysteme von In-vitro-Fleisch Unternehmen vorstellen, die in Patentanmeldungen veröffentlicht wurden.
Die japanische Firma Integriculture hat sich ein Bioreaktorsystem patentieren lassen, das den Namen „CulNet“ trägt [43]. Es handelt sich um ein Ko-Kultivierungssystem, bei dem in einem zentralen Reaktortank Muskelzellen wachsen, während in einem oder mehreren Nebentanks Fütterzellen kultiviert werden. Fütterzellen geben Moleküle ab, die anderen Zellen beim Wachsen helfen. In dem Fall von „CulNet“ dienen Leber- und Plazentazellen als Fütterzellen, deren ausgeschiedene Moleküle, wie zum Beispiel Wachstumsfaktoren, über das Bioreaktorsystem zirkuliert und zu den Muskelzellen im zentralen Tank geleitet werden [43]. Dieser Vorgang imitiert natürliche Prozesse im Körper, bei denen Organe Wachstumsfaktoren absondern, die über den Blutkreislauf zu anderen Geweben gelangen. Zusätzlich erlaubt das „CulNet“-System mittels Sauerstoffanreicherung und eines Dialysators die Wiederverwendung von Zellkulturmedium [43]. Das „CulNet“-System erlaubt enorme Ersparnisse bei der Zellkultur, da sowohl das teure Zellkulturmedium recycelt werden kann, als auch die kostenintensiven Wachstumsfaktoren nicht in aufgereinigter Form gekauft werden müssen, sondern von kultivierten Fütterzellen hergestellt werden.
Das israelische Unternehmen Future Meat strebt die Verteilung kleinerer Bioreaktoren zur Erzeugung zellbasierten Fleischs an Landwirte an. Aus einer Patentanmeldung geht ein Perfusions-Bioreaktorsystem hervor, das die Wiederverwendung des Zellkulturmediums ermöglicht [36]. Das System besteht aus einer oder mehreren Zellkulturkammern mit einem Volumen von etwa fünf Litern. Hinzu kommen ein Dialysator, der toxische Stoffwechselprodukte herausfiltert und Nährstoffe wieder auffüllt, und eine Steuerung, die den Fluss des Zellkulturmediums durch das System steuert [36]. Durch das geringe Volumen von fünf Litern werden die benötigten Mengen des teuren Zellkulturmediums niedrig gehalten. Future Meat berechnet in der Patentanmeldung Kosten von etwa 5 $ pro Kilogramm hergestellten Fleischs [36].
Ähnlich wie bei den Mikroträgern und Stützstrukturen gibt es auch für die Bioreaktoren bislang wenige Informationen, auf welche Technologie die einzelnen Unternehmen bei der Herstellung von In-vitro-Fleisch setzen. Es handelt sich um ein aktives Forschungsfeld und kleine Innovationen können sich rasant auf die gesamte Branche auswirken.
Aus den drei Artikeln über die Herstellung von In-vitro-Fleisch sollte der generelle Ablauf des Produktionsprozesses hervorgegangen sein: Muskelstammzellen oder pluripotente Stammzellen aus Gewebeproben von Tieren werden in Kultur gebracht und möglichst häufig vermehrt. Um eine maximale Zellzahl zu erreichen, sind nicht nur große Bioreaktoren notwendig, sondern auch bestimmte Mikroträger, sowie ein Zellkulturmedium mit Wachstumsfaktoren und Nährstoffen. Die Stammzellen werden über unterschiedliche Wachstumsfaktoren im Medium zu Muskelzellen umprogrammiert. Für die Herstellung von strukturierten Fleischprodukten wie Steaks oder Koteletts werden darüber hinaus Gerüste und Stützstrukturen benötigt. Zellbasierte Fleischprodukte sollen möglichst ohne Tierleid hergestellt werden, wodurch bei der Zellkultur ein Medium ohne tierische Bestandteile und Mikroträger und Stützstrukturen aus nicht-tierischen Materialien verwendet werden müssen. Hinzu kommen die Anforderungen an Mikroträger und Stützstrukturen aus essbaren Materialien zu bestehen oder sich über die Zeit aufzulösen. Gentechnische Verfahren sind zur Herstellung von In-vitro-Fleisch prinzipiell nicht von Nöten, werden jedoch vereinzelt angewendet.
Umweltvorteile von In-vitro-Fleisch
Zum Abschluss der drei Artikel möchte ich darauf zu sprechen kommen, warum sich die Forschung an In-vitro-Fleisch überhaupt lohnt. Der Hauptgrund liegt klar an den möglichen Vorteilen für Mensch und Umwelt bei vermehrtem Konsum zellbasierter Fleischprodukte weg von konventionellem Fleisch.
Die Vereinten Nationen gehen von einem Zuwachs der menschlichen Population auf etwa 10 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050 aus [44]. Mit der zunehmenden Anzahl an Menschen und dem Zuwachs von Einwohnern in Entwicklungsländern mit steigendem sozioökonomischem Status wird sich schätzungsweise auch der Konsum von Fleischprodukten bis zum Jahr 2050 nahezu verdoppeln [1, 5, 45]. Bereits jetzt ist die Massentierhaltung global für 14,5 % der gesamten anthropogenen Treibhausgasemissionen verantwortlich [46]. Sollte es gelingen, die globalen Treibhausgasemissionen in den Bereichen Energie, Verkehr und anderen Sektoren im Einklang mit den Pariser Zielen zu senken, während die Fleisch- und Milchunternehmen ihre Produktion weiter steigern, wird der Viehzuchtsektor in einem „Business-as-usual“-Szenario über 80% des Budgets auffressen. Es wäre praktisch unmöglich, einen Temperaturanstieg auf gefährliche Werte über 1,5°C hinaus zu verhindern [47].
Hinzu kommt eine enorme Beanspruchung von Land für die Haltung von Nutzvieh. 77% der bewohnbaren Landflächen werden für die Viehzucht oder Viehfütterung genutzt, während diese Landnutzung jedoch nur 17% des weltweiten Kalorienbedarfs abdeckt [48]. Aufgrund des hohen Landbedarfs, ist die industrielle Massentierhaltung die Hauptursache für die weltweite Entwaldung und den damit verbundenen Verlust an biologischer Artenvielfalt [49]. Darüber hinaus trägt die Massentierhaltung zu lebensmittelbedingten Krankheiten und Ausbrüchen von Zoonosen bei und leistet durch den Einsatz hoher Mengen Antibiotika einen direkten Beitrag zu Antibiotikaresistenzen und multiresistenten Keimen [50, 51].
Es liegt auf der Hand, dass der weltweite Konsum von tierischen Produkten und im speziellen von Fleisch reduziert werden muss. Auf der anderen Seite wird es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, Menschen den Konsum von Fleischprodukten zu verbieten. In-vitro-Fleischprodukte könnten deswegen zukünftig eine sehr wichtige Rolle spielen. Bei der herkömmlichen Fleischproduktion werden beispielsweise sieben Kalorien in eine Kuh investiert, um eine Kalorie essbares Fleisch zu gewinnen – ein absolut ineffizienter Prozess [52, 53]. Diese als Futterverwertung bezeichnete Berechnung ist für In-vitro-Fleisch bislang noch unbekannt und wird auch erst mit der Markteinführung erster Produkte berechnet werden können. Die ökologischen Vorteile von In-vitro-Fleisch sind insgesamt schwierig zu ermitteln, da bislang keine Produkte verkauft werden, mit denen ein Vergleich zu konventionellen Fleischprodukten unternommen werden könnte. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass In-vitro-Fleisch weniger Landfläche und weniger Wasser benötigt als konventionelles Fleisch. Dafür erfordert die In-vitro-Fleischproduktion vermutlich mehr Energie [1, 54, 55].
Es gibt allerdings deutliche Unterschiede mit welcher Sorte Fleisch In-vitro-Fleisch verglichen wird. So braucht die Herstellung von zellbasierten Fleischprodukten 95% weniger Boden als die Erzeugung der gleichen Menge Rindfleisch, jedoch nur die Hälfte weniger verglichen mit Geflügel. Im Vergleich zu Rindfleisch stößt die In-vitro-Fleischproduktion bis zu 75% weniger Treibhausgas aus, verursacht aber durch den hohen Energiebedarf eventuell die doppelte Menge an Emissionen verglichen mit Schweinefleisch und Geflügel [1, 9, 54]. Modellrechnungen gehen von einem 10% höheren Energiebedarf für In-vitro-Fleisch aus als für die Herstellung derselben Menge Rindfleisch benötigt wird; im Vergleich zu Geflügel wäre dies sogar ein vierfach höherer Energiebedarf [1, 9, 54]. Für die Produktion zellbasierten Fleischs wird ungefähr die Hälfte an Wasser benötigt als für dieselbe Menge Rindfleisch und somit in etwa so viel wie für Geflügel. Auch bei der Eutrophierung, also der ungewünschten Zunahme von Stickstoff und Phosphor in Gewässern, unterscheidet sich In-vitro-Fleisch Berechnungen zufolge nicht von Geflügel, verglichen mit Rindfleisch handelt es sich jedoch um eine Einsparung von ungefähr 95% [1, 9, 54]. Das Problem dieser Berechnungen ist, dass sie sich auf ein Produkt beziehen, welches noch nicht erhältlich ist. Das bedeutet, die Umweltfolgen der Produktionsprozesse bei der In-vitro-Fleisch Herstellung werden geschätzt.
Die gesamte Branche ist jedoch immer noch in der Erforschung und Optimierung des Produktionsprozesses und aus den bislang einsehbaren Patentanmeldungen geht hervor, dass die unterschiedlichen Unternehmen verschiedene Strategien und Methoden verfolgen. Eine neue Methode oder die Erfindung eines neuen Materials könnten das gesamte Herstellungsverfahren nachhaltig ändern. Eine genaue Analyse der Umweltbilanz von In-vitro-Fleisch muss somit warten, bis marktreife Produkte in den Supermarktregalen stehen. Wie in Teil 1 bereits erwähnt spielt die Verbraucherakzeptanz für den Erfolg zellbasierten Fleischs eine entscheidende Rolle [56]. Es ist letztlich sogar unklar, ob die Markteinführung von In-vitro-Fleisch wirklich dazu führt, dass der Konsum konventioneller Fleischprodukte zurückgeht. Die Zukunft des menschlichen Fleischkonsums und dessen Umweltfolgen bleiben somit ein spannendes und wichtiges Thema. In-vitro-Fleisch kann als große Chance verstanden werden, das massenhafte Abschlachten von Tieren unter tier- und menschenverachtenden Umständen und mit all seinen negativen Folgen auf die Umwelt zu reduzieren, ohne dass auf den Verzehr von Fleischprodukten verzichtet werden müsste.
Weiterführende Literatur
In meinen drei Artikeln habe ich versucht, möglichst viele Aspekte des komplexen Themas In-vitro-Fleisch zu beleuchten und die Wissenschaft hinter Fleisch aus dem Labor zu erklären. Wer ein noch tiefergehendes Interesse an dem Thema hat, ist nicht nur bei den von mir verwendeten Primärquellen gut aufgehoben, sondern sollte auch definitiv einen Blick auf zwei großartige Blogs werfen:
Cultured Abundance hat sich auf Patentanmeldungen spezialisiert, die Herstellungsprozesse für In-vitro-Fleisch beinhalten, und beschreibt diese sehr anschaulich.
Der Blog von Elliot Swartz gibt einen sehr tiefen Einblick in den Herstellungsprozess von In-vitro-Fleisch und die wissenschaftlichen Aspekte dahinter.
Ähnliche Artikel:
Quellen
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