[科普中國]-“未來肉”人工干細胞牛排肉問世，它的神奇之處到底在哪？

那么，進行人造肉研發(fā)是否確有必要？干細胞人造肉又是如何制成的？人造牛排肉實現了哪些看似不可能的突破？我們什么時候才能吃上真正的干細胞人造肉？此外，除了制作人造肉，相關技術還有哪些應用場景？讓我們帶著這些問題一同探討吧。干細胞人造肉有潛力引領食品技術革命嗎？對于我們絕大部分人而言，能不能吃上肉壓根兒不是事兒，反倒是思考“吃什么肉，怎么吃”著實要耗費不少精力。然而對于生活在欠發(fā)達地區(qū)的數十億人來說，餐餐有肉吃仍然是美好的幻想。根據目前全球人口的增加趨勢推斷，2050年地球人口將達到90億到100億人口的規(guī)模。伴隨著發(fā)展中國家現代化進程的逐步推進，人類總體生活水平將有進一步提高，屆時全球食品工業(yè)將需要比現在多生產70%的產品才能滿足各國人民的基本生活需求。肉類工業(yè)，特別是牛肉生產實際上對全球生態(tài)環(huán)境都造成了巨大的壓力。以飼料種植業(yè)中的大豆為例，50年間（截至2017年底），全球大豆產量從2700萬噸增加到26900萬噸，整整擴大了十倍。全球大豆種植面積已經達到了100萬平方公里，幾乎相當于3個日本，而大豆產量的80%以上都會用于家禽及家畜飼料。也就是說，不斷增加的肉類需求推動著大豆種植面積的逐漸增長，隨之而來的是對森林、草原和濕地等自然資源的砍伐及侵占。同時，傳統肉類工業(yè)實際上屬于一種投入產出比很差的低效率生產模式，經過研究計算，產出1千克牛肉需要消耗將近10千克飼料，同時消耗大量淡水。以下圖為例，家畜飼育占據了全球農業(yè)生產用地中的77%，而其中的絕大部分是肉牛養(yǎng)殖農場。此外，畜牧業(yè)產生的溫室氣體排放量已經達到了與交通運輸業(yè)和工業(yè)相當的水平，占到了全球溫室氣體排放總量的18%。甚至有研究認為，預計最早在2030年左右人類蛋白質食物來源的供需平衡就將被打破，人類將以更大的環(huán)境代價來獲取肉類蛋白質。在這樣的背景下，發(fā)展人造肉就成為了一條解決人類“蛋白質危機”的潛在路徑。目前已經面世或尚在研究階段的新型蛋白質來源主要有單細胞藻類、昆蟲蛋白粉、真菌蛋白仿制肉、植物蛋白仿制肉以及干細胞人造肉?？梢钥闯觯谏鲜龈黜椫幸矁H有干細胞人造肉能夠稱得上是真正的肉類。近日，美國知名快餐公司Burger King推出一款不含肉的人造肉漢堡。制作這款“植物肉”漢堡的原料來源植物蛋白，該公司實驗測試后聲稱口感與正常漢堡相近。鑒于食用肉類屬于人類生存的基本需求之一，人造肉一旦獲得技術上的突破，很可能催生出萬億級別的消費市場。以雞肉為例，2016年僅在美國一地，雞肉市場規(guī)模就達到了每年900億美元。由于具有其它代用肉類所不具備的先天優(yōu)勢，干細胞人造肉研究在發(fā)達國家的科研和產業(yè)界都獲得了相當的關注。然而，我們在現實生活中也只有在新聞報道中才能偶爾見到干細胞人造肉的相關信息。這種科研熱度和大眾認知間的落差是如何造成的呢？這是因為現階段干細胞人造肉技術面臨的最大困境并非是消費者接受新生事物的程度，而是該技術高昂的成本。仍以雞肉為例，干細胞人造雞肉在2017年中期時成本依舊高達1公斤2萬美元。即便如此，與2013年第一次“干細胞牛肉漢堡包試吃會”時相比已經有了幾個數量級的成本下降。要知道當時一塊人造漢堡牛肉餅的成本就達到了25萬美元。那么，干細胞人造肉技術的原理到底是怎樣的？它的成本為何如此高昂呢？讓我們先從干細胞說起。天賦異稟的干細胞干細胞是一種既可以自我復制不斷增殖，又能分化出其它種類細胞的特殊細胞。高等動物身體中存在多種類型的干細胞，如在胚胎形成和胎兒發(fā)育階段，胚胎干細胞可以在自身數目增殖的同時分化為多個組織和器官。當胎兒出生后，身體中各處仍然存在諸多種類的干細胞，如脂肪干細胞、肌肉干細胞等。這種成體干細胞已經失去了胚胎干細胞的全能分化能力，但仍然可以分化成與其自身類似的組織細胞。干細胞人造肉技術正是通過提取動物體內的肌肉干細胞并促使其在體外環(huán)境下分裂增殖為肌肉組織而實現的。具體來說，研究人員首先從動物體內提取出一定數量的肌肉干細胞，這一過程對動物身體的損傷極小，沒有動物研究倫理風險。之后在特殊的培養(yǎng)液中對干細胞進行體外培養(yǎng)，令其進行分裂增殖。分裂出的各種前驅細胞會自發(fā)形成一系列小型的肌肉纖維組織，再聚合成松散的肌肉組織團塊。不過，由于這種組織的細胞之間缺乏血液循環(huán)系統，位于團塊內部的細胞一旦失去來自外界的營養(yǎng)和氧氣供給就會壞死。由于存在這種不易克服的困難，干細胞人造肉在培育過程中甚至很少能達到毫米級別的厚度，大部分情況下只能得到一層非常薄的只有十幾個細胞厚度的片狀組織，且內部細胞之間缺乏整體性。因此，傳統干細胞人造肉工藝只能將多層組織薄膜疊合起來制成形態(tài)上較為接近肉餡的漢堡肉餅。以數百個微米厚的肌肉組織膜為例，鋪滿一個培養(yǎng)皿的面積就需要數周，且目前絕大多數培養(yǎng)工藝都需要利用基于牛胎兒血清的營養(yǎng)液。牛胎兒血清的成本相當高昂，培養(yǎng)出一塊數公分尺寸的干細胞人工肉組織需要消耗至少9升血清，成本達到5000美元，而一塊肉餅需要數十塊這樣的組織，造價可想而知。此外，以減少肉用動物苦痛為主要出發(fā)點之一的人造肉技術如果還需要以侵害牛胎兒作為技術基礎，確實算是一個莫大的諷刺。不過，學術界對克服這一技術難題普遍表示樂觀。以100年前胰島素發(fā)現初期的歷史為例，雖然當時為了醫(yī)療和研究需要，大量牛、豬等動物的胰臟被用于提取胰島素。但50年前開始，人類相繼發(fā)明了基于大腸桿菌和酵母菌來制造胰島素的技術，很好的解決了這一倫理困境，也極大的降低了相關技術的應用成本。目前已有多家干細胞人工肉的初創(chuàng)企業(yè)宣稱尋找到了牛胎兒血清的替代產品，干細胞人造肉的成本也已經下降到了正常餡料肉成本的十倍以內。或許在十年之內，干細胞人造肉就能走上普通人的餐桌了。為什么說干細胞牛排肉是干細胞人工肉研究的重大突破？肉類本來的口感來自于肌肉組織所具有立體構造。以骨骼肌為例，細長的肌肉纖維聚集成束，纖維束再進一步形成骨骼肌，各束間以及肌肉外部都有結締組織膜包裹。在體外培育這種三維肌肉形態(tài)曾經被認為是不可能完成的任務。之前的干細胞人造肉也大多以培養(yǎng)缺乏立體構造的餡料肉為主要目標。那么，日本研究人員是如何實現這一突破的？想要有真實肌肉的口感，必須要獲得與真實肌肉纖維類似的人造肉纖維。研究人員先從牛肌肉中提取出肌肉母細胞（由肌肉組織中的干細胞——衛(wèi)星細胞分化而來），再在體外進行培養(yǎng)，令其反復增殖。大量的肌肉母細胞隨后聚集在一起，通過細胞膜彼此融合的方式變成細小的肌纖維。到這一步驟為止，基本手法仍然與之前的干細胞人工肉技術別無二致。接下來，如何讓細小的肌纖維進一步聚合，達到厘米級的長度，并且像真實肌肉纖維一樣強韌呢？研究人員們利用膠原蛋白制成中空細管，再將啫喱狀的培養(yǎng)液和大量的肌肉母細胞同時注入管中。經過一段時間的增殖分化，細管內部的肌肉母細胞就可以相互聚合成一系列并行的肌纖維。這些肌纖維會進一步形成一條完整的肌肉纖維束，之后再將其從細管模具中抽出。這種纖維束的強健程度與真實肌肉組織不相上下，以至于研究人員在培育過程中不得不經常對單根纖維束進行拉伸，否則它們就將在強烈收縮力的作用下聚成無法利用的硬組織塊。每根完整的纖維束將作為制作牛排肉的基本結構單位，合理排布的數百根纖維束最終就會形成一塊與真實肌肉具有類似結構的塊狀人造肉。好比松散的鵝卵石堆永遠無法砌成高墻，但預先燒制的磚塊卻可以壘出廣廈，組成人造肉的基本組分沒有發(fā)生變化，但組織方式的不同卻讓兩者形成了完全不同的結構。雖然缺乏血液循環(huán)系統，但人造牛排肉的肌肉纖維束縫隙間仍然含蓄著充足的養(yǎng)分和氧氣，令其擁有向立體生長的可能，而無需擔心內部組織發(fā)生缺氧壞死。人造牛排肉只有食用意義嗎？人造牛排肉的誕生對于食品工業(yè)特別是人造肉的相關研究來說具有重大意義，并且它的應用場景將不只局限于食用。以制藥工業(yè)為例，一系列藥品都以肌肉組織作為其作用對象。如果能在體外模擬出與真實肌肉組織類似的人工肌肉，就可以在體外開展藥物與肌肉組織間相互作用的實驗，而無需作用于活體動物后再取出肌肉組織實施觀察。不僅極大提高實驗效率，更能避免對實驗動物的傷害。脊髓側索硬化癥（即漸凍人癥，ALS）是一種嚴重的神經系統病變，發(fā)病后全身控制骨骼肌的神經元將逐漸死亡，病人的運動、發(fā)音、吞咽乃至呼吸等機能都將緩慢退化，最終死于呼吸衰竭。目前，ALS仍然是一種絕癥，醫(yī)學界和制藥業(yè)界一直在嘗試尋找抑制神經元病變的方式。相關研究中，小鼠是目前較為常見的通用工具，然而鼠和人類間存在顯著的種間差異，鼠類身上獲取的數據對人類僅有參考意義。如果能在體外利用干細胞技術制造出實際的肌肉組織并進一步制造出與之連接的神經元，就可以對ALS的發(fā)病機理及治療方式進行更加行之有效的研究。此外，利用干細胞技術進行胰島細胞移植的相關研究也進入了動物實驗階段。研究人員采用與干細胞牛排肉類似的方法，將利用干細胞技術大量繁殖的大鼠胰島細胞制成纖維狀，再將這種纖維貼附于該大鼠的胰臟表面。由于細胞來自接受移植的個體，因此具有良好的生物相容性，不僅能夠避免排異反應，更能保證移植后的存活率和功能性。目前，移植后的人工胰島細胞已經可以在大鼠體內持續(xù)發(fā)揮功效120天之久。我們已經可以利用干細胞技術在體外大量培育出所需要的多種組織細胞，然而如何讓它們成為有機整體，乃至形成器官等復雜結構，仍然是現代科學所面臨的終極難題之一。人造牛排肉面世的最大意義或許在于，它為我們揭示了一種在體外模塊化生產身體組織的可能性。好比樂高積木一樣，人體器官也可以由一系列基本結構單元逐步拼合形成。大家覺得這樣的未來科技會在什么時候普惠人類社會，真正地出現在我們面前呢？如果用人造肉做成的食品會得到你的認可和消費嗎？作者：張昊（中）日本大阪大學助理教授審稿：陸修遠（中）日本大阪大學前沿免疫中心研究員編輯：王波文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團隊推出轉載請注明來自科普中國