[科普中国]-“未来肉”人工干细胞牛排肉问世，它的神奇之处到底在哪？

那么，进行人造肉研发是否确有必要？干细胞人造肉又是如何制成的？人造牛排肉实现了哪些看似不可能的突破？我们什么时候才能吃上真正的干细胞人造肉？此外，除了制作人造肉，相关技术还有哪些应用场景？让我们带着这些问题一同探讨吧。干细胞人造肉有潜力引领食品技术革命吗？对于我们绝大部分人而言，能不能吃上肉压根儿不是事儿，反倒是思考“吃什么肉，怎么吃”着实要耗费不少精力。然而对于生活在欠发达地区的数十亿人来说，餐餐有肉吃仍然是美好的幻想。根据目前全球人口的增加趋势推断，2050年地球人口将达到90亿到100亿人口的规模。伴随着发展中国家现代化进程的逐步推进，人类总体生活水平将有进一步提高，届时全球食品工业将需要比现在多生产70%的产品才能满足各国人民的基本生活需求。肉类工业，特别是牛肉生产实际上对全球生态环境都造成了巨大的压力。以饲料种植业中的大豆为例，50年间（截至2017年底），全球大豆产量从2700万吨增加到26900万吨，整整扩大了十倍。全球大豆种植面积已经达到了100万平方公里，几乎相当于3个日本，而大豆产量的80%以上都会用于家禽及家畜饲料。也就是说，不断增加的肉类需求推动着大豆种植面积的逐渐增长，随之而来的是对森林、草原和湿地等自然资源的砍伐及侵占。同时，传统肉类工业实际上属于一种投入产出比很差的低效率生产模式，经过研究计算，产出1千克牛肉需要消耗将近10千克饲料，同时消耗大量淡水。以下图为例，家畜饲育占据了全球农业生产用地中的77%，而其中的绝大部分是肉牛养殖农场。此外，畜牧业产生的温室气体排放量已经达到了与交通运输业和工业相当的水平，占到了全球温室气体排放总量的18%。甚至有研究认为，预计最早在2030年左右人类蛋白质食物来源的供需平衡就将被打破，人类将以更大的环境代价来获取肉类蛋白质。在这样的背景下，发展人造肉就成为了一条解决人类“蛋白质危机”的潜在路径。目前已经面世或尚在研究阶段的新型蛋白质来源主要有单细胞藻类、昆虫蛋白粉、真菌蛋白仿制肉、植物蛋白仿制肉以及干细胞人造肉。可以看出，在上述各项中也仅有干细胞人造肉能够称得上是真正的肉类。近日，美国知名快餐公司Burger King推出一款不含肉的人造肉汉堡。制作这款“植物肉”汉堡的原料来源植物蛋白，该公司实验测试后声称口感与正常汉堡相近。鉴于食用肉类属于人类生存的基本需求之一，人造肉一旦获得技术上的突破，很可能催生出万亿级别的消费市场。以鸡肉为例，2016年仅在美国一地，鸡肉市场规模就达到了每年900亿美元。由于具有其它代用肉类所不具备的先天优势，干细胞人造肉研究在发达国家的科研和产业界都获得了相当的关注。然而，我们在现实生活中也只有在新闻报道中才能偶尔见到干细胞人造肉的相关信息。这种科研热度和大众认知间的落差是如何造成的呢？这是因为现阶段干细胞人造肉技术面临的最大困境并非是消费者接受新生事物的程度，而是该技术高昂的成本。仍以鸡肉为例，干细胞人造鸡肉在2017年中期时成本依旧高达1公斤2万美元。即便如此，与2013年第一次“干细胞牛肉汉堡包试吃会”时相比已经有了几个数量级的成本下降。要知道当时一块人造汉堡牛肉饼的成本就达到了25万美元。那么，干细胞人造肉技术的原理到底是怎样的？它的成本为何如此高昂呢？让我们先从干细胞说起。天赋异禀的干细胞干细胞是一种既可以自我复制不断增殖，又能分化出其它种类细胞的特殊细胞。高等动物身体中存在多种类型的干细胞，如在胚胎形成和胎儿发育阶段，胚胎干细胞可以在自身数目增殖的同时分化为多个组织和器官。当胎儿出生后，身体中各处仍然存在诸多种类的干细胞，如脂肪干细胞、肌肉干细胞等。这种成体干细胞已经失去了胚胎干细胞的全能分化能力，但仍然可以分化成与其自身类似的组织细胞。干细胞人造肉技术正是通过提取动物体内的肌肉干细胞并促使其在体外环境下分裂增殖为肌肉组织而实现的。具体来说，研究人员首先从动物体内提取出一定数量的肌肉干细胞，这一过程对动物身体的损伤极小，没有动物研究伦理风险。之后在特殊的培养液中对干细胞进行体外培养，令其进行分裂增殖。分裂出的各种前驱细胞会自发形成一系列小型的肌肉纤维组织，再聚合成松散的肌肉组织团块。不过，由于这种组织的细胞之间缺乏血液循环系统，位于团块内部的细胞一旦失去来自外界的营养和氧气供给就会坏死。由于存在这种不易克服的困难，干细胞人造肉在培育过程中甚至很少能达到毫米级别的厚度，大部分情况下只能得到一层非常薄的只有十几个细胞厚度的片状组织，且内部细胞之间缺乏整体性。因此，传统干细胞人造肉工艺只能将多层组织薄膜叠合起来制成形态上较为接近肉馅的汉堡肉饼。以数百个微米厚的肌肉组织膜为例，铺满一个培养皿的面积就需要数周，且目前绝大多数培养工艺都需要利用基于牛胎儿血清的营养液。牛胎儿血清的成本相当高昂，培养出一块数公分尺寸的干细胞人工肉组织需要消耗至少9升血清，成本达到5000美元，而一块肉饼需要数十块这样的组织，造价可想而知。此外，以减少肉用动物苦痛为主要出发点之一的人造肉技术如果还需要以侵害牛胎儿作为技术基础，确实算是一个莫大的讽刺。不过，学术界对克服这一技术难题普遍表示乐观。以100年前胰岛素发现初期的历史为例，虽然当时为了医疗和研究需要，大量牛、猪等动物的胰脏被用于提取胰岛素。但50年前开始，人类相继发明了基于大肠杆菌和酵母菌来制造胰岛素的技术，很好的解决了这一伦理困境，也极大的降低了相关技术的应用成本。目前已有多家干细胞人工肉的初创企业宣称寻找到了牛胎儿血清的替代产品，干细胞人造肉的成本也已经下降到了正常馅料肉成本的十倍以内。或许在十年之内，干细胞人造肉就能走上普通人的餐桌了。为什么说干细胞牛排肉是干细胞人工肉研究的重大突破？肉类本来的口感来自于肌肉组织所具有立体构造。以骨骼肌为例，细长的肌肉纤维聚集成束，纤维束再进一步形成骨骼肌，各束间以及肌肉外部都有结缔组织膜包裹。在体外培育这种三维肌肉形态曾经被认为是不可能完成的任务。之前的干细胞人造肉也大多以培养缺乏立体构造的馅料肉为主要目标。那么，日本研究人员是如何实现这一突破的？想要有真实肌肉的口感，必须要获得与真实肌肉纤维类似的人造肉纤维。研究人员先从牛肌肉中提取出肌肉母细胞（由肌肉组织中的干细胞——卫星细胞分化而来），再在体外进行培养，令其反复增殖。大量的肌肉母细胞随后聚集在一起，通过细胞膜彼此融合的方式变成细小的肌纤维。到这一步骤为止，基本手法仍然与之前的干细胞人工肉技术别无二致。接下来，如何让细小的肌纤维进一步聚合，达到厘米级的长度，并且像真实肌肉纤维一样强韧呢？研究人员们利用胶原蛋白制成中空细管，再将啫喱状的培养液和大量的肌肉母细胞同时注入管中。经过一段时间的增殖分化，细管内部的肌肉母细胞就可以相互聚合成一系列并行的肌纤维。这些肌纤维会进一步形成一条完整的肌肉纤维束，之后再将其从细管模具中抽出。这种纤维束的强健程度与真实肌肉组织不相上下，以至于研究人员在培育过程中不得不经常对单根纤维束进行拉伸，否则它们就将在强烈收缩力的作用下聚成无法利用的硬组织块。每根完整的纤维束将作为制作牛排肉的基本结构单位，合理排布的数百根纤维束最终就会形成一块与真实肌肉具有类似结构的块状人造肉。好比松散的鹅卵石堆永远无法砌成高墙，但预先烧制的砖块却可以垒出广厦，组成人造肉的基本组分没有发生变化，但组织方式的不同却让两者形成了完全不同的结构。虽然缺乏血液循环系统，但人造牛排肉的肌肉纤维束缝隙间仍然含蓄着充足的养分和氧气，令其拥有向立体生长的可能，而无需担心内部组织发生缺氧坏死。人造牛排肉只有食用意义吗？人造牛排肉的诞生对于食品工业特别是人造肉的相关研究来说具有重大意义，并且它的应用场景将不只局限于食用。以制药工业为例，一系列药品都以肌肉组织作为其作用对象。如果能在体外模拟出与真实肌肉组织类似的人工肌肉，就可以在体外开展药物与肌肉组织间相互作用的实验，而无需作用于活体动物后再取出肌肉组织实施观察。不仅极大提高实验效率，更能避免对实验动物的伤害。脊髓侧索硬化症（即渐冻人症，ALS）是一种严重的神经系统病变，发病后全身控制骨骼肌的神经元将逐渐死亡，病人的运动、发音、吞咽乃至呼吸等机能都将缓慢退化，最终死于呼吸衰竭。目前，ALS仍然是一种绝症，医学界和制药业界一直在尝试寻找抑制神经元病变的方式。相关研究中，小鼠是目前较为常见的通用工具，然而鼠和人类间存在显著的种间差异，鼠类身上获取的数据对人类仅有参考意义。如果能在体外利用干细胞技术制造出实际的肌肉组织并进一步制造出与之连接的神经元，就可以对ALS的发病机理及治疗方式进行更加行之有效的研究。此外，利用干细胞技术进行胰岛细胞移植的相关研究也进入了动物实验阶段。研究人员采用与干细胞牛排肉类似的方法，将利用干细胞技术大量繁殖的大鼠胰岛细胞制成纤维状，再将这种纤维贴附于该大鼠的胰脏表面。由于细胞来自接受移植的个体，因此具有良好的生物相容性，不仅能够避免排异反应，更能保证移植后的存活率和功能性。目前，移植后的人工胰岛细胞已经可以在大鼠体内持续发挥功效120天之久。我们已经可以利用干细胞技术在体外大量培育出所需要的多种组织细胞，然而如何让它们成为有机整体，乃至形成器官等复杂结构，仍然是现代科学所面临的终极难题之一。人造牛排肉面世的最大意义或许在于，它为我们揭示了一种在体外模块化生产身体组织的可能性。好比乐高积木一样，人体器官也可以由一系列基本结构单元逐步拼合形成。大家觉得这样的未来科技会在什么时候普惠人类社会，真正地出现在我们面前呢？如果用人造肉做成的食品会得到你的认可和消费吗？作者：张昊（中）日本大阪大学助理教授审稿：陆修远（中）日本大阪大学前沿免疫中心研究员编辑：王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国