動物細胞培養(yǎng)肉的制備是未來食品業(yè)的一項顛覆性技術(shù), 有望作為傳統(tǒng)畜牧業(yè)的有效補充, 從而有利于促進環(huán)境可持續(xù)性和農(nóng)業(yè)碳減排，保障公共衛(wèi)生安全和動物福利，緩解人畜口糧競爭。全球已有超過上百家研究機構(gòu)或初創(chuàng)公司進行細胞培養(yǎng)肉的研發(fā), 但實現(xiàn)細胞培養(yǎng)肉的規(guī)模化生產(chǎn)仍面臨諸多挑戰(zhàn), 其中優(yōu)質(zhì)種子細胞的獲取、無動物源成分的培養(yǎng)基和3D可食用支架的研發(fā)、大規(guī)模培養(yǎng)的工程化等是細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)化過程中亟需解決的技術(shù)瓶頸。
韓建永教授課題組長期致力于大家畜早期胚胎發(fā)育及多能干細胞相關(guān)的研究工作, 針對上述技術(shù)瓶頸進行攻關(guān), 在細胞培養(yǎng)肉研發(fā)方面取得突破性成果。本研究利用實驗室前期所獲得的豬上胚層干細胞 (Cell Research, 2021), 建立了豬胚胎多能干細胞向肌肉無血清定向誘導(dǎo)分化的技術(shù)體系, 并結(jié)合無動物源成分的3D支架, 首次實現(xiàn)了豬胚胎多能干細胞來源動物細胞培養(yǎng)肉的制備, 具備以下創(chuàng)新性：
胚胎干細胞具有體外無限擴增及分化成各種組織細胞的能力, 是細胞培養(yǎng)肉的理想種子細胞。研究團隊獨辟蹊徑、突破瓶頸, 創(chuàng)建了豬穩(wěn)定胚胎干細胞分離培養(yǎng)技術(shù)體系 (Cell Research, 2021) , 解決了近40年來大家畜胚胎干細胞建系的國際難題。本研究進一步驗證該細胞系可體外長期穩(wěn)定傳代并維持細胞的多能性及基因組的穩(wěn)定（截至發(fā)文已傳超過300代），而細胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域常用的肌肉干細胞只能傳代20-30代。如果按胚胎干細胞最低增殖比例1:3進行傳代, 一個起始細胞在約30代的時候可獲得330個細胞，即可生產(chǎn)出相當于一頭成年豬的所有細胞量（約1014個細胞），只需要50代即可生產(chǎn)出相當于70億頭生豬的細胞量，為中國生豬年出欄量的10倍，而且只需要100-150天。因此具有自主知識產(chǎn)權(quán)的豬胚胎干細胞分離培養(yǎng)技術(shù)體系不僅解決了大家畜干細胞建系的國際難題，也有望成為細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重要底盤技術(shù), 為搶占該領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點提供技術(shù)與資源保障。
2. 建立了豬胚胎干細胞向肌肉細胞無血清定向誘導(dǎo)分化的技術(shù)體系
本研究建立了豬胚胎干細胞向肌肉細胞分階段定向誘導(dǎo)分化的技術(shù)體系, 可實現(xiàn)全程無血清添加和無轉(zhuǎn)基因的肌原性分化，并研發(fā)出適合豬胚胎干細胞肌原性分化的無血清培養(yǎng)基。組學(xué)層面進一步驗證所獲得的肌肉細胞與體內(nèi)的肌肉細胞相似，可確保細胞培養(yǎng)肉的清潔與安全, 有望實現(xiàn)細胞培養(yǎng)肉營養(yǎng)可控等多種要求。
3. 研發(fā)了無任何動物源成分的3D可食用支架
本研究解決了干細胞分化過程中與可食用3D支架的親和性問題, 研發(fā)了無任何動物源成分的3D可食用支架, 實現(xiàn)了細胞體外大量擴增。本研究還首次成功利用豬胚胎干細胞分化技術(shù)制備了與正常肉類指標相似的細胞培養(yǎng)肉, 具有明顯的肌肉外觀和紋理，而且富含條件必需氨基酸，不易受食源性致病菌的污染，表明本研究已具備了邁向產(chǎn)業(yè)化的理論與技術(shù)。
總的來說，這項研究不僅有望解決起始細胞長期穩(wěn)定擴增的問題, 提高胚胎來源的多能干細胞在動物細胞培養(yǎng)肉研發(fā)中的利用率, 還能為其它家畜動物細胞培養(yǎng)肉的制備提供理論參考, 也有望為未來功能性食品的研發(fā)和“清潔”肉類的供應(yīng)提供新的技術(shù)途徑和科技支撐。目前, 韓建永教授團隊在現(xiàn)有的成果基礎(chǔ)之上, 正致力于突破種子細胞更大規(guī)模培養(yǎng)以及低成本培養(yǎng)基研發(fā)的技術(shù)難題, 以實現(xiàn)細胞培養(yǎng)肉的產(chǎn)業(yè)化。
該研究得到國家重點研發(fā)計劃 (2022YFD1302201, 2016YFA0100202)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)未來功能食品研發(fā)計劃 (SJ2021002004)、國家自然科學(xué)基金 (31970825, 31772601, 31972099, 32172143) 和北京市自然科學(xué)基金 (6192005) 等項目的資助。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)為該研究工作的第一完成單位，本校朱高翔博士 (已畢業(yè))、高登峰博士 (已畢業(yè)) 和西北農(nóng)林科技大學(xué)李鱗子博士 (在讀) 為本文的共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院韓建永教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)食品學(xué)院馮憲超教授和北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院馬愛進教授為本文的共同通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44001-8
