¿Qué es un biorreactor para carne cultivada y cómo funciona? Los nuevos biorreactores para carne cultivada funcionan como entornos altamente regulados en los que se cultivan células de una especie animal seleccionada hasta convertirlas en tejido comestible real. El proceso comienza cuando los científicos aíslan células madre, normalmente células satélite, mediante una biopsia libre de sacrificio (una muestra de tejido). Una vez aisladas, estas células se expanden in vitro y se criopreservan (se almacenan) para poder acceder a ellas en el futuro según sea necesario. Tras el procesamiento celular, las células se colocan en biorreactores, diseñados específicamente para imitar el entorno fisiológico y nutricional del animal, lo que permite que las células experimenten una proliferación masiva. Estos entornos proporcionan las materias primas necesarias (por ejemplo, aminoácidos, glucosa, diversas vitaminas y oxígeno disuelto) y los factores de crecimiento pertinentes (por ejemplo, oxígeno disuelto) requeridos para el proceso de crecimiento celular. La proliferación masiva resultante de células puede equipararse a la generación de tejido comestible, ya que dicho tejido puede quedar libremente suspendido dentro del biorreactor o adherido a pequeños portadores celulares o andamios tisulares que se han incorporado al biorreactor.
Tras esta fase de proliferación celular masiva, el tejido se somete a una serie controlada de factores ambientales y bioquímicos que inducen diversas formas de formación tisular, es decir, diferenciación celular y histogénesis tisular.
Requisitos clave para los biorreactores en la producción de carne cultivada
Los biorreactores para carne cultivada requieren abordar simultáneamente numerosos desafíos. Debe mantenerse la esterilidad total del sistema, con la dificultad adicional de suministrar a las células nutrientes específicos y eliminar los subproductos metabólicos tóxicos, como el lactato y el amoníaco. La mayoría de los sistemas utilizan un diseño completamente cerrado, que impide por completo cualquier contacto con el aire exterior, lo que permite garantizar una esterilidad total y emplear sistemas automatizados de perfusión. Estos sistemas resuelven los desafíos asociados al mantenimiento de un flujo suficiente y continuo de oxígeno y nutrientes, así como a la eliminación de productos de desecho. Asimismo, los biorreactores deben replicar los procesos naturales de los tejidos vivos. Esto implica aplicar tensiones cortantes constantes, así como tensiones dinámicas y estáticas que orienten la autorregulación celular y el crecimiento de la matriz extracelular. Lograr el equilibrio adecuado entre las diversas condiciones físicas y químicas es fundamental para el crecimiento de tejidos musculares complejos y funcionales.
Los biorreactores también deben ser capaces de garantizar la esterilidad, la administración de nutrientes y la estimulación mecánica.
La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) regula todos los biorreactores destinados a la producción y el procesamiento de productos alimenticios. Esto significa que, para mantener la esterilidad, los biorreactores deben someterse a esterilización en lugar (SIP), ser de un solo uso o ser compatibles con la limpieza en lugar (CIP) para garantizar los estándares de grado alimenticio.
Mantener concentraciones nutricionales constantes y dinámicas es esencial para cultivos perfundidos prolongados. Esto se debe a que, cuando se prolongan, los sistemas por lotes o por lotes alimentados se vuelven tóxicos debido a la acumulación involuntaria y constante de subproductos y a la incapacidad de proporcionar las concentraciones mantenidas de metabolitos requeridas.
Se requiere el uso de estimulación mecánica (y también de ayudas) para mejorar la formación de miotubos. Esto se logra mediante agitación ajustable, flexión de la membrana o estiramiento del sustrato, lo que a su vez mejora la expresión de proteínas contráctiles, mejorando directamente la textura general y la fidelidad nutricional del producto cultivado.
Los compromisos entre escalabilidad y viabilidad celular
A medida que aumenta el tamaño del biorreactor, surgen nuevos desafíos para los especialistas en cultivo celular. Los tanques más grandes permiten una mayor reducción del costo por gramo de producto, lo cual es positivo desde una perspectiva comercial; sin embargo, los biorreactores de mayor volumen generarán fuerzas mecánicas más intensas que podrían comprometer la integridad de las células musculares y adiposas durante su crecimiento y dañarlas. La mayoría de las empresas se centran en escalar hasta volúmenes superiores a 50 000 litros para ser competitivas respecto al precio de la carne cultivada en el mercado; no obstante, si el aumento del tamaño del tanque no se realiza con las debidas consideraciones, la viabilidad celular puede caer por debajo del 80 %, lo que empeora drástica y rápidamente la economía de la producción. Afortunadamente, la capacidad de utilizar la dinámica computacional de fluidos está ayudando a superar este problema. Estos modelos permiten a los ingenieros optimizar variables y configuraciones, como el diseño de las turbinas agitadoras, la ubicación de los inyectores de aire y los patrones de flujo del fluido dentro del biorreactor. Esta tecnología permite a los fabricantes expandir económicamente su negocio sin comprometer la integridad celular ni la diferenciación de las células madre en tejido.
Elegir los biorreactores adecuados para la carne cultivada es fundamental para su escalabilidad, así como para la viabilidad celular, la fidelidad textural y el costo de producción. Cada uno de los tres diseños ingenieriles más comunes tiene áreas de enfoque distintas.
Los biorreactores de tanque agitado se han convertido en los sistemas más utilizados para las primeras operaciones comerciales de carne y a escala piloto, debido a su fiabilidad y a la familiaridad que tienen para los investigadores del sector biofarmacéutico. Asimismo, son fáciles de escalar. El agitador del biorreactor contribuye a distribuir de forma uniforme los nutrientes y los gases en el medio de cultivo. Sin embargo, estos agitadores también generan fuerzas cortantes que dañan las delicadas células musculares y adiposas que se están cultivando. Aun así, una encuesta realizada en 2023 por el Good Food Institute muestra que el 72 % de las startups especializadas en carne cultivada siguen utilizando biorreactores de tanque agitado. Las empresas están ansiosas por llevar sus productos al mercado y, por lo general, se centran en cumplir los requisitos regulatorios mínimos, sin considerar las condiciones óptimas para el crecimiento celular. La mayoría de las empresas no quieren esperar a que estén disponibles tecnologías más avanzadas, incluso si ello significa ser menos competitivas.
Los biorreactores de fibra hueca utilizan membranas semipermeables que imitan una red capilar, lo que permite la difusión de nutrientes a través de las fibras. Las células se adhieren al exterior de las fibras y, debido a los bajos niveles de esfuerzo cortante, esto favorece densidades celulares muy elevadas e incluso permite mantener los cultivos durante períodos prolongados. Sin embargo, la recolección de células sigue siendo un desafío técnico, y la transferencia limitada de oxígeno en esta configuración restringe la escala práctica a aproximadamente 500 litros.
Las células también pueden cultivarse en sistemas de andamiaje, donde crecen sobre andamiajes comestibles tridimensionales fabricados a partir de tejidos vegetales libres de células o geles aptos para el consumo humano. Dependiendo de su composición, estos geles pueden proporcionar a las células las señales necesarias para la construcción ordenada de un tejido. El tejido resultante se asemeja, en cuanto a textura y sensación en boca, a lo que normalmente consumimos. Sin embargo, persisten varios problemas. Por ejemplo, los andamiajes suelen ser costosos de fabricar y se degradan a tasas variables e indeseables. Además, los fabricantes enfrentan dificultades para integrar de forma fluida los sistemas de andamiaje en sus procesos productivos a escala.
Tipo de biorreactor Fortalezas Limitaciones clave
Tanque agitado Alta escalabilidad, buena mezcla, regulaciones bien conocidas Daño celular inducido por cizallamiento, estructura sencilla
Fibra hueca Bajo cizallamiento, bajo daño celular, buena perfusión del medio Dificultad para la recolección, limitaciones en la transferencia de O₂, dificultad para escalar
Basado en andamios: Buen control sobre las texturas, biomimético, maduración funcional alta — materiales de alto costo, procesos complejos, escalabilidad limitada
No existe un sistema universal. Los reactores de tanque agitado tienen la ventaja de ofrecer el mayor volumen de procesamiento, pero si queremos garantizar la viabilidad de los cultivos durante largos periodos, deben ajustarse cuidadosamente. En ocasiones, esto implica modificar el sistema de agitación agresivo o utilizar aditivos protectores u otros recursos. Normalmente, los inversores desean asegurarse de que los sistemas de fibras huecas se utilicen únicamente en los casos adecuados, ya que suelen ser los sistemas más costosos. Francamente, debido a su costo y a las limitaciones en automatización, los sistemas basados en andamios parecen cada vez más prometedores como futuro para productos de corte entero, mientras que los demás sistemas simplemente no resultan suficientes. La separación espacial o la esterilidad, el control eficiente de todo el sistema y el flujo en pistón son algunos de los retos que aún debemos resolver para que los sistemas aptos para uso alimentario sean económicamente viables.
Barreras para la tecnología de biorreactores de carne cultivada: El camino hacia la innovación
La escalación a producción en masa de los biorreactores para carne cultivada enfrenta barreras como el costo, el control del proceso y la capacidad de los biorreactores para replicar la complejidad de la biología natural. La mayor parte de los costos operativos de la mayoría de las empresas corresponde al medio de cultivo, que requiere ingredientes costosos como factores de crecimiento recombinantes y diversos sustitutos de la albúmina. Además, el funcionamiento de la instalación consume una gran cantidad de energía para mantener la temperatura adecuada, mezclar con precisión los gases y garantizar la esterilidad, lo que provoca una pérdida significativa de beneficios. La necesidad de mantener un crecimiento celular constante y uniforme durante todo el lote, especialmente a gran escala, genera una condición deseable para la que la tecnología actual no está disponible a gran escala.
Innovaciones en el control de procesos
Mejoras mayores en los costos y la eficiencia energética impulsarán al sector, y los esfuerzos realizados en laboratorios para reducir el costo de los medios de cultivo, especialmente los extractos libres de suero, han arrojado resultados prometedores. Los ingenieros han integrado con éxito materiales aislantes e intercambiadores de calor para mejorar el rendimiento termodinámico e hidráulico de los biorreactores, y las plantas piloto han reportado ahorros energéticos del 30 al 40 por ciento. Cuando los biorreactores modulares se acoplan a paneles solares y turbinas eólicas, las empresas obtienen energía y mantienen una esterilidad operativa rigurosa y buenos rendimientos. Esta práctica se está volviendo cada vez más común.
Integración con la automatización y la supervisión en tiempo real
Con la ayuda de sensores, los biorreactores pueden supervisar y registrar en tiempo real el nivel de pH y la cantidad de oxígeno disuelto, glucosa, lactato y otros metabolitos importantes. El sistema utiliza aprendizaje automático para predecir posibles fallos e implementar medidas preventivas. Los controladores Profusion modifican automáticamente sus caudales e incluso la composición del medio según las necesidades actuales de las células. Esto puede reducir hasta dos tercios la intervención presencial del operador en comparación con sistemas anteriores. El sistema inteligente de retroalimentación mejora la consistencia de cada lote de producción y del sistema productivo en su conjunto, al trasladar más rápidamente la tecnología de investigación a los sistemas de producción. Asimismo, refuerza los controles para facilitar y agilizar las aprobaciones regulatorias.
Sección de Preguntas Frecuentes
¿Qué es un biorreactor para carne cultivada?
¿Cuáles son los tipos de biorreactores utilizados en la producción de carne cultivada?
¿Qué desafíos enfrenta la industria de la carne cultivada?
¿Cómo beneficia la automatización a los biorreactores para carne cultivada?