Che cos'è un bioreattore per carne coltivata e come funziona? I nuovi bioreattori per carne coltivata operano come ambienti altamente regolati, nei quali le cellule di una specie animale selezionata vengono coltivate fino a formare tessuti commestibili effettivi. Il processo inizia quando gli scienziati isolano cellule staminali, generalmente cellule satellite, da una biopsia priva di macellazione (un campione di tessuto). Una volta isolate, queste cellule vengono espanse in vitro e criopreservate (conservate in banca) per poter essere utilizzate in futuro secondo necessità. Dopo il trattamento, le cellule vengono inserite nei bioreattori, progettati appositamente per riprodurre l’ambiente fisiologico e nutrizionale dell’animale, affinché possano subire una proliferazione cellulare massiccia. Questi ambienti forniscono i necessari materiali di partenza (ad esempio aminoacidi, glucosio, varie vitamine e ossigeno disciolto) e i fattori di crescita pertinenti (ad esempio ossigeno disciolto) richiesti per il processo di crescita cellulare. La conseguente proliferazione cellulare massiccia può essere paragonata alla generazione di tessuto commestibile, poiché tale tessuto può trovarsi liberamente sospeso all’interno del bioreattore oppure aderire a piccoli supporti cellulari o a scaffold tissutali già incorporati nel bioreattore.
Dopo questa fase di proliferazione cellulare grossolana, il tessuto è sottoposto a una serie controllata di fattori ambientali e biochimici che inducono diverse forme di formazione tissutale, ovvero differenziazione cellulare e istogenesi tissutale.
Requisiti fondamentali per i bioreattori destinati alla produzione di carne coltivata
I bioreattori per la carne coltivata richiedono di affrontare contemporaneamente numerose sfide. È necessario mantenere la sterilità totale del sistema, con l’ulteriore difficoltà di fornire alle cellule nutrienti specifici e di rimuovere i sottoprodotti di scarto, come il lattato e l’ammoniaca. La maggior parte dei sistemi utilizza una progettazione completamente chiusa, che impedisce del tutto qualsiasi contatto con l’aria esterna, garantendo così una sterilità completa e consentendo l’uso di sistemi automatizzati di perfusione. Questi sistemi risolvono le sfide legate al mantenimento di un flusso sufficiente e continuo di ossigeno e nutrienti, nonché alla rimozione dei prodotti di scarto. I bioreattori devono inoltre replicare i processi naturali dei tessuti viventi. Ciò significa applicare uno stress da taglio costante, generare tensioni dinamiche e statiche e guidare l’auto-organizzazione cellulare e la crescita della matrice extracellulare. Per ottenere la crescita di tessuti muscolari complessi e funzionali è necessario raggiungere un equilibrio ottimale tra le varie condizioni fisiche e chimiche.
I bioreattori devono inoltre essere in grado di garantire sterilità, fornitura di nutrienti e stimolazione meccanica.
La Food and Drug Administration (FDA) regolamenta tutti i bioreattori destinati alla produzione e alla lavorazione di prodotti alimentari. Ciò significa che, per garantire la sterilità, i bioreattori devono essere sterilizzati mediante il processo SIP (Sterilization-in-Place), essere monouso oppure compatibili con il sistema CIP (Clean-in-Place), al fine di rispettare gli standard per l’uso in ambito alimentare.
Mantenere concentrazioni nutrienti costanti e dinamiche è essenziale per colture a perfusione prolungata. Ciò è dovuto al fatto che, nel caso di sistemi batch o fed-batch prolungati, si verifica un accumulo involontario e continuo di metaboliti secondari, con conseguente tossicità, e non si riesce a fornire le concentrazioni di metaboliti necessarie e costantemente mantenute.
L'uso della stimolazione meccanica (ma anche di ausili) è necessario per migliorare la formazione dei miotubi. Ciò si ottiene mediante agitazione regolabile, flessione della membrana o stiramento del substrato, che a loro volta migliorano l'espressione delle proteine contrattili, migliorando direttamente la consistenza complessiva e la fedeltà nutrizionale del prodotto coltivato.
I compromessi tra scalabilità e vitalità cellulare
Con l'aumento delle dimensioni del bioreattore, si presentano nuove sfide per gli specialisti della coltura cellulare. Serbatoi di maggiori dimensioni consentono una maggiore riduzione del costo per grammo di prodotto, il che è vantaggioso dal punto di vista commerciale; tuttavia, i bioreattori a volume più elevato generano forze meccaniche maggiori, che potrebbero compromettere l'integrità delle cellule muscolari e adipose durante la loro crescita, causandone danni. La maggior parte delle aziende punta a raggiungere capacità superiori a 50.000 litri per essere competitiva rispetto al prezzo della carne coltivata presente sul mercato; tuttavia, un aumento delle dimensioni del serbatoio, senza adeguati accorgimenti, può far scendere la sopravvivenza cellulare al di sotto dell'80%, peggiorando in modo grave e rapido l'economicità della produzione. Fortunatamente, la possibilità di ricorrere alla dinamica dei fluidi computazionale sta contribuendo a superare questo problema. Questi modelli consentono agli ingegneri di ottimizzare variabili e parametri quali la progettazione delle turbine, la posizione degli iniettori d'aria e i profili di flusso del fluido all'interno del bioreattore. Questa tecnologia permette ai produttori di far crescere economicamente la propria attività senza compromettere l'integrità cellulare e la differenziazione delle cellule staminali in tessuto.
La scelta di bioreattori adatti per la carne coltivata è fondamentale per la loro scalabilità, nonché per la vitalità cellulare, la fedeltà testurale e i costi di produzione. Ciascuno dei tre design ingegnerizzati più comuni presenta aree di attenzione distinte.
I bioreattori a vasca agitata sono diventati i sistemi più diffusi per le prime operazioni commerciali e su scala pilota di carne coltivata, grazie alla loro affidabilità e alla familiarità che ricercatori del settore biofarmaceutico hanno con essi. Sono inoltre facilmente scalabili. L’agitatore presente nel bioreattore contribuisce a distribuire uniformemente nutrienti e gas nel mezzo di coltura. Tuttavia, questi agitatori generano anche forze di taglio che danneggiano le delicate cellule muscolari e adipose in fase di crescita. Nonostante ciò, un’indagine condotta nel 2023 dal Good Food Institute ha rivelato che il 72% delle startup specializzate nella carne coltivata continua a utilizzare bioreattori a vasca agitata. Le aziende sono ansiose di immettere i propri prodotti sul mercato e, di norma, si concentrano sul rispetto dei requisiti regolamentari minimi, senza considerare le condizioni ottimali per la crescita cellulare. La maggior parte delle aziende non vuole attendere che tecnologie più avanzate diventino disponibili, anche se ciò comporta una minore competitività.
I bioreattori a fibra cava utilizzano membrane semipermeabili che imitano una rete capillare, consentendo la diffusione dei nutrienti attraverso le fibre. Le cellule si attaccano all’esterno delle fibre e, grazie all’ambiente a basso taglio, ciò favorisce densità cellulari molto elevate e permette persino di mantenere le colture per periodi prolungati. Tuttavia, il recupero delle cellule rimane una sfida tecnica e il trasferimento limitato di ossigeno in questa configurazione ne limita la scala pratica a circa 500 litri.
Le cellule possono essere coltivate anche su sistemi di supporto (scaffold), in cui crescono su scaffold tridimensionali commestibili realizzati a partire da tessuti vegetali privi di cellule o da gel idonei al consumo umano. A seconda della loro composizione, questi gel possono fornire alle cellule gli stimoli necessari per la costruzione ordinata di un tessuto. Il tessuto risultante presenta una consistenza e una sensazione in bocca simili a quelle degli alimenti che normalmente consumiamo. Tuttavia, permangono diversi problemi. Ad esempio, gli scaffold sono generalmente costosi da produrre e si degradano a velocità variabili e non desiderabili. Inoltre, i produttori incontrano difficoltà nell’integrare agevolmente i sistemi di scaffold nei propri processi produttivi su larga scala.
Tipo di bioreattore Punti di forza Principali limitazioni
A vasca agitata Elevata scalabilità, buona miscelazione, regolamentazione consolidata Danni cellulari indotti dallo sforzo di taglio, struttura semplice
A fibra cava Basso sforzo di taglio, ridotto danno cellulare, buona perfusione del mezzo Raccolta difficoltosa, limitazioni nel trasferimento di O₂, scalabilità complessa
Basato su scaffold: buon controllo delle texture, biomimetico, maturazione funzionale avanzata; materiali ad alto costo, processi complessi, scalabilità limitata
Nessun sistema è adatto a tutti i casi. I reattori a vasca agitata presentano il vantaggio del volume di processo più elevato, ma per garantire la vitalità delle cellule nel lungo periodo è necessario ottimizzarli accuratamente. Ciò comporta talvolta la modifica del sistema di agitazione aggressivo oppure l’impiego di additivi protettivi o simili. Gli investitori richiedono generalmente che i sistemi a fibre cave vengano utilizzati nei casi appropriati, poiché si tratta solitamente dei sistemi più costosi. Francamente, a causa dei costi e delle limitazioni in termini di automazione, i sistemi basati su scaffold appaiono sempre più come la soluzione futura per i prodotti interi (whole cut), mentre gli altri sistemi non risultano adeguati. La gestione degli spazi, la sterilità, il controllo efficiente dell’intero sistema e il flusso a pistone sono alcune delle sfide ancora da risolvere affinché i sistemi destinati alla produzione di alimenti diventino economicamente sostenibili.
Ostacoli alla tecnologia dei bioreattori per la carne coltivata: La strada verso l'innovazione
L'introduzione dei bioreattori per la carne coltivata nella produzione su larga scala incontra ostacoli quali i costi, il controllo del processo e la capacità dei bioreattori di replicare la complessità della biologia naturale. La maggior parte dei costi operativi delle aziende è rappresentata dai mezzi di coltura, che richiedono ingredienti costosi come fattori di crescita ricombinanti e vari sostituti dell'albumina. Inoltre, il funzionamento dell'impianto richiede una notevole quantità di energia per mantenere la temperatura adeguata, miscelare con precisione i gas e garantire condizioni sterili, con conseguente riduzione significativa dei profitti. La necessità di mantenere una crescita cellulare coerente e uniforme durante tutto il ciclo di produzione, soprattutto su larga scala, determina una condizione desiderabile che attualmente non è realizzabile con le tecnologie disponibili.
Innovazioni nel controllo del processo
Miglioramenti maggiori in termini di costi ed efficienza energetica faranno progredire il settore; inoltre, gli sforzi condotti in laboratorio per ridurre il costo dei mezzi di coltura, in particolare estratti privi di siero, hanno prodotto risultati promettenti. Gli ingegneri hanno integrato con successo materiali isolanti e scambiatori di calore per migliorare le prestazioni termodinamiche e idrauliche dei bioreattori, e gli impianti pilota hanno registrato risparmi energetici del 30–40%. Quando i bioreattori modulari vengono abbinati a pannelli solari e turbine eoliche, le aziende ottengono energia mantenendo al contempo una sterilità operativa rigorosa e rese elevate. Questa pratica sta diventando sempre più diffusa.
Integrazione con l’automazione e il monitoraggio in tempo reale
Con l'ausilio di sensori, i bioreattori possono monitorare e registrare in tempo reale il livello di pH e la quantità di ossigeno disciolto, glucosio, lattato e altri metaboliti importanti. Il sistema utilizza l'apprendimento automatico per prevedere eventuali anomalie e attuare misure preventive. I controller Profusion modificano automaticamente le portate e persino la composizione del mezzo colturale in base alle esigenze immediate delle cellule. Ciò può ridurre l'intervento dell'operatore in loco fino a due terzi rispetto ai sistemi più datati. Il sistema intelligente di retroazione migliora la coerenza di ogni ciclo produttivo e dell'intero sistema produttivo, accelerando il trasferimento della tecnologia di ricerca nei sistemi produttivi. Inoltre, rende più stringenti i controlli al fine di ottenere approvazioni normative più agevoli e più solide.
Sezione FAQ
Che cos'è un bioreattore per carne coltivata?
Quali sono i tipi di bioreattori utilizzati nella produzione di carne coltivata?
Quali sfide deve affrontare il settore della carne coltivata?
In che modo l'automazione beneficia i bioreattori per carne coltivata?