Что такое биореактор для выращивания мяса и как он работает? Новые биореакторы для выращивания мяса функционируют как строго регулируемые среды, в которых клетки выбранного вида животных культивируются в съедобную ткань. Процесс начинается с того, что учёные выделяют стволовые клетки — обычно сателлитные клетки — из биопсии, полученной без убоя животного (образца ткани). После выделения эти клетки размножают in vitro и криоконсервируют («замораживают на хранение»), чтобы их можно было использовать по мере необходимости в будущем. После обработки клетки помещают в биореакторы, специально спроектированные так, чтобы имитировать физиологические и питательные условия организма животного, что позволяет клеткам активно размножаться. Такие среды обеспечивают необходимые исходные компоненты (например, аминокислоты, глюкозу, различные витамины и растворённый кислород) и соответствующие факторы роста (например, растворённый кислород), требуемые для процесса роста клеток. В результате такого массового клеточного размножения формируется съедобная ткань: она может свободно находиться в объёме биореактора или быть прикреплённой к небольшим носителям клеток либо каркасам тканей, введённым в биореактор.
После этой фазы интенсивного клеточного размножения ткань подвергается контролируемой серии воздействий окружающей среды и биохимических факторов, которые стимулируют различные формы формирования ткани, то есть клеточную дифференцировку и гистогенез ткани.
Ключевые требования к биореакторам для производства культивированного мяса
Биореакторы для выращивания мяса требуют одновременного решения множества задач. Необходимо обеспечить полную стерильность всей системы при дополнительной сложности — доставке клеткам специфических питательных веществ и удалении побочных продуктов метаболизма, таких как лактат и аммиак. Большинство систем используют полностью замкнутую конструкцию, которая полностью исключает контакт с наружным воздухом, что позволяет добиться полной стерильности и использовать автоматизированные перфузионные системы. Такие системы решают задачи поддержания достаточного и непрерывного потока кислорода и питательных веществ, а также удаления продуктов жизнедеятельности. Биореакторы также должны имитировать естественные процессы в живых тканях. Это означает применение постоянного сдвигового напряжения, динамического и статического растяжения, а также направление клеточной самоорганизации и роста внеклеточного матрикса. Для выращивания сложных и функциональных мышечных тканей необходимо достичь оптимального баланса различных физических и химических условий.
Биореакторы также должны обеспечивать стерильность, подачу питательных веществ и механическую стимуляцию.
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и лекарств (FDA) регулирует все биореакторы, предназначенные для производства и переработки пищевых продуктов. Это означает, что для поддержания стерильности биореакторы должны подвергаться стерилизации на месте (SIP), быть одноразовыми или совместимыми с очисткой на месте (CIP) для обеспечения соответствия стандартам пищевой промышленности.
Поддержание стабильных и динамических концентраций питательных веществ имеет решающее значение для продолжительных перфузионных культур. Дело в том, что при длительном использовании партийные или полу-непрерывные системы становятся токсичными из-за непреднамеренного и постоянного накопления побочных продуктов, а также из-за невозможности обеспечить требуемые стабильные концентрации метаболитов.
Для улучшения формирования миотрубок требуется применение механической стимуляции (а также вспомогательных средств). Это достигается за счёт регулируемого перемешивания, деформации мембраны или растяжения субстрата, что, в свою очередь, повышает экспрессию сократительных белков и напрямую улучшает общую текстуру и питательную достоверность культивируемого продукта.
Компромиссы между масштабируемостью и жизнеспособностью клеток
По мере увеличения размеров биореактора перед специалистами по культивированию клеток возникают новые вызовы. Более крупные резервуары позволяют значительно снизить себестоимость продукции на грамм, что выгодно с коммерческой точки зрения; однако в биореакторах большего объёма возрастают механические силы, которые могут поставить под угрозу целостность мышечных и жировых клеток в процессе их роста и привести к их повреждению. Большинство компаний стремятся масштабировать производство до объёмов свыше 50 000 литров, чтобы конкурировать по цене с выращенным мясом на рынке; однако при увеличении размера резервуаров без должного учёта всех факторов выживаемость клеток может снизиться ниже 80 %, что резко и существенно ухудшает экономическую эффективность производства. К счастью, применение вычислительной гидродинамики помогает решить эту проблему. Такие модели позволяют инженерам оптимизировать различные параметры и настройки — например, конструкцию мешалок, расположение инжекторов воздуха и характер потоков жидкости внутри биореактора. Эта технология даёт производителям возможность экономически эффективно наращивать свой бизнес, не нарушая целостности клеток и не препятствуя дифференцировке стволовых клеток в ткани.
Выбор подходящих биореакторов для выращивания мяса имеет решающее значение для масштабируемости процесса, жизнеспособности клеток, точности текстуры и себестоимости производства. Каждый из трёх наиболее распространённых инженерных решений ориентирован на свои специфические аспекты.
Биореакторы с перемешиванием в резервуаре стали наиболее широко используемыми системами для первых коммерческих производств мяса и пилотных установок благодаря своей надёжности и знакомству с ними исследователей в области биофармацевтики. Их также легко масштабировать. Мешалка в биореакторе способствует равномерному распределению питательных веществ и газов по культуральной среде. Однако эти мешалки также создают силы сдвига, повреждающие хрупкие мышечные и жировые клетки, выращиваемые в культуре. Тем не менее, согласно опросу, проведённому в 2023 году Институтом качественной пищи (Good Food Institute), 72 % стартапов в области культивируемого мяса по-прежнему используют биореакторы с перемешиванием в резервуаре. Компании стремятся как можно скорее вывести продукты на рынок и, как правило, сосредотачиваются на выполнении минимальных регуляторных требований, не учитывая при этом оптимальные условия для роста клеток. Большинство компаний не хотят ждать, пока станут доступны более передовые технологии, даже если это означает снижение их конкурентоспособности.
Полые волоконные биореакторы используют полупроницаемые мембраны, имитирующие капиллярную сеть, что обеспечивает диффузию питательных веществ через волокна. Клетки прикрепляются к наружной поверхности волокон, и благодаря низкому уровню сдвиговых напряжений это способствует достижению очень высокой плотности клеток и даже позволяет поддерживать культуры в течение длительного времени. Однако извлечение клеток остаётся технической задачей, а ограниченный перенос кислорода в такой конфигурации ограничивает практический масштаб примерно до 500 литров.
Клетки также могут культивироваться на каркасных системах, где они растут на трёхмерных съедобных каркасах, изготовленных из бесклеточных растительных тканей или пищевых гелей. В зависимости от своего состава такие гели могут обеспечивать клетки необходимыми сигналами для упорядоченного формирования ткани. Полученная ткань по текстуре и ощущению во рту напоминает привычные нам продукты. Однако остаётся ряд проблем. Например, каркасы, как правило, дорогостоящи в производстве, а их деградация происходит с нежелательной и переменной скоростью. Кроме того, производителям сложно без потерь интегрировать каркасные системы в масштабные производственные процессы.
Тип биореактора Преимущества Ключевые ограничения
Смешиваемый (с перемешиванием) Высокая масштабируемость, хорошее перемешивание, хорошо изученное регулирование Повреждение клеток под действием сдвиговых сил, простая структура
Полый волокнистый Низкие сдвиговые нагрузки, низкий уровень повреждения клеток, хорошая перфузия среды Сложность сбора клеток, ограничения по передаче кислорода, сложность масштабирования
На основе каркаса: хорошее управление текстурой, биомиметический подход, функционально зрелые материалы; высокая стоимость материалов, сложные процессы, масштабируемость ограничена узким местом
Ни одна система не подходит для всех задач. Реакторы с перемешиванием обладают преимуществом наибольшего объёма переработки, однако, чтобы обеспечить жизнеспособность клеток в течение длительного времени, такие системы необходимо тщательно настраивать. Иногда это означает необходимость модификации интенсивной системы перемешивания или применения защитных добавок и т. п. Инвесторы, как правило, хотят убедиться, что системы с полыми волокнами используются лишь в тех случаях, когда это действительно оправдано, поскольку такие системы обычно являются более дорогостоящими. По правде говоря, из-за высокой стоимости и ограничений в области автоматизации системы на основе каркаса всё больше выглядят как будущее для производства продуктов, имитирующих цельные куски мяса, тогда как другие системы просто не соответствуют требованиям. Проблемы, которые нам ещё предстоит решить для обеспечения экономической целесообразности пищевых систем, включают расстояния между элементами, стерильность, эффективное управление всей системой и организацию потока «заткнутого типа» (plug flow).
Барьеры для технологий биореакторов для выращенного мяса: путь к инновациям
Создание биореакторов для выращенного мяса в условиях массового производства сталкивается с такими барьерами, как высокая стоимость, сложности в управлении процессом и ограниченная способность биореакторов воспроизводить сложность естественной биологии. Большая часть операционных расходов компаний приходится на питательные среды, которые требуют дорогостоящих компонентов, таких как рекомбинантные факторы роста и различные заменители альбумина. Кроме того, эксплуатация производственных мощностей требует значительных энергозатрат для поддержания заданной температуры, точного смешивания газов и обеспечения стерильности, что приводит к существенным потерям прибыли. Необходимость поддержания стабильного и однородного роста клеток по всему объёму реактора в условиях крупномасштабного производства создаёт условия, которые современные технологии пока не в состоянии обеспечить.
Инновации в управлении процессом
Более значительные улучшения в плане снижения затрат и повышения энергоэффективности будут способствовать развитию отрасли; лабораторные исследования по снижению стоимости питательных сред, в частности безсывороточных экстрактов, дали многообещающие результаты. Инженеры успешно интегрировали теплоизоляционные материалы и теплообменники для повышения термодинамической и гидравлической эффективности биореакторов, а на опытно-промышленных установках зафиксировано снижение энергопотребления на 30–40 %. При объединении модульных биореакторов с солнечными панелями и ветрогенераторами компании получают энергию и одновременно обеспечивают строгую стерильность производственных процессов и высокие выходы продукции. Такая практика становится всё более распространённой.
Интеграция с автоматизацией и мониторингом в реальном времени
С помощью датчиков биореакторы могут в режиме реального времени отслеживать и регистрировать уровень pH, концентрацию растворённого кислорода, глюкозы, лактата и других важных метаболитов. Система использует машинное обучение для прогнозирования потенциальных сбоев и реализации профилактических мер. Контроллеры Profusion автоматически изменяют скорости потока и даже состав питательной среды в зависимости от текущих потребностей клеток. Это позволяет сократить объём вмешательства операторов на месте на две трети по сравнению с устаревшими системами. Интеллектуальная система обратной связи повышает воспроизводимость каждого производственного цикла и всей производственной системы в целом за счёт более быстрого переноса исследовательских технологий в промышленные производства. Кроме того, она обеспечивает более строгий контроль, что упрощает и ускоряет получение регуляторных разрешений.
Раздел часто задаваемых вопросов
Что такое биореактор для выращивания мяса?
Какие типы биореакторов используются при производстве выращенного мяса?
С какими вызовами сталкивается индустрия выращенного мяса?
Как автоматизация улучшает работу биореакторов для выращивания мяса?