随着全球牛肉消费的不断增长，如何满足人们对肉类的需求成为了一个重要的问题。

在这个问题背后，一个新兴领域正崭露头角，它被称为细胞农业。有了这一技术，在未来我们可能不再需要真正的农场来养殖肉牛，就能够品尝到美味的牛肉干了——这听起来像是科幻电影的情节，但事实上，细胞农业正在逐渐变为现实。

牛肉（图片来源：作者拍摄）

什么是细胞农业？

细胞农业是一种直接利用细胞培养技术来生产食品的革命性方法。通过在实验室中培养和繁殖动物细胞，我们可以生产出与传统肉类相似的食品，而无需进行养殖和屠宰过程。

通过细胞农业技术，无需饲养整只动物，只培养我们吃的那部分就够了，比如，当我们只想吃牛排时，就无需费力气培养骨头、角、蹄等组织或器官。

细胞农业流程示意图，它不涉及动物的养殖，而是工业化的细胞培养过程（图片来源：参考文献[3]）

培养牛肉细胞的过程是怎样的？

想吃人造牛肉干，就得从牛肌肉干细胞开始培养。牛的干细胞培养的整个过程非常复杂、精确而又能源密集。

首先，在实验室中培养从牛体组织中提取的肌肉细胞。在一个小小的烧瓶中，这些细胞会被培养在特殊的营养液中，营养液能提供细胞生长所必需的生长因子、激素、重组蛋白和其他调节细胞生长的物质。随着时间的推移，最初的种子细胞会开始繁殖，并逐渐形成更大的生物反应器。这个过程需要保持细胞和营养液的特定比例，以满足细胞的生长需求。

细胞培养的培养皿和营养液（图片来源：wikipedia）

然而，科学家目前仍面临一个挑战，就是从活体动物中提取的牛肌肉干细胞在培养过程中通常只能分裂约50次，然后就会进入老化状态，无法再继续存活。

这50次倍增的阈值被称为Hayflick极限。Hayflick极限是指大多数哺乳动物体细胞的有限分裂次数。这个概念由Leonard Hayflick在20世纪60年代提出。细胞分裂极限是由于每次细胞分裂时染色体末端的特殊结构——端粒（telomere）的缩短。每次细胞分裂，端粒都会缩短一定的长度，当端粒缩短到一定程度时，细胞就无法继续分裂，进入停滞状态或细胞凋亡（细胞死亡）。

在细胞分裂过程中，其染色体末端的端粒（红色部分）会不断缩短，最终导致细胞无法继续分裂（图片来源：wikipedia）

为了解决这个问题，塔夫茨大学细胞农业中心的研究人员开发了永生化的牛肌肉干细胞(iBSC)，它们可以快速生长并分裂数百次，甚至可能无限期分裂。

这些永生化的牛肌肉干细胞会不会成为癌细胞？

一个研究成果发表在了《ACS Synthetic Biology》（《美国化学会合成生物学》）上，塔夫茨大学的研究人员对牛干细胞进行了工程改造，使其不断重建端粒，有效地保持染色体的“年轻”状态，并为新一轮的复制和细胞分裂做好准备，这些细胞实现了120多次分裂。

《ACS Synthetic Biology》文章截图（图片来源：作者）

研究人员注意到，对于永生细胞的开发存在一种担忧，那就是，永生细胞可能会发展成癌细胞。因为癌细胞就是异常增殖和分裂的细胞，绕过了正常细胞对Hayflick极限的调控机制。

然而，根据他们的研究，这些永生化的牛肌肉干细胞并未表现出致癌的性质。研究人员将这些细胞注入到小鼠体内，并未发现这些细胞能够在小鼠体内形成肿瘤或传播（癌细胞通常具有这些特性）。此外，他们也在实验室环境中对这些细胞进行了长期观察，没有发现这些细胞有任何的畸变或不正常的增长特性。

未来的肉类生产会发生什么改变？

随着科技的发展和细胞农业的普及，我们可以预见，未来肉类生产方式会进一步多样化。

细胞农业技术的优势之一在于能大幅提高肉类生产效率。例如，根据 Open Philanthropy的报告，一个成熟的、扩大规模的细胞培养肉行业，最终可能实现用3—4卡路里的能量，就能生产1卡路里的食用蛋白。如果饲养动物的话，这个比例在鸡肉中是每摄入10卡路里可产生1卡路里的食用蛋白，牛肉则是25卡路里。

当然，消费者更关心的可能是另外两点：价格和口味。虽然目前的人造肉价格昂贵，且口感与真肉有明显差异，但或许未来有一定的提升空间。

在口感上，我们目前已经看到了人造肉的曙光：2019年，以色列的 Aleph Farms 公司就宣布，他们已经成功地利用细胞培养技术生产出一块色香味俱佳的牛排。这一产品在实际的餐厅环境中得到了验证，并得到了消费者的积极反馈。

总的来说，虽然细胞农业面临许多挑战，但它有一定的潜力，未来可能有望成为食品生产的重要方式之一。

参考文献：

【1】 Stout, Andrew J., et al. "Immortalized bovine satellite cells for cultured meat applications." ACS Synthetic Biology (2022).

【2】 Hayflick, Leonard. "The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains." Experimental cell research 37.3 (1965): 614-636.

【3】 Reiss J, Robertson S, Suzuki M. Cell sources for cultivated meat: applications and considerations throughout the production workflow[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(14): 7513.

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览