สำหรับทีม R&D ที่ผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง การผลิตเนื้อที่มีโครงสร้างเช่นสเต็กหรือฟิลเลต์ต้องการมากกว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์ กุญแจสำคัญอยู่ที่ เซลล์แชสซี - เซลล์กล้ามเนื้อ ไขมัน และเนื้อเยื่อเกี่ยวพันที่ออกแบบมาเพื่อเลียนแบบโครงสร้างและเนื้อสัมผัสของเนื้อสัตว์แบบดั้งเดิม เซลล์เหล่านี้ต้อง:
- เพิ่มจำนวนอย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้นแยกออกเป็นเนื้อเยื่อที่เจริญเต็มที่
- จัดเรียงกับโครงสร้างเพื่อสร้างเส้นใยกล้ามเนื้อที่มีทิศทางเดียวกัน
- โต้ตอบกับการเพาะเลี้ยงร่วม (e.g. , เซลล์ไขมันและไฟโบรบลาสต์) เพื่อให้ได้องค์ประกอบที่สมจริง
- ปรับโครงสร้างเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) เพื่อความสมบูรณ์ของโครงสร้าง
แต่ละประเภทของเซลล์แชสซี - ไมโอบลาสต์ เซลล์ต้นกำเนิด หรือสายพันธุ์ที่ถูกออกแบบ - มีประโยชน์และข้อจำกัดเฉพาะตัว ตัวอย่างเช่น ไมโอบลาสต์ เก่งในการสร้างเส้นใยกล้ามเนื้อแต่มีปัญหาเรื่องการขยายขนาด ในขณะที่ เซลล์ต้นกำเนิด ให้ความยืดหยุ่นในการสร้างเนื้อเยื่อผสมที่ซับซ้อน ความเข้ากันได้ของโครงสร้างมีความสำคัญเท่าเทียมกัน เนื่องจากความแข็ง ความยึดเกาะ และการจัดแนวมีผลโดยตรงต่อพฤติกรรมของเซลล์และคุณภาพของผลิตภัณฑ์สุดท้าย
การผสมผสานที่เหมาะสมของเซลล์แชสซีและโครงสร้างช่วยให้ได้เนื้อสัมผัส โครงสร้าง และประสบการณ์ทางประสาทสัมผัสที่ต้องการ ไม่ว่าคุณจะพัฒนาสเต็กที่มีลายหินอ่อน เนื้อปลาที่เป็นแผ่น หรือผลิตภัณฑ์ไฮบริด การปรับกลยุทธ์เซลล์ให้เหมาะสมกับเป้าหมายของผลิตภัณฑ์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับความสำเร็จ
คุณลักษณะสำคัญที่เซลล์แชสซีต้องการสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
คุณลักษณะหลักสำหรับเซลล์แชสซี
ไม่ใช่เซลล์ทุกประเภทที่เหมาะสมกับความต้องการที่ซับซ้อนของการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงในสามมิติ เพื่อให้ประสบความสำเร็จ เซลล์แชสซีต้องแสดงคุณสมบัติทางชีวภาพที่เชื่อมโยงกันหลายประการ
ข้อกำหนดสำคัญคือ ความสามารถในการเพิ่มจำนวนอย่างแข็งแกร่ง. เซลล์เหล่านี้จำเป็นต้องเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วในขณะที่ยังคงไม่แยกแยะจนกว่าจะได้มวลเซลล์ที่เพียงพอ หลังจากนั้นพวกเขาต้องแยกแยะอย่างมีประสิทธิภาพตัวอย่างเช่น ไมโอบลาสต์ต้องหลอมรวมเป็นไมโอทูบหลายเซลล์เพื่อสร้างเส้นใยกล้ามเนื้อที่สมบูรณ์ เส้นใยเหล่านี้สามารถมีนิวเคลียสได้ถึง 100 นิวเคลียสต่อเซลล์ ความสำเร็จของกระบวนการหลอมรวมนี้มักถูกประเมินโดยใช้ตัวบ่งชี้เช่น การแสดงออกของ Myosin Heavy Chain (MHC) และ กิจกรรมของ Creatine Kinase [2]. ความสามารถเหล่านี้มีส่วนโดยตรงต่อเนื้อสัมผัสที่เป็นเส้นใยและความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างคุณภาพสูง
พฤติกรรมการยึดเกาะ เป็นลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่ง เซลล์แชสซีซึ่งต้องพึ่งพาการยึดเกาะ อาศัยตัวรับอินทิกรินในการจับกับมอทิฟเฉพาะ โดยเฉพาะลำดับ RGD (arginyl-glycyl-aspartic acid) สำหรับการยึดเกาะ เมื่อทำงานกับโครงสร้างจากพืช การทำให้มีฟังก์ชันด้วยเปปไทด์ RGD หรือการเคลือบโปรตีน จึงเป็นสิ่งจำเป็น [1].
นอกจากนี้ เซลล์เหล่านี้ต้อง หลั่งและปรับโครงสร้างเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM). สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการผลิตส่วนประกอบเช่นคอลลาเจน, โปรตีโอไกลแคน, และเมทริกซ์เมทัลโลโปรตีนาเซส (MMPs) เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นโครงสร้างที่คล้ายกับเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อตามธรรมชาติ ความสามารถในการปรับโครงสร้าง ECM เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการบรรลุคุณสมบัติทางกลและประสาทสัมผัสที่ผู้บริโภคคาดหวังในเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
แม้ว่าคุณสมบัติเหล่านี้จะเป็นพื้นฐาน แต่เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงที่มีโครงสร้างต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้นจากเซลล์แชสซี
ทำไมผลิตภัณฑ์เนื้อสัตว์ที่มีโครงสร้างจึงต้องการมากขึ้นจากเซลล์แชสซี
แม้ว่าลักษณะหลักจะมีความสำคัญ การผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงที่มีโครงสร้าง - เช่นผลิตภัณฑ์ที่ตัดเป็นชิ้นใหญ่ - ต้องการพฤติกรรมของเซลล์ที่เชี่ยวชาญ ในทางตรงกันข้าม รูปแบบที่ไม่มีโครงสร้าง เช่น เนื้อบด จะยืดหยุ่นมากกว่า สำหรับสิ่งเหล่านี้ เซลล์สามารถเก็บเกี่ยวเป็นมวลชีวภาพที่ไม่แตกต่างและรวมกับสารยึดเกาะเพื่อให้ได้เนื้อสัมผัสที่ต้องการผลิตภัณฑ์ที่ตัดทั้งชิ้น อย่างไรก็ตาม ต้องการให้เซลล์เรียงตัวตามโครงสร้างของโครงร่าง ซึ่งจำเป็นต้องมี การรับรู้ทางกลไก - ความสามารถในการตรวจจับและตอบสนองต่อสัญญาณทางกลไกในสภาพแวดล้อม การศึกษาชี้ให้เห็นว่าช่วงความแข็ง 2–12 kPa เป็นช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการขยายตัวของเซลล์ต้นกำเนิดกล้ามเนื้อ ซึ่งใกล้เคียงกับความแข็งตามธรรมชาติของเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อลาย [1][3]. การเกินช่วงนี้มักจะทำให้เซลล์มีแนวโน้มไปสู่การแยกตัวแทนที่จะขยายตัว ซึ่งเน้นถึงความสำคัญของการออกแบบโครงร่างในการมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของเซลล์
รูปแบบที่มีโครงสร้างยังต้องการ ความเข้ากันได้ของการเพาะเลี้ยงร่วม. ผลิตภัณฑ์ที่ตัดทั้งชิ้นที่สมจริงมักประกอบด้วยเส้นใยกล้ามเนื้อที่โตเต็มที่ประมาณ 90% โดยที่เหลือเป็นไขมันและเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน [3]. ซึ่งหมายความว่าเซลล์โครงร่างต้องเติบโตควบคู่ไปกับเซลล์ไขมันและไฟโบรบลาสต์โดยไม่รบกวนกันและกันสิ่งนี้เพิ่มความซับซ้อนให้กับการสร้างสูตรสื่อ, เคมีของโครงสร้าง, และสภาพการเพาะเลี้ยงโดยรวม ในสภาพแวดล้อมสามมิติ, การโต้ตอบเหล่านี้เกิดขึ้นทั่วทั้งเยื่อหุ้มเซลล์, เลียนแบบพฤติกรรมในร่างกายและอำนวยความสะดวกในการไล่ระดับสัญญาณที่จำเป็นสำหรับการจัดระเบียบเนื้อเยื่ออย่างเหมาะสม.
"ความสามารถในการรับน้ำหนักของกล้ามเนื้อส่วนใหญ่มาจาก ECM ที่หนาแน่นนี้และไม่ใช่เส้นใยกล้ามเนื้อเอง, เผยให้เห็นถึงความสำคัญของโครงสร้างสนับสนุนที่แข็งแรงสำหรับเซลล์กล้ามเนื้อที่เติบโตเต็มที่." - Claire Bomkamp, นักวิทยาศาสตร์อาวุโส, The Good Food Institute [3]
หากเซลล์แชสซีล้มเหลวในการหลั่งและปรับปรุง ECM อย่างมีประสิทธิภาพ, เนื้อเยื่อที่ได้จะขาดความแข็งแรงทางกลที่จำเป็น, ไม่ว่าการแยกแยะเซลล์จะดีเพียงใด ในเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงแบบมีโครงสร้าง, ECM ไม่ใช่แค่โครงสร้างรองรับแต่เป็นส่วนประกอบที่มีฟังก์ชันสำคัญของผลิตภัณฑ์สุดท้ายเซลล์แชสซีที่มีคุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการบรรลุความแม่นยำทางโครงสร้างและคุณลักษณะทางประสาทสัมผัสที่กำหนดผลิตภัณฑ์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงแบบ whole-cut ที่ประสบความสำเร็จ
sbb-itb-ffee270
กลยุทธ์และแหล่งที่มาของเซลล์แชสซี
กลยุทธ์เซลล์แชสซีสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง: การเปรียบเทียบแบบเคียงข้างกัน
การเลือกแหล่งเซลล์ที่เหมาะสมเป็นรากฐานของการแก้ไขปัญหาทั้งด้านการขยายขนาดและการทำงานในกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง กลยุทธ์หลักสามประการ - ไมโอบลาสต์ที่ได้จากกล้ามเนื้อ, ระบบที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิด, และสายเซลล์ที่ดัดแปลงพันธุกรรม - แต่ละกลยุทธ์มีจุดแข็งและข้อจำกัดของตัวเอง ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ที่กำลังพัฒนา
ไมโอบลาสต์ที่ได้จากกล้ามเนื้อ
ไมโอบลาสต์ ซึ่งเป็นเซลล์ต้นกำเนิดของเซลล์กล้ามเนื้อลาย ถูกเก็บเกี่ยวจากการตัดชิ้นเนื้อเยื่อและขยายในวัฒนธรรมจากนั้นพวกเขาจะถูกนำทางให้แยกแยะ ผสาน และสร้าง myotubes หลายเซลล์ที่สร้างโครงสร้างเส้นใยของกล้ามเนื้อ ชีววิทยาที่มีการบันทึกไว้อย่างดีทำให้พวกเขาเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานที่การจัดเรียงเส้นใยและเนื้อสัมผัสเป็นสิ่งสำคัญ เช่น สเต็กหรือเนื้อปลา อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการขยายขนาดเป็นอุปสรรคสำคัญ เซลล์ myoblasts หลักมีอายุการใช้งานจำกัดเนื่องจากการเสื่อมสภาพ และการเก็บตัวอย่างซ้ำๆ ไม่สามารถทำได้สำหรับการผลิตขนาดใหญ่ แม้จะมีข้อจำกัดนี้ แต่การแยกแยะที่คาดการณ์ได้ของพวกเขาก็เป็นประโยชน์สำหรับการวิจัยและการสร้างต้นแบบในระยะเริ่มต้น ตัวอย่างเช่น โครงสร้างที่ได้จากพืช เช่น หน่อไม้ฝรั่งที่ถูกกำจัดเซลล์ ถูกใช้เพื่อให้คำแนะนำในการจัดเรียงสำหรับการเพาะเซลล์ myoblasts ซึ่งชดเชยบางส่วนสำหรับการขาดสภาพแวดล้อมของเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) ดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม ระบบที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิดและวิธีการทางวิศวกรรมพันธุกรรมเสนอวิธีแก้ปัญหาสำหรับปัญหาการขยายขนาดและนำประโยชน์การทำงานเพิ่มเติมมาให้
แนวทางที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิด
เซลล์ต้นกำเนิด รวมถึงเซลล์ดาวเทียม เซลล์ต้นกำเนิดมีเซนไคม์ (MSCs) และเซลล์ต้นกำเนิดที่ถูกเหนี่ยวนำให้มีความสามารถในการพัฒนาเป็นเซลล์ต้นกำเนิด (iPSCs) สามารถแก้ไขข้อจำกัดด้านการขยายตัวของไมโอบลาสต์ได้ เซลล์เหล่านี้สามารถขยายตัวได้ในปริมาณที่มากขึ้นและสามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์หลายประเภทจากแหล่งเดียว [1][3].
ความหลากหลายนี้มีความสำคัญในการสร้างองค์ประกอบที่สมดุลของกล้ามเนื้อ ไขมัน และเนื้อเยื่อเกี่ยวพันที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น การจำลองอัตราส่วนเส้นใยกล้ามเนื้อประมาณ 90% ต่อไขมันและเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน 10% ที่พบในเนื้อสัตว์ทั่วไปนั้นเกี่ยวข้องกับการรวมไมโอไซต์ อะดิโพไซต์ และไฟโบรบลาสต์ ระบบที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิดสามารถจัดการกับความซับซ้อนนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าวัฒนธรรมไมโอบลาสต์บริสุทธิ์ ตัวอย่างที่น่าสังเกตมาจากนักวิจัยที่ สถาบันเทคโนโลยีการแปรรูปชีวภาพ (A*STAR) ในสิงคโปร์ในเดือนพฤษภาคม 2024 พวกเขาใช้เซลล์ต้นกำเนิดมีเซนไคม์ที่ได้จากไขมันหมู (pADMSCs) บนโครงสร้างหน่อไม้ฝรั่งที่ถูกล้างเซลล์เพื่อผลิตการเพาะเลี้ยงร่วมของเส้นใยกล้ามเนื้อและเซลล์ไขมัน เนื้อสัมผัสที่ยังไม่ปรุงของผลิตภัณฑ์นี้ตรงกับเนื้อหมูสันในแบบดั้งเดิม ตามที่ได้รับการยืนยันโดยการวิเคราะห์โปรไฟล์เนื้อสัมผัส [2].
วิธีการที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิดมักจะรวมการเพาะเลี้ยงร่วมกับไฟโบรบลาสต์หรือการหลั่ง ECM ที่ถูกออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าฟังก์ชันการทำงานทางกลของเมทริกซ์ การบูรณาการนี้เน้นความสำคัญของพลวัต ECM ในการออกแบบการเพาะเลี้ยงร่วม [3].
เซลล์แชสซีที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรม
การดัดแปลงพันธุกรรมเสนอเครื่องมือในการเอาชนะข้อจำกัดตามธรรมชาติ เช่น การเสื่อมสภาพ โดยการสร้างสายเซลล์ที่เป็นอมตะที่สามารถขยายตัวได้อย่างไม่มีกำหนด [1]. วิธีการนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการขยายการผลิตและการปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ของ ECM
ตัวอย่างเช่น การดัดแปลงพันธุกรรมที่แม่นยำสามารถเพิ่มการปรับโครงสร้าง ECM โดยการกำหนดเป้าหมายเมทริกซ์เมทัลโลโปรตีนาเซส (MMPs) และตัวยับยั้งของพวกมัน (TIMPs) เอนไซม์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อ มีผลต่อการก่อตัวของไมโอโทบ การเคลื่อนที่ และการจัดเรียง [3].
"เนื่องจากบทบาทสำคัญของ MMPs และ TIMPs ในการแยกแยะเซลล์ การเคลื่อนที่ และการเพิ่มจำนวน เอนไซม์เหล่านี้อาจเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจสำหรับการวิศวกรรมสายเซลล์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต CM ในขั้นตอนต่อไป" - Claire Bomkamp et al., The Good Food Institute [3]
นอกจากนี้ เซลล์ยังสามารถถูกวิศวกรรมเพื่อปรับปรุงการยึดติดกับโครงสร้างโดยการเพิ่มปฏิสัมพันธ์ของ integrin-RGD หรือเพื่อหลั่งโปรตีนโครงสร้างเช่นคอลลาเจนและไฟโบรเนคตินได้เอง มีความสนใจที่เพิ่มขึ้นในการปรับแต่งโปรไฟล์ทางโภชนาการ เช่น การเพิ่มการแสดงออกของไมโอโกลบินเพื่อเพิ่มปริมาณธาตุเหล็กและปรับปรุงสี [3].
ข้อเสียของสายเซลล์ที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรมอยู่ที่ความซับซ้อนทางกฎระเบียบและชีวภาพ เซลล์ที่ถูกทำให้เป็นอมตะหรือถูกดัดแปลงต้องการการวิเคราะห์ที่เข้มงวด และพฤติกรรมของพวกมันในระบบร่วมเพาะเลี้ยงสามมิติอาจเบี่ยงเบนไปจากเซลล์หลักอย่างไม่คาดคิด สำหรับการจัดหาสายเซลล์ที่ได้รับการยืนยันและวัสดุ โครงสร้างรองรับ, แพลตฟอร์มเช่น
| วิธีการ | ความสามารถในการขยายตัว | ความจุหลายสายพันธุ์ | เน้นผลิตภัณฑ์ |
|---|---|---|---|
| ไมโอบลาสต์ที่ได้จากกล้ามเนื้อ | จำกัดด้วยการเสื่อมสภาพ | ไม่ | ต้นแบบที่เน้นเส้นใย; การเปรียบเทียบมาตรฐาน R&D |
| จากเซลล์ต้นกำเนิด (MSCs/iPSCs) | สูง | ใช่ | ผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างซับซ้อนพร้อมลายหินอ่อน |
| สายพันธุ์ที่ดัดแปลงพันธุกรรม | สูงสุด | ปรับแต่งได้ | การผลิตในระดับการค้า; การปรับปรุง ECM |
ความเข้ากันได้ของโครงสร้างและการสร้างเนื้อเยื่อ
สภาพแวดล้อมของโครงสร้างมีความสำคัญในการกำหนดพฤติกรรมของเซลล์ระหว่างการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ในขณะที่การเลือกกลยุทธ์เซลล์แชสซีที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ การโต้ตอบระหว่างเซลล์เหล่านี้กับโครงสร้างรองรับจะเป็นตัวกำหนดการทำงานของเนื้อเยื่อเป็นส่วนใหญ่ ปัจจัยต่างๆ เช่น การยึดเกาะ การจัดแนว และความสามารถในการพัฒนาเป็นเนื้อเยื่อที่ทำงานได้ จะได้รับอิทธิพลอย่างลึกซึ้งจากความสัมพันธ์ระหว่างประเภทเซลล์และวัสดุโครงสร้างรองรับ การโต้ตอบนี้ต้องการการปรับแต่งอย่างระมัดระวัง
ความท้าทายหลักประการหนึ่งของโครงสร้างรองรับที่ได้จากพืชและสังเคราะห์คือการขาดโดเมนการยึดเกาะเซลล์ตามธรรมชาติ ซึ่งมีความสำคัญต่อการยึดเกาะเซลล์สัตว์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกมันมักขาดลำดับ RGD ซึ่งจำเป็นสำหรับการยึดเกาะอินทิกริน ดังที่ได้เน้นไว้ใน npj Science of Food, "วัสดุชีวภาพที่ไม่ได้มาจากสัตว์มักขาดโดเมนการยึดเกาะเซลล์ ซึ่งจำเป็นสำหรับการยึดเกาะและการเจริญเติบโตของเซลล์ในวัฒนธรรม ทำให้จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนทางเคมีหรือโครงสร้างเพิ่มเติม" [1]. เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การปรับสภาพพื้นผิวด้วยไฟโบรเนคติน ลามินิน หรือเปปไทด์ RGD มักจำเป็นเพื่อเพิ่มการยึดเกาะและสนับสนุนการเจริญเติบโตของเซลล์บนโครงสร้างเหล่านี้
ความแข็งของโครงสร้างมีบทบาทสำคัญคุณสมบัติทางกลที่คล้ายกล้ามเนื้อมักอยู่ในช่วง 2–12 kPa [1] [3]. โครงสร้างที่นุ่มกว่าที่ปลายล่างของช่วงนี้ส่งเสริมการขยายตัวของเซลล์ต้นกำเนิด ในขณะที่ความแข็งที่เพิ่มขึ้นส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงเป็นเส้นใยกล้ามเนื้อที่โตเต็มที่ ไฮโดรเจลที่มีความแข็งที่ปรับได้ตามเวลาเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริงโดยสนับสนุนการขยายตัวของเซลล์ในขั้นต้นและจากนั้นส่งเสริมการเปลี่ยนแปลง ทั้งหมดนี้อยู่ในระบบโครงสร้างเดียว การควบคุมความแข็งนี้มีความสำคัญสำหรับการสร้างโครงสร้างเส้นใยที่เรียงตัวกันซึ่งให้เนื้อสัมผัสที่แท้จริงของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ความไม่สมมาตรมีความสำคัญเท่าเทียมกัน ลักษณะของเมล็ดและความต้านทานต่อการกัดในเนื้อสัตว์เกิดจากเส้นใยกล้ามเนื้อที่เรียงตัวกันโครงสร้างที่ผลิตโดยใช้เทคนิคเช่นการปั่นด้วยไฟฟ้า, การปั่นด้วยเจ็ทหมุน, หรือการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ สามารถสร้างภูมิประเทศที่มีการจัดเรียงที่จำเป็นสำหรับการนำทางไมโอบลาสต์เข้าสู่ไมโอทูบคู่ขนาน ในทางกลับกัน เส้นใยที่ไม่เรียงตัวนำไปสู่ความเครียดตามขวางที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ - มากกว่าถึงเจ็ดเท่าของเส้นใยที่เรียงตัว [3] - เน้นย้ำถึงความสำคัญของทิศทางโครงสร้างในการจำลองเนื้อสัมผัสของเนื้อสัตว์ประสิทธิภาพของเซลล์แชสซีประเภทต่างๆ บนโครงสร้าง
เซลล์แชสซีประเภทต่างๆ มีความต้องการเฉพาะเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น ไฟโบรบลาสต์เจริญเติบโตได้ดีบนโครงสร้างโพลีแซคคาไรด์จากเชื้อรา ที่ได้จากสายพันธุ์เช่น Grifola, ซึ่งกระตุ้นการสังเคราะห์คอลลาเจนอย่างแข็งขัน สิ่งนี้เปลี่ยนไฟโบรบลาสต์ให้เป็นผู้สร้าง ECM แทนที่จะเป็นเซลล์ที่อยู่เฉยๆในทางกลับกัน เซลล์ไขมันมักจะถูกเพาะเลี้ยงบนไมโครแคร์ริเออร์ที่กินได้ซึ่งสนับสนุนการสะสมของหยดไขมันก่อนที่จะรวมเข้ากับโครงสร้างกล้ามเนื้อ ในขณะเดียวกัน เซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดทำงานได้ดีบนไฮโดรเจลเซลลูโลสจากแบคทีเรีย เช่นที่ผลิตโดย Gluconacetobacter hansenii, ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการสร้างเครือข่ายคล้ายหลอดเลือด เครือข่ายเหล่านี้มีความสำคัญต่อการแก้ไขปัญหาการขนส่งสารอาหารในโครงสร้างเนื้อเยื่อที่หนาขึ้น
การจับคู่ โครงสร้างรองรับที่กินได้ กับความต้องการการยึดเกาะและการเจริญเติบโตของเซลล์แต่ละประเภทเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสร้างเนื้อเยื่อที่สม่ำเสมอ
| ประเภทเซลล์แชสซี | วัสดุโครงสร้างที่เข้ากันได้ | ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ |
|---|---|---|
| ไมโอบลาสต์ | โปรตีนถั่วเหลือง, กลูเตนข้าวสาลี, อัลจิเนต (ดัดแปลง RGD), PLA | การยึดเกาะ, การจัดแนว, ประสิทธิภาพการแยกแยะ |
| ไฟโบรบลาสต์ | โพลีแซคคาไรด์จากเชื้อรา, PCL, โพลิเมอร์เคลือบคอลลาเจน | การจัดระเบียบ ECM, การกระตุ้นการสังเคราะห์คอลลาเจน |
| เซลล์ไขมัน | ไมโครแคร์ริเออร์ที่กินได้, โครงสร้างพืชที่มีรูพรุน | การสะสมไขมัน, การรวมโครงสร้าง |
| เซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือด | เซลลูโลสจากแบคทีเรีย, โพลียูรีเทน | ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ, การสร้างเครือข่ายคล้ายหลอดเลือด |
การค้นหาวัสดุโครงสร้างที่ตรงตามความต้องการเฉพาะของเซลล์เหล่านี้ - โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ปลอดภัยต่ออาหารและมีคุณสมบัติพื้นผิวที่มีการบันทึกไว้อย่างดี - ยังคงเป็นความท้าทายสำหรับหลายทีม R&D Platforms like
การเลือกเซลล์แชสซีให้ตรงกับเป้าหมายของผลิตภัณฑ์
เมื่อสภาพแวดล้อมของโครงสร้างถูกตั้งค่าแล้ว ขั้นตอนสำคัญถัดไปคือการเลือกเซลล์แชสซีที่เหมาะสมเพื่อให้ได้โครงสร้างเนื้อที่ต้องการ ไม่มีประเภทเซลล์แชสซีที่เป็นสากลที่เหมาะกับรูปแบบผลิตภัณฑ์ทุกประเภท การเลือกขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของผลิตภัณฑ์: ไม่ว่าจะเป็นเนื้อสัมผัสที่เป็นเส้นใยของเนื้อชิ้นใหญ่ การมีไขมันแทรกที่สมบูรณ์ของสเต็กพรีเมียม หรือความสม่ำเสมอของรูปแบบไฮบริดที่ผ่านการแปรรูป การตัดสินใจเหล่านี้ตั้งแต่เนิ่นๆ สามารถประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายโดยหลีกเลี่ยงการปรับสูตรใหม่ครั้งใหญ่ในภายหลัง กระบวนการนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเซลล์แชสซีที่เลือกสอดคล้องกับเป้าหมายด้านโครงสร้างและประสาทสัมผัสของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
ตามที่ Claire Bomkamp และเพื่อนร่วมงานที่ The Good Food Institute เน้นย้ำ การกำหนดอัตราส่วนที่เหมาะสมของเส้นใยกล้ามเนื้อที่เติบโตเต็มที่ต่อไขมันและเนื้อเยื่อเกี่ยวพันให้กรอบการทำงานที่มีคุณค่าสำหรับการจัดลำดับความสำคัญของประเภทเซลล์และสัดส่วนในระหว่างการพัฒนา [3].
การเลือกเซลล์แชสซีที่เหมาะสมสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างต่างๆ
สำหรับ ชิ้นกล้ามเนื้อทั้งหมด, ไมโอบลาสต์ที่รวมกับไฟโบรบลาสต์เสนอวิธีแก้ปัญหาที่ตรงไปตรงมาที่สุด ไมโอบลาสต์มีส่วนช่วยในโครงสร้างเส้นใยที่จำเป็น - เส้นใยกล้ามเนื้อบนบกมักมีความยาวระหว่าง 1–40 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 10–100 ไมโครเมตร [3]. ในขณะเดียวกัน ไฟโบรบลาสต์จัดระเบียบเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) ซึ่งจำเป็นสำหรับความแข็งแรงทางกลและความสมบูรณ์ของโครงสร้าง หากไม่มี ECM ที่แข็งแรง แม้แต่ไมโอทูบที่พัฒนาเต็มที่แล้วก็จะไม่สามารถบรรลุเนื้อสัมผัสที่ต้องการสำหรับชิ้นทั้งหมดได้
ผลิตภัณฑ์ลายหินอ่อน ต้องการการเน้นที่แตกต่าง ไขมันในกล้ามเนื้อเป็นกุญแจสำคัญในการให้ความชุ่มฉ่ำ รสชาติ และความนุ่ม เซลล์ไขมันจากพันธุ์ที่มีลายหินอ่อนสูง เช่น วัวญี่ปุ่นพันธุ์ดำ, มักมีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 100 µm [3]. เซลล์ต้นกำเนิดจากไขมันหรือเซลล์ต้นกำเนิดมีเซนไคม์ (MSCs) เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์เหล่านี้ เนื่องจากสามารถนำไปสู่การสะสมไขมันภายในเนื้อเยื่อ MSCs ยังให้ความยืดหยุ่น เนื่องจากสามารถเปลี่ยนเป็นเซลล์กล้ามเนื้อหรือเซลล์ไขมันได้ตามความต้องการของผลิตภัณฑ์
เนื้อปลาแผ่น ต้องการวิธีการที่ปรับแต่งเฉพาะ กล้ามเนื้อปลา myoblasts สร้างเส้นใยที่สั้นกว่ากล้ามเนื้อบนบก และคอลลาเจนของปลามีความเสถียรทางความร้อนต่ำกว่า ซึ่งส่งผลให้เนื้อปลามีเนื้อสัมผัสที่เป็นเกล็ดเมื่อปรุงอาหาร สำหรับเนื้อปลาแผ่น จำเป็นต้องใช้ myoblasts ที่ได้จากปลาและโครงสร้างที่ออกแบบมาสำหรับเกณฑ์ความร้อนที่ต่ำกว่าการใช้โครงสร้างที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหรือสภาวะอุณหภูมิสูงจะทำให้เนื้อสัมผัสที่ต้องการลดลง
สำหรับ รูปแบบไฮบริดและแปรรูป - เช่น เบอร์เกอร์ ไส้กรอก หรือไฮบริดจากพืช - ความสามารถในการขยายขนาดและความเข้ากันได้ของการแขวนลอยมีความสำคัญมากกว่าการจำลองสถาปัตยกรรมเนื้อเยื่อดั้งเดิม ไมโอบลาสต์ที่เติบโตบนไมโครแคร์ริเออร์สามารถเก็บเกี่ยวและผสมกับโปรตีนจากพืช โดยใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์แปรรูปอาหารมาตรฐาน ในรูปแบบเหล่านี้ เซลล์ไขมันที่เพาะเลี้ยงมักมีบทบาทสำคัญ เนื่องจากไขมันให้รสชาติและความรู้สึกในปากที่โปรตีนจากพืชเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำซ้ำได้
| เป้าหมายของผลิตภัณฑ์ | กลยุทธ์เซลล์แชสซีหลัก | ปัจจัยการเลือกที่สำคัญ |
|---|---|---|
| เนื้อสัตว์ที่ตัดเป็นชิ้นใหญ่ | ไมโอบลาสต์ + ไฟโบรบลาสต์ | ศักยภาพในการจัดเรียงและการจัดระเบียบ ECM [1][3] |
| เนื้อสัมผัสที่มีลายหินอ่อน | เซลล์ไขมัน / MSCs | การสะสมของไขมันและโปรไฟล์รสชาติ [3] |
| เนื้อปลาชิ้น | ไมโอบลาสต์ที่ได้จากปลา | การสร้างเส้นใยสั้นและความไวต่อความร้อน [3] |
| แปรรูป / ไฮบริด | ไมโอบลาสต์ + ไมโครแคร์ริเออร์ | ความสามารถในการขยายตัวในระบบแขวนลอยและเวลาในการเพิ่มจำนวน [1][4] |
ตารางนี้สรุปกลยุทธ์ในการจับคู่เซลล์แชสซีให้ตรงกับเป้าหมายผลิตภัณฑ์เฉพาะ โดยให้ข้อมูลอ้างอิงอย่างรวดเร็วสำหรับนักวิจัยอย่างไรก็ตาม การจัดหาสายเซลล์ที่เหมาะสมและโครงสร้างที่เข้ากันได้อาจเป็นงานที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความต้องการของผลิตภัณฑ์มีการพัฒนา แพลตฟอร์มเช่น
บทสรุป
การปรับแต่งเซลล์แชสซีเป็นศูนย์กลางในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงที่มีโครงสร้าง ซึ่งมีผลต่อทุกอย่างตั้งแต่การจัดเรียงเส้นใยและการกระจายไขมันไปจนถึงความเข้ากันได้ของโครงสร้างและความสามารถในการขยายตัว ไม่มีเซลล์ชนิดใดที่สามารถตอบสนองความต้องการทั้งหมดได้ แต่ละชนิด เช่น ไมโอบลาสต์ อะดิโพไซต์ ไฟโบรบลาสต์ เซลล์ต้นกำเนิด และสายพันธุ์ที่ดัดแปลงพันธุกรรม มีข้อดีที่แตกต่างกัน และวิธีการที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือการรวมองค์ประกอบเหล่านี้อย่างมีกลยุทธ์
ในการจำลององค์ประกอบของเนื้อสัตว์ทั่วไป เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงแบบมีโครงสร้างต้องมีสมดุลของเนื้อเยื่อประมาณ 90% ของเส้นใยกล้ามเนื้อที่เจริญเต็มที่และ 10% ของไขมันและเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน [3]. การขยายขนาดเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ต้องการเซลล์แชสซีที่ปราศจากเซรั่ม แข็งแรง เข้ากันได้กับโครงสร้าง และปรับให้เหมาะสมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอุตสาหกรรม [4][5].
"ความท้าทายทางเทคโนโลยีที่สำคัญต้องได้รับการแก้ไขเพื่อให้สาขานี้บรรลุศักยภาพสูงสุด เช่น การสร้าง สายเซลล์มาตรฐาน, การปรับสื่อการเพาะเลี้ยง การออกแบบกระบวนการชีวภาพ และเทคโนโลยีโครงสร้าง" - npj Science of Food [1]
อุปสรรคสำคัญอย่างหนึ่งยังคงอยู่: การจัดหาวัสดุที่เชื่อถือได้
คำถามที่พบบ่อย
อะไรที่ทำให้เซลล์แชสซีดีสำหรับเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงแบบชิ้นใหญ่?
เซลล์แชสซีที่แข็งแกร่งมีบทบาทสำคัญในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง เนื่องจากต้องสนับสนุนการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อในขณะที่เลียนแบบโครงสร้างของเนื้อสัตว์ธรรมชาติ ลักษณะที่สำคัญรวมถึง ความสามารถในการเพิ่มจำนวนสูง, ความเสถียรทางพันธุกรรม, และความสามารถในการแยกแยะเป็นประเภทเซลล์ที่ต้องการ
ที่สำคัญเท่าเทียมกันคือ ความเข้ากันได้กับโครงสร้างพื้นฐาน, ซึ่งช่วยให้เซลล์กล้ามเนื้อสามารถยึดติดและจัดเรียงได้อย่างถูกต้อง - ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุเนื้อสัมผัสที่เป็นเส้นใยที่เกี่ยวข้องกับเนื้อสัตว์แบบชิ้นใหญ่
ลักษณะสำคัญอื่น ๆ ได้แก่:
- การแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว ในสื่อเพาะเลี้ยงที่คุ้มค่า.
- ประสิทธิภาพทางเมตาบอลิซึม, เพื่อให้มั่นใจว่ามีการใช้ทรัพยากรอย่างเหมาะสมในระหว่างการเจริญเติบโต.
- ความสามารถในการ เพาะเลี้ยงร่วมกับเซลล์ไขมัน, ซึ่งช่วยให้ได้รสชาติ เนื้อสัมผัส และความสามารถในการขยายตัวที่สมจริง.
คุณสมบัติเหล่านี้ร่วมกันช่วยให้การผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงมีความคล้ายคลึงกับเนื้อสัตว์ทั่วไปทั้งในด้านโครงสร้างและคุณสมบัติทางประสาทสัมผัส.
คุณเลือกความแข็งและการจัดเรียงของโครงสร้างสำหรับเส้นใยกล้ามเนื้ออย่างไร?
ความแข็งและการจัดเรียงของโครงสร้างมีบทบาทสำคัญในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง เพื่อสนับสนุนการแยกแยะเซลล์และการจัดระเบียบเนื้อเยื่ออย่างเหมาะสม ความแข็งของโครงสร้างควรคล้ายกับเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อตามธรรมชาติ - โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 2–12 kPa.
สำหรับ เทคนิคการจัดแนว, เช่น การยืดกล้ามเนื้อมีประสิทธิภาพ เนื่องจากช่วยให้เซลล์จัดเรียงตัวอย่างสม่ำเสมอ วิธีการเพิ่มเติม รวมถึงการใช้โครงสร้างรองรับที่มีลวดลายขนาดเล็กและสัญญาณภูมิประเทศ ช่วยปรับปรุงโครงสร้างเนื้อเยื่อให้ดียิ่งขึ้น วิธีการเหล่านี้มีความสำคัญต่อการบรรลุเนื้อสัมผัสที่สมจริงคล้ายเนื้อสัตว์ในผลิตภัณฑ์สุดท้าย
เมื่อใดควรใช้ไมโอบลาสต์เทียบกับเซลล์ต้นกำเนิดหรือสายเซลล์ที่ออกแบบมา?
การเลือกประเภทเซลล์ขึ้นอยู่กับเป้าหมายเฉพาะของคุณในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง:
- ไมโอบลาสต์: เหมาะที่สุดสำหรับการสร้างเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ เช่น ผลิตภัณฑ์ที่คล้ายสเต็ก เนื่องจากสามารถแยกตัวโดยตรงเป็นเส้นใยกล้ามเนื้อ
- เซลล์ต้นกำเนิด: เสนอความหลากหลายในการสร้างเนื้อเยื่อประเภทต่างๆ แต่บ่อยครั้งที่เกี่ยวข้องกับโปรโตคอลที่ซับซ้อนมากขึ้น
- สายเซลล์ที่ออกแบบมา: ออกแบบมาเพื่อความสามารถในการขยายตัวและปรับให้เหมาะสมสำหรับผลผลิตสูงและประสิทธิภาพของกระบวนการชีวภาพ ทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับการผลิตขนาดใหญ่
