Scienza e tecnica

L’agricoltura cellulare mira alla produzione di carne ed altri derivati animali a partire da coltivazioni cellulari, anziché da allevamenti animali.

Le tecniche e tecnologie coinvolte nel procedimento sono atte a fornire alle cellule coltivate gli stessi nutrienti e stimoli a cui esse sarebbero esposte nell’animale, al fine ultimo d’ottenere un prodotto identico a quello in vivo. Riprodurre la medesima composizione cellulare (cellule adipose, fibre muscolari, tessuto connettivo, ecc.) osservabile nei prodotti di macelleria rappresenta senza dubbio una sfida tecnico-scientifica d’altissimo livello ed è tuttavia indispensabile al fine d’ottenere, nel prodotto finale, un profilo sensoriale e nutritivo indistinguibile rispetto ai prodotti convenzionali ai quali siamo abituati.

Decenni di conoscenze accumulate nei campi della coltura cellulare, della biologia delle cellule staminali, della medicina rigenerativa, dell’ingegneria dei tessuti, dell’ingegneria chimica e dei bioprocessi hanno steso le basi allo sviluppo dell’agricoltura cellulare.

Il processo di produzione inizia con lo sviluppo di una linea cellulare, ossia con l'acquisizione ed ottimizzazione di cellule staminali ottenute da un animale attraverso una normale biopsia. Dette cellule staminali vengono, quindi, coltivate anche tramite l’utilizzo di strutture denominate microcarriers, in ambienti controllati denominati bioreattori. In questo procedimento le cellule staminali vengono inizialmente nutrite (similarmente a quanto accade alle cellule sviluppate all'interno dell’animale) con una sostanza denominata medium di coltura. Le cellule staminali moltiplicate in tal modo per costituire la massa del prodotto allo stato grezzo, vengono poi trasferite su scaffold (o impalcature) e sottoposte a stimoli biologici definiti sulla base della fisiologia dell’animale dal quale ab origine sono state estratte le cellule staminali. Così stimolate, le cellule si differenziano nelle diverse tipologie di tessuti e configurazioni necessarie a seconda del tipo di prodotto sviluppato (sia esso una bistecca, una fiorentina, del sushi o altro). Le cellule coltivate sono infine raccolte e confezionate nel prodotto finale destinato al consumo.

Il completamento di tale processo richiede in linea di principio dalle 2 alle 8 settimane, a seconda del particolare tipo di carne di volta in volta coltivato.

Alcune aziende stanno studiando l’applicazione dell’agricoltura cellulare al fine di ottenere latte e altri prodotti lattiero-caseari.

Per quanto il paradigma corrente della coltivazione cellulare non presupponga l’utilizzo di organismi geneticamente modificati (OGM), è presumibile che questa strada in futuro sarà, ove possibile, percorsa. L’ingegneria genetica potrebbe ad esempio eliminare dalla carne allergeni o proteine costituenti fattori di rischio di contrazione di cancro, o inserire elementi utili alla salute umana, come gli omega-3.

Le linee cellulari

Le cellule staminali sono cellule indifferenziate o parzialmente differenziate le quali possono differenziarsi in vari tipi di cellule e proliferare moltiplicandosi indefinitamente. I mammiferi ad esempio originano tutti da una singola cellula (unione di ovulo materno e spermatozoo paterno): questa cellula ha evidentemente in sè il potenziale di differenziarsi nei vari tessuti che caratterizzano l’animale adulto. Le cellule staminali sono il primo tipo di cellula in una linea cellulare (ad es. quella del tessuto muscolare).

Le cellule staminali utilizzate per la produzione di carne coltivata possono essere acquisite o derivate in diversi modi. Il metodo più comune consiste nel prelevare un campione cellulare da un animale vivo tramite una semplice biopsia, ossia tramite metodi minimamente invasivi. Le cellule staminali possono anche essere ottenute prelevando un campione cellulare di organi specifici al fine di creare altri prodotti. Ad esempio, le cellule delle ghiandole mammarie possono essere utilizzate per la produzione di latte e le cellule del fegato per il foie gras. Il particolare tipo di cellule staminali cosiddette “pluripotenti” (potenzialmente differenziabili in un qualsiasi tipo di cellula dell’animale) possono essere acquisite da un embrione in fase iniziale. In tutti i casi, le cellule staminali acquisite ai fini della creazione della linea cellulare provengono da animali sani, con ampia certificazione e documentazione a garanzia di qualità e tracciabilità.

La creazione di nuove linee cellulari richiede molto tempo e risorse, spesso impiegando dai 6 ai 18 mesi. Nella ricerca medica, la creazione di librerie di linee cellulari su larga scala è spesso sponsorizzata a livello nazionale per via della fondamentale importanza nel progresso della ricerca. Progetti simili saranno necessari per uno sviluppo rapido e trasparente dell’industria dell’agricoltura cellulare.

I media di coltura cellulare

Le sostanze denominate media (al singolare, medium) di coltura cellulare sono dei composti (in genere fluidi) ricchi di elementi necessari alle cellule per maturare al di fuori del corpo. Originariamente, parte di tali sostanze era derivata da animali, tuttavia l’industria sembra unanime nello sviluppare soluzioni di origine vegetale, fungina o batterica.

I media di coltivazione cellulare sono formati da due gruppi di componenti principali. Il primo di essi, chiamato basale, fornisce i nutrienti essenziali. Tipicamente consiste in una soluzione tamponata contenente glucosio, sali inorganici, vitamine idrosolubili e aminoacidi. Il secondo è un gruppo di fattori aggiunti specifici che consentono il mantenimento, la proliferazione o la differenziazione a lungo termine delle cellule. Questi fattori aggiunti sono spesso proteine, fattori di crescita e altre componenti biologiche come lipidi e antiossidanti.

Il medium di coltivazione solitamente differisce tra la prima fase di “espansione“ e quella successiva di “differenziamento“. In principio, cambiare solo la composizione del liquido dovrebbe essere sufficiente per indurre la formazione di diversi tessuti muscolari, adiposi, connettivi, ecc.

L’ottimizzazione della composizione dei media di coltura cellulare (storicamente associata al campo delle cellule staminali nell’ambito della medicina rigenerativa) è attualmente oggetto di intense ricerche a livello internazionale, con lo scopo di sostituire i componenti di origine animale e rendere efficienti le tecnologie di irrorazione dei tessuti per rendere infine il loro impiego drasticamente più economico ed adatto ad uso su larga scala. Nel breve periodo questo sarà l’ambito di ricerca con l’impatto più significativo per lo sviluppo dell’industria.

Gli scaffold

Il termine scaffold (inglese per “impalcatura”) è utilizzato per indicare tutte quelle componenti utilizzate per guidare ed indirizzare la disposizione spaziale delle cellule. In natura, infatti, le cellule si sviluppano e dispongono in modo lento e per piccoli incrementi nel corso dello sviluppo embrionale, mentre nel processo di coltura si rende necessario per le cellule di svilupparsi rapidamente ed in massa, ossia in tempi compatibili con una produzione su scala industriale del bene finale di consumo. Lo scaffold allora fornisce un supporto strutturale che consente alle cellule di aderirvi, differenziarsi e maturare. Si tratta di un elemento cruciale per la creazione di prodotti a base di carne strutturati come le bistecche.

Lo sviluppo di scaffold per carne coltivata richiede esperienza in biologia cellulare e ingegneria tissutale con particolare attenzione al ruolo della matrice extracellulare. Normalmente, le cellule hanno necessitá di crescere adese a una superficie, perció gli scaffold devono fornire loro accesso ad ossigeno e nutrienti e avere proprietà materiali (ad es. meccaniche e biochimiche) compatibili con le cellule alloggiate. Allos tesso tempo, tali strutture devono indurre l’assemblamento delle cellule in strutture ordinate, imitando cosí la composizione della carne convenzionale. In tal modo, gli scaffold, insieme ai media di coltura cellulare, possono dettare il modo in cui le popolazioni cellulari crescono e si differenziano. Avendo diverse funzioni, anche gli scaffold dovranno avere diverse configurazioni e caratteristiche.

I materiali costituenti gli scaffold possono essere assemblati con le tecniche esistenti, tra cui la stampa 3D, le tecnologie di filatura dei polimeri come l'elettrofilatura, la decellularizzazione, gli idrogel sintonizzabili o anche dalla natura stessa (ad esempio, il micelio fungino). Gli scaffold possono essere intenzionalmente progettati per essere degradati durante le fasi avanzate di produzione, in modo tale da essere sostituiti con matrice extracellulare nativa prima della raccolta del prodotto oppure essere ideati per essere mantenuti andando così a creare un prodotto ibrido.

Dalla scelta degli scaffold e delle loro proprietà dipenderà molto il tipo di prodotto finale ottenibile, rivestendo un ruolo ancor più decisivo nella produzione di beni più strutturati (ad es. la bistecca).

I bioreattori

Si definisce bioreattore (o coltivatore) ogni apparecchiatura in grado di fornire un ambiente controllato e adeguato alla crescita di organismi biologici, anche in termini di temperatura, di livello d’ossigeno e di somministrazione di sostanze nutritive, permettendo il monitoraggio di ulteriori parametri rilevanti come i gas disciolti, i livelli di metaboliti, il pH e l'accumulo di biomassa.

Gli esistenti modelli di bioreattori non sono peraltro necessariamente ottimizzati per la produzione di carne coltivata, soprattutto perché i parametri tecnici ottimali del bioreattore dipendono molto dal tipo di cellule coltivate, dalla composizione del medium di coltura cellulare e dagli obiettivi generali del processo di coltivazione cellulare. Tali fattori possono per esempio incidere su configurazione e volume del bioreattore, ossigenazione e agitazione. Lo sviluppo efficiente ed economico della coltivazione cellulare di carne senza dubbio richiede la progettazione di innovativi e specifici bioreattori atti a soddisfare le peculiari necessità relative a ciascuna fase di produzione (espansione e differenziazione). Il successo delle prime fasi di sviluppo dell’agricoltura cellulare sarà in larga misura determinato da gruppi interdisciplinari di biologi e ingegneri con accesso a centri di ricerca dotati di capacità su scala pilota che possano fungere da banco di prova per le nuove tecnologie.

Il bioprocess design

La necessità di progettare bioreattori innovativi ed adatti alle peculiarità dei processi di agricoltura cellulare s’inserisce nella più generale tematica del cosiddetto bioprocess design. Tale disciplina mira a rendere efficiente una qualsiasisi filiera produttiva che coinvolga un processo con cellule (animali, batteriche o fungine). Questo aspetto gioca (e senza dubbio giocherà nei prossimi anni) un ruolo determinante nello sviluppo di un’industria di carne coltivata su larga scala.

Infatti, raggiungere livelli di produzione di carne coltivata capaci di soddisfare anche solo un punto percentuale del mercato globale di carne presuppone significativi avanzamenti sia nella progettazione di macchinari più efficienti, sia nello sviluppo di ottimali infrastrutture di produzione su larga scala, con la predisposizione di processi produttivi atti all’automazione ed alla reattività in tempo reale e che prevedano un buon sistema di riciclaggio e di valorizzazione dei flussi di scarti del sistema produttivo. Per un impatto massimamente positivo sul pianeta sarà, inoltre, importante che le future industrie produttive di carne coltivata vengano situate nelle prossimità di sorgenti di energie rinnovabili, che venga agevolato l’accesso alle materie prime e che venga garantita equità tra aree rurali e urbane e tra nazioni per quanto riguarda sia le opportunità lavorative sia l’accesso al prodotto finale.

La ricerca al proposito necessiterà di apporti interdisciplinari e potrà essere supportata anche tramite collaborazioni tra l’ambiente accademico e gli operatori dell’industria biotecnologica, tramite finanziamenti pubblici e privati.