Numerosi studi e pubblicazioni di Life cycle assessment (LCI) peer reviewed hanno dimostrato che la carne coltivata offre l’opportunità,  insieme agli alimenti di origine vegetale, di rendere la produzione  delle proteine animali più sostenibile. Utilizzando l’agricoltura cellulare, la carne coltivata riduce le emissioni di azoto, l’uso del suolo e le preoccupazioni per il benessere degli animali,  offrendo una soluzione sostenibile per soddisfare la domanda globale di proteine.

E’ indubbio che la produzione di carne coltivata debba affrontare una serie di sfide economiche, tecnologiche e sociali.  Una di queste è relativa al costo elevato dei terreni di coltura con ingredienti  di tipo farmaceutico, dei fattori di crescita e proteine ricombinanti. Per essere un’alternativa praticabile alla produzione di carne convenzionale e per lo scale up,  l’agricoltura cellulare richiede l’analisi costo-efficacia dei materiali, l’ottimizzazione delle formulazioni dei terreni di coltura per massimizzare la produzione e il consolidamento delle relative filiere di approvvigionamento.

Le tecniche tradizionali di produzione di carne coltivata si basano su terreni chimicamente indefiniti che utilizzano il siero fetale bovino (FBS), con i limiti economici ed etici, e terreni chimicamente definiti che utilizzano fattori di crescita specifici.   La voce di costo maggiore per lo scale-up della produzione è rappresentata dai terreni di coltura, che contengono nutrienti e fattori di crescita.  Tuttavia, è possibile ridurre i costi con un ventaglio di soluzioni che prevedono:

• selezione di ingredienti a costo inferiore
• utilizzo di quantità inferiori di terreni di coltura
• nuove formulazioni di terreni di coltura che attraverso la modellazione delle vie metaboliche consentono una crescita cellulare efficiente
• sostituzione dei componenti farmaceutici dei terreni a costo elevato con quelli di qualità alimentare o per mangimi
• fonti proteiche alternative (es. nuove proteine ottenibili con l’uso della luce per (piattaforma fotomolecolare)
• fattori di crescita alternativi e/o loro riciclo
• ingegnerizzazione delle linee cellulari per ridurre i rapporti di conversione del mangime e sprechi (lattato e ammoniaca)
• uso di cellule immortalizzate (es. fibroblasti di pollo) che si adattano a un terreno con poco siero o serum free.
• riciclo dei terreni.

Microalghe come fonte di glucosio

La maggior parte del glucosio nei terreni di coltura tradizionali per la carne coltivata in laboratorio proviene dalla coltivazione di cereali come mais e grano, che incidono sull’ambiente a causa del consumo di acqua e dell’uso di fertilizzanti e pesticidi.  Ricerche recenti assegnano alle microalghe un ruolo fondamentale nel futuro della carne coltivata nel renderla meno dipendente dagli input di cereali ed animali e con molti altri benefici.  Uno studio condotto in Giappone ha dimostrato che diversi ceppi di microalghe (C. littorale, C. vulgaris) possono fornire alle colture cellulari glucosio, aminoacidi e altri nutrienti.  La coltivazione di microalghe,  che non richiede fertilizzanti e pesticidi e con ridotto consumo di acqua,  può anche avvenire su terreni non adatti all’agricoltura,  comprese le aree urbane ed alimentare un sistema circolare di coltura cellulare in cui i terreni di coltura residui a fine ciclo che contengono ammoniaca e lattati possono alimentare le microalghe in grado a loro volta di rimuovere fino all’80% dell’ammoniaca e 16% di fosforo. L’obiettivo immediato è di avere un sistema chiuso di 30 metri quadri in grado di produrre un chilogrammo di carne coltivata al giorno entro il 2030.

Fonte: https://www.nature.com/articles/d42473-024-00083-6.

Questo sistema circolare, che funziona senza l’aggiunta di nutrienti derivati ​​dai cereali e sieri animali,  potrà contribuire per la futura produzione di carne coltivata alla riduzione dell’impatto ambientale e del consumo di risorse/energia.  Un importante composto di scarto nelle cellule animali coltivate è l’L-Lattato, utilizzato naturalmente dalla maggior parte delle alghe.  Per rimuovere il lattato nei terreni di scarto e sviluppare un sistema di coltura di cellule animali sostenibile, ricercatori giapponesi hanno introdotto nel Synechococcus, cianobatterio unicellulare molto diffuso nell’ambiente marino, un gene da Escherichia coli che codifica per la L-lattato deidrogenasi che converte il lattato in piruvato, un metabolita che a sua volta può essere convertito in glucosio dalle cellule.  Numerosi laboratori di ricerca e aziende in Asia, Europa e Stati Uniti perseguono concetti simili.  Alcune aziende come Mewery stanno persino co-coltivando le cellule animali con le microalghe che simultaneamente consumano ammoniaca, forniscono ossigeno, esprimono fattori di crescita ricombinanti e diventano parte del prodotto finale.  Una strategia che potrebbe fornire una soluzione meno dispendiosa in termini di energia e terra per la produzione di terreni di coltura su larga scala.  Studi futuri dovranno confrontare i costi e l’impatto ambientale della produzione di carne coltivata integrata con le microalghe rispetto ai mezzi più convenzionali di produzione di input per i terreni.

Gli idrolizzati

Due nuovi studi di Life cycle assessment (LCA) sui terreni di coltura cellulare per la carne coltivata pubblicati da Tufts University Center for Cellular Agriculture (TUCCA) e University of Helsinki hanno confermato l’impatto ambientale dei terreni e mostrato come l’uso di proteine vegetali, come ad esempio gli isolati proteici di colza o idrolizzati agricoli di prodotti animali (es. da albumi d’uovo) possano sostituire le proteine ricombinanti ad alto impatto o il siero animale e dunque  ridurre in modo significativo l’impatto ambientale. L’orientamento degli studi futuri vede la modellazione dei processi di produzione alimentare di aminoacidi su larga scala,  di proteine ricombinanti e altri fattori di produzione  nonché processi per la preparazione e la spedizione di formule in polvere finite.  Nel primo studio americano la riduzione dell’utilizzo di FBS nei terreni di coltura dal 10 al 2% (v/v) ha consentito di ridurre tutte le voci di impatti ambientale studiati.  Ulteriori riduzioni sono state ottenute quando FBS viene completamente sostituita da terreni di base come  DMEM/F12, Essential 8™, idrolizzati proteici e fattori di crescita ricombinanti.  L’uso del suolo è stato il meno ridotto,  in quanto condizionato dall’estrazione dell’amido per produrre glucosio per il terreno  DMEM/F12.  Il terreno di coltura con idrolizzati proteici dall’albume d’uovo ha ottenuto le più alte riduzioni di impatto rispetto al mezzo contenente FBS.  Uno studio australiano ha dimostrato che gli idrolizzati di erba Kikuyu, erba medica e pellet per l’allevamento di bovini a certe condizioni promuovono la crescita delle cellule mioblastiche C2C12 in terreni contenenti lo 0,1% e lo 0% di siero.  Questi effetti in terreni privi di siero sono più pronunciati quando gli idrolizzati da pellet di mangime per bovini vengono combinati con i promotori della crescita come insulina, transferrina e selenio.  Uno studio simile della Texas A&M University ha dimostrato il potenziale dell’isolato proteico dell’erba medica (alfalfa protein) come componente promettente di terreni di coltura privi di siero per la proliferazione delle cellule satelliti bovine BSC. Questi risultati confermano che le materie prime esistenti e a basso costo possono fornire una fonte nutritiva adatta per le cellule in coltura e sottolineano la necessità di una ricerca continua sulle fonti proteiche alternative e nuove formulazioni di terreni di coltura per supportare la produzione sostenibile ed etica dei terreni per la crescita cellulare.  GFI, una organizzazione non profit che sostiene la ricerca, le politiche e gli investimenti necessari per le proteine alternative, ha dichiarato che entro la fine del 2024 finanzierà diversi progetti sull’ottimizzazione degli idrolizzati. L’impulso per gli studi futuri dovrà focalizzare sulla modellazione dei processi di produzione alimentare degli attuali fornitori su larga scala di aminoacidi, proteine ricombinanti e altri fattori di produzione che servono l’industria, nonché sui processi per la preparazione e la spedizione di formule in polvere finite come quelle perseguite in nuove strutture. Nutreco, che ha precedentemente collaborato con diverse startup nel settore per fornire input di terreni a basso costo, ha annunciato l’apertura del primo stabilimento commerciale che produrrà in quantità industriali  terreni di coltura cellulare in polvere di qualità alimentare.

Nuovi fattori di crescita e proteine ricombinanti

I fattori di crescita, contenuti anche nel FSB e le proteine ​​ricombinanti, necessari per aiutare le cellule muscolari a crescere,  per via del loro costo elevato costituiscono un’altra importante  voce di costo per la produzione di carne coltivata.  La ricerca è attualmente orientata sia alla  produzione di proteine ​​a partire da batteri,  funghi o piante come sistemi di espressione, sia alla loro sostituzione con alternative vegetali, in particolare per le proteine ​​utilizzate ad alte concentrazioni nei terreni come l’albumina e la transferrina.  Ricercatori giapponesi hanno ottenuto la riduzione di FBS, e dunque evitato l’uso del feto,  incubando il terreno di coltura cellulare con cellule provenienti da organi di animali da allevamento, come fegati o placente,  che secernono i fattori di crescita. In questo modo non sarà più necessario ricorrere al costoso processo di purificazione dei fattori di crescita derivati da altre fonti.

Dott. Maurizio Ferri e Dott.ssa Maria Grazia Cofelice – SIMeVeP