In vitro – tuleviku liha (0)

In vitro – tuleviku liha
Referaat
Tallinn 2012

Sisukord

Sisukord 2
Sissejuhatus 3
Ajalugu 4
In vitro liha kasvatamine 5
Rakud 5
Toetusvõrk 5
Kasvulahus 6
Kontraktsioon 6
Hapnikukandjad 6
Takistused in vitro liha kasvatamisel 7
Maitse ja tervislikkus 8
Mõju keskkonnale 9
Kokkuvõte 10
Kasutatud Kirjandus 11

Sissejuhatus

Ennustatakse, et 2050-ndaks aastaks tõuseb maailma rahvaarv 9,2 miljardini. Liha söömine võib aga selle ajani kahekordistuda. Praegu hõlmab loomade kasvatamine umbes 30% kogu jäävabast maast ja see annab kuni 18% kogu globaalse soojenemise effektist. Selleks, et ka 2050-ndal aastal oleks meil midagi süüa, on vaja suuri muutusi.
Loomade kasvatamise põhipõhjus on toota inimestele valku ja energiat. Keskmine proteiini tarbimine on 75,3 g inimese kohta päevas millest 24,3 on loomne proteiin . Bioloogiliselt ei ole vajalik teha taimne valk loomseks enne inimese tarbimist, kuna kõik vajalikud aminohapped võivad inimesed saada kätte otse taimedest, kombineerides erinevate teraviljade, ubade ja idudega.
Selleks, et toota valku ja liha vähemate vahenditega, on välja töötatud kultuurliha ehk in vitro liha kasvatamine. See on liha, mda kasvatakse laboris. In vitro (ld.) tähendab "klaasis", see on bioloogilise protsessi teostamine katseklaasis kunstlikult loodud ja kindlalt määratletud tingimustes. Seega on kultuurliha liha, mida kasvatatakse laboris.
In vitro on veel väga uus tehnoloogia ja kõiki selle mõjusid meie tulevikule pole veel uuritud. Siiski areneb see iga päevaga ja varsti võib see saada lahenduseks paljudele probleemidele.

Ajalugu

In vitro meetodil liha tootmise arendamist alustas NASA , proovides leida paremaid pikaajalisi toite astronautidele. 1995. Aastal see tehnoloogia kinnitati ja 2001. aastast hakati läbi viima eksperimente . Esmane idee sai siiski alguse Winston Churchilli lausest 1930ndatel:Viiekümne aasta pärast pääseme me absurdsusest, et kanarinna või tiiva jaoks on vaja kasvatada terve kana . Siis hakkame iga osa kasvatama eraldi sobiva lahusega.“ 2012 seisuga tegelevad in vitro liha uurimisega 30 laborist . Teadlastele ja tootjatele on tähtis teha in vitro liha kasvatamine teaduslikust protsessist tööstuslik protsess, et saada in vitro lihast odavam konkurent loomulikule lihale. Ideaalselt õigete materjalide ja õigete tingimustega võiks kahekuune in vitro liha tootmine toota 50 000 tonni liha.
Esimesed lihad , mille kasvatamisega laboris hakkama saadi olid kuldkala - ja lamba liha. Maastrichi ülikooli teadlased on lubanud 2012 aasta märtsiks toota esimesed in vitro lihaga vorstid ja sama aasta septembriks esimesed hamburgerid. Kuna aga in vitro liha on praegu väga kallis, siis suurel skaalal seda kasvatada ei saa.(Edelman)

In vitro liha kasvatamine

Kultuurliha saadakse loomade lihasrakkude kasvatamisega laboris. Looma embrüolt võetakse tüvirakud(teine võimalus on kasutada satelliitrakke, spetsiaalseid tüvirakke lihaskoes ). Tüvirakkudest lihasrakkude saamiseks kasutatakse spetsiaalselt välja arendatud Escherichia coli baktereid, mis toodavad selleks vajalikke kasvufaktoreid. Lihasrakud kasvavad bioreaktoris lahusel, mis koosneb tsüanobakteri hüdrolüsaadist, mis on rikastatud kasvufaktorite ja vitamiinidega. Teoorias on süsteem väga lihtne, kuid tegelikult on asi palju keerukam. Et saadud liha oleks pärisliha moodi, on vaja rikastamissüsteemi, mis imiteeriks verevarustust, et saada igale rakule toitained ja hapnik. Seda oleks vaja ka jääkainete eemaldamiseks. Lisaks on vaja kasvatada ka teisi rakutüüpe, nagu rasvarakke. Kasvavat liha tuleb ka treenida, et lihas õigesti areneks. Selleks kasutatakse lihaste võimet kokkutõmmeteks ja venitatakse neid velcro tahvlite vahel petri tassides.

Rakud

In vitro liha kasvatamisel on võimalik kasutada kahte rakutüüpi – tüvirakke või satelliitrakke. Teoorias on neil limiteerimata regeneratiivne potentsiaal, nii et kui kasv on juba olemas, ei ole vaja rohkem tüvirakke lisada. Aeglane rakumutatsioonide kogumine võib aga määrata maksimaalse kasulikkuse aja ühele kultuurile. Tüvirakud on küll hea valik oma piiramata vohamise tõttu, kuid neid rakke tuleb ka stimuleerida, et nad areneks lihasrakkudeks ja võivad hoopis areneda millekski muuks. Satelliitrakkude paljunemise piiratus on neile küll suur miinus , kuid need arenevalt primaarselt liharakkudest. In vitro liha kasvatamiseks on vaja palju rakkude jagunemise, kuid suurem osa rakke võib piiratud arv kordi jaguneda ene nende loomulikku surma. Sellest ülesaamiseks on kolm meetodit: 1) kultuuri pidev uuendamine 2) piiramatu rakuliini kasutamine 3) piiratud rakuliinist piiramatu väljatöötamine. Suuremal osal rakutüüpidest on vaja kasutada esimest meetodit, kuigi tüvirakud on teises kategoorias. Kolmanda kategooria kasutamine on raske, kuna selleks tuleb geene muuta. Siiski on mitme rakütüübiga juba õnnestunud seda teha.

Toetusvõrk

Toetusvõrgu mehhanismid on erineva kuju, koostise ja ehitusega, et opimeerida lihasraku - ja koe morfoloogia . Lihasrakkudel on vaja ankrut ja nad on võimelised ise kokku tõmbuma. Ideaalne toetusvõrk oleks suure alaga kasvuks ja kinnitumiseks, ta oleks paindlik ja võimaldaks mahutada suurel hulgal kasvulahust ja teda oleks lihtne lihakultuurist eemaldada. Parimad materjalid oleks loomulikud ja söödavad, kuigi saab kasutada ka söödamatuid materjale. Toetusvõrk võib olla näiteks söödava kollageeni helmestest või kollageenivõrgust(kollageeni käsn), mis on saadud veistelt. Käsna kuju suurendab pinda ja diffusiooni, aga võib teha raskemaks koe kättesaamise. Võimalik on kasutada ka suuri elastseid lehti või pikkade filamentide paigutust. Et imiteerida loomulikke lihasrakke, peab ka tekstuur ja mikrostruktuur olema võimalikult nende sarnased. Selleks võib kasutada näiteks lainelisi mikromustriga filamente . Kuna koepaksus ei saa olla üle 100-200µm, on pakutud välja, et tuleks kasutada verevarustuse süsteemi, mis imiteeriks normaalse keha verevarustust. Selleks saaks kasutada sünteetilisi sooni , mis kannaks sisse toitaineid ja välja jääkaineid. Praegu on aga selle süsteemi kasutamine raske, kuna see ei anna suurt hulka lihasmassi. Toetusvõrgu matejal võib söödavatast olla näiteks sellised polümeerid, nagu kollageen , tselluloos ja alginaat . Nende poorne helmeste struktuur võib olla võimeline toime tulema muutustega erinevate pH-de ja temperatuuride juures ja olla võimeline toime tulema lihaste kokkutõmmetega. Söödamatud polümeerid võivad aga anda teisi eeliseid . Varem mainitud lainelise struktuuriga pinnad võivad aidata lihasrakkude paigutuse ja tekkimisega . Nende kasutuseks on vaja aga häid võrgu eemaldamise võimalusi. Seda saab teha kas ensüümidega või mehaaniliselt, mis võivad kahjustada rakke ja ka toetusvõrku. Selleks saab kasutada näiteks termotundlikku katet, mis võib muutuda madalama temperatuuri juures hüdrofoobsest hüdrogiilseks ja seega saab seda jahutamisega eemaldada. Tähtis punkt on aga see, et toetusvõrgu eemaldamisel ei pruugi lihasmass jääda kultuurileheks vaid vajuda kokku.

Kasvulahus

Lihasrakkude kasvatamine toimub tavaliselt loomses seerumis – väga kallis lahus, mis ei sobi suure skaala tootmiseks ja ei võeta vastu ka tarbijate pool. Loomne seerum saadakse kas täiskasvanutelt, vastsündinutelt või loodetest. Kõige tavalisemalt kasutatakse veiste looteseerumit. Kuna seda saadakse loomadelt võib sellel olla koostises palju muutujaid ja ka patogeene. Veiste looteseerumi kogumine on ka eetiliselt palju probleeme tekitav. Sellele võib vastuseks saada teiste kasvulahuste väljatöötamine. See vähendaks ka protsessi kulusid . Seerumivaba kasvulahust on kasutatud juba kalkuni, lamba ja sea satelliitrakkude kasvatamisel. Ultroser G on üks näide kasutatavast seerumi asendajast. Selle koostises on kasvufaktorid, siduvad valgud , adesiini faktorid , vitamiinid , hormoonid ja mineraali jäägid- kõik mis on vajalik eükarüootseks kasvamiseks. Kuigi sellel ja ka teistel seerumiasendajatel võib olla mitmeid eeliseid koe kasvamises on nad praegu veel väga kallid ja nende täpsed koostised ei ole avaldatud. On võimalik, et nende odavuse ja aminohapete rikkuse tõttu saab kasutada ka seentest tehtud seerumit ja õiget segu pole sellest veel välja töötatud.

Kontraktsioon

Liharakkudel on vajalik pidev kokkutõmbumine. See ennetab atroopiat ja annab aluse tervele lihasele . Loomulikult kasvamisel on lihasrakul see juba sisse ehitatud ja seega peab in vitro kasvatamisel selle ise stimuleerima. Võib kasutada tsüklilist pinget toetusvõrgule või võrgu pidevat mehhaanilist venitamist. Mehhaaniline venitamine on aga palju vähem effektiivsem, kui elektrililine stimulatsioon. See võimaldab suurel skaalal aktiivset kokkutõmbumist.

Hapnikukandjad

Selleks et kultuur pidevalt kasvaks, on seda vaja kogu aeg rikastada. Et saada normaalset kude, mis on üle 200µm paks on vaja saada pidevalt juurde ka hapnikku. See saadakse bioreaktoritega, mis suurendavad massitransporti rakkude ja kasvulahuse vahel koos hapnikukandjatega, et imiteerida hemoglobiini hapnikuga varustamist. Bioreaktori disain peab edendama kultuuri kasvu ja pakkuma keskkonda, mis lubab kultuuril kasvada. Pöörlema bioreaktori silindriline sein pöörleb sellise kiirusega, et tasakaalustab tsentrifugaal ja gravitatsioon jõud, jättes kolmemõõtmelise kultuuri pidevasse vabalangemisseisu. See loob kasvulahuse pideva laminaarse voolamise , mis parandab diffusiooni kõrge massiülekandega minimaalse stressiga. Kasvulahus voolab läbi poorse toetusvõrgu ja gaasivahetus toimub välises vedeliku silmuses. Suureks probleemiks on õigete rakkude leidmine hapnikukandjateks. Hapnikukandjaid saab lisada kasuvulahuse kaudu. On kahte hapnikukandja liike – hemoglobiini sarnased ja tehislikud keemilised inertsed ained. Kuigi on mitemid hemoglobiini baasil olevaid kandjaid , on nende kasutamine ebatõenäoline nende päritolu pärast – inimestelt või veistelt. Praegu proovitakse luua kandjaid E. Coli, pichia pastise ja Aspergillus nigeri põhjal. Sünteetilised kandjad võivad lahustada suuri hulki hapnikku ja seega võivad omada sama toimet, kui hemoglobiin . Siiski on nad väga ohtlikud kasvuhoonegaasidena ja seega nad ei ole ideaalsed hapnikukandjad. (Datar 2010)

Takistused in vitro liha kasvatamisel

Kõige suuremateks takistusteks praegu on
a) homoöstaatilise regulatsiooni puudumine. Homoöstaasi puudumumine mõjutab lihaproduktide toiteväärtust, kuna organid on täthsad toitainete imendumisel ja jaotamisel elusas organismis. Lihaskude on ka väga metaboolne kude ja selle jäägid tuleb eemaldada või taaskäidelda.
b)protsess tuleb läbi viia suurel skaalal. Tootmine suurel skaalal on tähtis kuid siiamaani veel saavutamata. Praegused suured in vitro liha kultuurid sentimeetrites, kuna koeuuringute suurem tähelepanu läheb just in vivo koe parandamisse. Selleks, et toota tööstuslikku hulka in vitro liha, peaks bioreaktorid olema vähemalt 3-5 korruselised. Parimat inspiratsiooni saab ravimi ja mikrobioloogia tööstusest, kus kasutatakse elusaid organisme, et bioreaktorites toota puhtaid kemikaale. Kuigi tehnoloogia ja eesmärk on teine, võivad paljud meetodid olla sarnased.
Lihal on lisaks suure valgukoostisele koos kõigi aminohapetega on lihal palju teisi tähtsaid toitaineid. On tähtis et in vitro lihal oleks vähemalt sama, kui mitte parem toiteväärtus et olla võimeline konkureerima loomuliku lihaga. Need toitained, mida lihased ise ei sünteesi, tuleb lisada. Näiteks vitamiin B12 sünteesitakse teatud bakterite poolt ja seega leidub neid ainult loomsetes toiduainetes . In vitro lihale tuleb seega lisada kristalset B12, mida toodetakse biosünteetilise fermentatsiooni teel. Rauda leidub lihastes Fe(II) kujul suure biosaadavusega heemi, müoglobiini, näol. Et saada kasvavatesse rakkudesse rauda, tuleb kasvulahusele lisada Fe(III) ioone, mis on seotud plasmat siduva valgu transferiiniga. Sellega saab rauda transportida mitokondritesse ja sünteesida müoglobiine. Vitamiin B12 ja heemiline raud on liha väga tähtsad koostisosad. Konkurentsivõimelise in vitro liha loomine tähendab kõigi loomulikus lihas olevate toitainete olemasolu. Lihasrakud ei tooda vitamiine ja mineraale ja seega tuleb nende transportimiseks kasutada erinevaid siduvaid valke. Selleks et luua korralikku liha, peavad olema teadmised kõikide tähtsate vitamiinide ja mineraalide metabolismist. Kuigi see võib olla suur takistus, võib see viia toitaineliselt väga kasulike toitudeni. (Datar 2010)
Joonis 1. Võimalik in vitro liha tootmis skeem 1) toodetakse kasvulahus, mida hoitakse toiteanumas, enne kui pannakse 2) bioreaktorisse, milles on toetusvõrk. Kasvulahuse vool lubab enne isoleeritud ja suurendatud rakkudel panna 3) toetusvõrgule bioreaktoris. Protsessi ajal rikastatakse kasvulahust pidevalt hapnikuga läbi valise silmuse(4) Kui protsess saab läbi, saab kasvulahust taaskäidelda(5) ja uuesti toota. Kasvulahus ja toetusvõrk eemaldatakse bioreaktorist(6) Koe saamiseks tuleb see eemaldada toetusvõrgust, et seda saaks edasi töödelda(7)

Maitse ja tervislikkus

Kuigi eksperdid väidavad, et paari aasta pärast on võimalik toota in vitro lihast töödeldud tooteid, nagu vorste või kanapalle võib keerulisemate ja lihasarnastemate toodetega veel päris palju aega minna. Selle tehnoloogia arendamisega tegelevad paljud laborid , kuid siiamaani on suudetud toota ainult peamiselt halli ja maitsetut ollust. Et saada sellele lihale õiget maitset , on siiski vaja lisada veidi rasva ja värvi jaoks ka verd. Siiski saab olema lõpptulemus tervislikum kui loomulik liha, kuna saab modifitseerida küllastunud ja küllastumata rasvade tasakaalu ja lisada erinevaid toitaineid. Kariloomadele söödetakse sisse suurel hulgal antibiootikume ja hormoone ja loomade toiduga võivad nad saada veel pestitsiide ja teisi mürke, mis võivad sattuda ka lihasse. In vitro liha eemaldab selle ohu, kuna on koostisosad on täpselt kontrollitud. Esimesed saadaolevad in vitro lihad saavad olema arvatavasti kombinatsioonid lihaskiududest, rasvarakkudest(maitseks) ja veresoontest(värvi ja raua jaoks). Need kasvatatakse eraldi ja segatakse hiljem kokku. See aga ei tohiks olla suur probleem, kuna praegu tarbitavad kanapallid ja hot dogid ei erine sellest millegi poolest. Esimesed burgerid võivad maksta umbes 300 000 dollarit burgeri kohta, kuid aja möödudes hind väheneb, kui leitakse effektiivsemaid tootmismeetoideid. (Maria 2012)
Joonis 2. Esimesed in vitro lihad on tuhmid õhukesed lihaplaadid.

Mõju keskkonnale

Praegu on kariloomadest saadud valgu tarbimine umbes 50,3 miljonit tonni aastas. Sama hulga proteiini saamiseks sojaubadest oleks vaja maad 1,8-2,6 miljonit km2. See on umbes 5% kogu maast, mida praegu kastutakse kariloomade jaoks. Kariloomade valgu in vitro lihast saadud valgu vahetamisel oleks vaja ainult 0,07 km2 maad mis on 0,2% praegu kariloomade jaoks kasutatavast maast. Energia tarbimine oleks küll 7% suurem, kuid kasvuhoone gaaside tootmine väheneks 88%. Uuringud näitavad,et ülemaailmne üleminek taimetoitlusele või üleminek kultuurlihale vähendaks kasvuhoonegaaside tootmist ja põllumajandusmaa kasutust loomadele. Kuigi energiat läheks veidi rohkem oleks üldine energiatasakaal kasulik, kui võtta kasutusele kogu see ülejääv põllumajandusmaa. Seda maad saaks kasutada näiteks bioenergia tootmiseks. Kultuurliha tarbimine vähendaks ka küllastunud rasvade tarbimist, mis oleks inimeste tervisele kasulik.(Tuomisto)

Kokkuvõte

Tänapäevase tehnoloogia arenguga ei pea me enam midagi võimatuks. Praegune maailm ei ole aga jätkusuutlik ja kuna inimesi sünnib aina juurde, ei suuda maa meid enam ära toita. Üheks heaks vastuseks ja lahenduseks võib olla in vitro liha kasvatamine. See kasutab palju vähem maad ja ressursse, kui kariloomade kasvatamine ja on võimeline tootma suurtes kogustes proteiini. Kuna in vitro liha kasvatamine on veel väga noor ala-sellega on töötatud alles umbes 10 aastat - siis pole see veel meie turgusid vallutanud. Esimesed lihatootmised on aga tehtud ja kuigi on saadud ainult hallikaid maitsetuid lihaplaate siis juba sellel aastal on oodata esimesi vorste ja burgereid, mis on tehtud in vitro lihast. Kunstliha on biotehnoloogia suur läbimurre, mis on suur samm jätkusuutliku maailma poole.

Kasutatud Kirjandus

http://invitromeat.org . (kuupäev puudub). Allikas: http://invitromeat.org/index.php .
Hyena, H. (2009). Eight Ways In-Vitro Meat will Change Our Lives. h+.
i. Datar, M. (2010). Possibilities for an in vitro meat production system. Innovative food science and emerging technologies, 13-22.
Kelland, K. (11. nov 2011. a.). Lab- grown hamburgers could save planet: experts. National Post.
maria, C. s. (15. Jan 2012. a.). In Vitro Meat: Will 'Frankenfood' Save The Planet Or Just Gross Out Consumers? huffington post.
Mitchell, L. (02. 02 2012. a.). Meat the Future: Would you eat a stem cell steak to save the planet? opinno.
P.D. Edelman, M. D. (kuupäev puudub). http://www.new-harvest.org/img/files/Invitro.pdf .
tuomisto, H. (kuupäev puudub). food security and Protein supply :cultured meat a solution?