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La creazione di un hamburger sintetico in laboratorio nel 2013 è stata una novità assoluta. Con la produzione di cibo edibile da cellule staminali bovine, il progetto “in vitro meat” ha spinto a ripensare al modo in cui produciamo e sviluppiamo il cibo stabilendo un primo importante passo verso la creazione di un metodo di produzione della carne sostenibile. Per raggiungere tale impresa, il gruppo dell’Università di Maastricht, nei Paesi Bassi, si è dovuto assicurare che le apparecchiatura di laboratorio, e in particolar modo i sistemi di incubazione, fossero all’altezza dei loro obiettivi pionieristici.
La richiesta di tecniche alternative per la produzione della carne diventa sempre più pressante. Uno studio condotto dall’Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura nel 2006 ha stimato che il 70% di tutta la terra coltivabile, circa il 30% della superficie terrestre, è impiegato per la produzione zootecnica, in risposta alla richiesta di sette miliardi di persone. La FAO ha inoltre affermato che entro il 2050 [1] la richiesta di carne sarà aumentata di più di due terzi, dato che si stima che la popolazione avrà raggiunto i 9 miliardi.
Con l’aumento della popolazione e della richiesta di prodotti agricoli, in parte dovuta al rapido sviluppo economico in Africa e nel Medio oriente [2], i metodi tradizionali di produzione di carne stanno diventando sempre meno sostenibili. L’allevamento di bovini da carne richiede molte risorse, sia economiche che naturali. Ad esempio, per la produzione di 1 kg di carne sono necessari circa 15.000 litri di acqua [3]. Questo è stato uno degli aspetti che hanno stimolato la ricerca nell’Università di Maastricht.
Il progetto “in vitro meat” ha avuto inizio nell’ottobre del 2011 grazie a un gruppo di ricerca condotto dal professor Mark Post con il supporto dei tecnici di laboratorio Anon van Essen e Sanne Verbruggen. L’obiettivo finale del progetto era creare carne commestibile in forma di hamburger senza l’impiego diretto di tessuti bovini. Questo avrebbe significato una produzione di cibo più sostenibile ed efficiente. Si tratta di un progetto unico nel suo genere e l’Università stessa non è al corrente di nessun tentativo di riproduzione in altri istituti.
L’hamburger inizialmente mostrato, cotto e assaggiato a Londra il 5 agosto 2013 è stato il risultato di mesi di duro lavoro. Solo per creare fisicamente l’hamburger sono stati necessari tre mesi. Durante la produzione, le cellule staminali (cellule satellite) sono state raccolte da un campione di tessuto muscolare prelevato dalla spalla di una mucca. Queste cellule sono spesso descritte come mioblasti dormienti (cellule muscolari) e, sebbene svolgano un ruolo vitale durante la riparazione e il mantenimento del muscolo all’interno del corpo, hanno una capacità di replicarsi molto limitata. Tuttavia, le cellule satellite possono attivarsi se esposte a stimoli, come lesioni o carichi meccanici elevati, e miliardi di cellule sono state coltivate dai campioni originali.
Le cellule mioblastiche si fondono naturalmente in un processo noto come miogenesi, ovvero la formazione di tessuto muscolare che avviene in particolare durante lo sviluppo embrionale. In questo processo, le cellule si fondono in fibre multinucleate chiamate miotubi e formano il tessuto muscolare. I mioblasti sono stati collocati intorno a raccoglitori circolari in gel, portando alla formazione di anelli di tessuto. La contrazione e il rilassamento delle cellule ha prodotto un aumento di massa. Alla fine, 20.000 anelli sono stati accuratamente stratificati l’uno sull’altro per creare l’hamburger finale.
Questo metodo si è basato fortemente sull’incubazione e la crescita di cellule robuste e sane, di conseguenza è stato necessario considerare attentamente i requisiti esatti del sistema di incubazione. Solo in questo modo il team dell’Università di Maastricht poteva essere sicuro di produrre il miglior prodotto finale possibile.
Una prima considerazione nella scelta delle incubatrici per il progetto In vitro meat è stata la quantità di cellule da coltivare. Dato il grande volume, le incubatrici dovevano contenere un numero elevato di campioni, senza alcun compromesso in termini di affidabilità e sicurezza. Inoltre, le cellule hanno subito il processo di coltura in flacone a 10 strati, quindi molto pesanti, per le quali la robusta struttura delle incubatrici è stata essenziale.
Per un’incubazione efficace è stato necessario anche un corretto controllo dell’ambiente e della temperatura. Gli ambienti ideali per la crescita delle cellule staminali sono quelli che più assomigliano all’ambiente naturale all’interno dell’organismo. Per le cellule staminali muscolari, ciò significa concentrazioni costantemente povere di ossigeno e ricche di diossido di carbonio (3% di O2, 5% di CO2) e temperature stabili di circa 37 °C. Le condizioni indicate aumentano la capacità di proliferazione delle cellule satellite rispetto alle condizioni standard di coltura cellulare con il 21% di ossigeno, in quanto si tratta di una corrispondenza più vicina ai livelli di ossigeno in vivo nella miofibra intatta [4]. Anche le fluttuazioni di temperatura influiscono sulle colture, con conseguenze che vanno dal fallimento totale della linea di cellule all’espressione di fenotipi anomali e metabolismo cellulare alterato [5]. È stato quindi necessario effettuare controlli rigorosi, in quanto le colture cellulari esposte a temperature variabili non sarebbero state praticabili per il progetto.
Infine, quando le cellule satelliti sono state isolate dagli animali è rimasta una possibilità, seppur bassa, di impurità nel campione iniziale. Qualsiasi possibilità di trasferimento di contaminanti alla linea di cellule coltivata doveva essere completamente esclusa per garantire il successo e la sicurezza dell’hamburger. Di conseguenza, è stato essenziale predisporre sistemi di decontaminazione affidabili all’interno degli incubatori. Se la decontaminazione non fosse avvenuta correttamente, l’intero processo sarebbe dovuto essere riavviato. Dato che la produzione fisica dell’hamburger avrebbe richiesto 3 mesi, l’attività avrebbe comportato un enorme onere finanziario e di tempo per la squadra.
Questi tre aspetti problematici: la capacità, il controllo e la decontaminazione, sono stati quelli presi maggiormente in considerazione al momento di scegliere l’apparecchiatura per la produzione degli hamburger. Il sistema di incubazione selezionato, prodotto da PHCbi, comprendeva diverse tecnologie per garantire i necessari livelli di qualità e controllo.
Nell’ultimo decennio, il gruppo di ricerca ha utilizzato incubatori PHCbi senza riscontrare problemi, quindi l’esperienza positiva li ha spinti a prendere in considerazione l’acquisto di apparecchiature simili per questo progetto pionieristico. Grazie al coinvolgimento di un fornitore esperto di sistemi di incubazione, il gruppo del progetto “in vitro meat” è stato in grado di implementare tecnologie e conoscenze specialistiche per soddisfare le proprie esigenze. Grazie all’ampia gamma di incubatori disponibili, è stato semplice scegliere un modello in grado di contenere il consistente numero di linee di cellule richieste. Dopo aver individuato l’incubatore necessario, è bastato concentrarsi sulla tecnologia più adatta a garantire i livelli di controllo ambientale e di decontaminazione richiesti.
Lo stretto monitoraggio e controllo dei livelli di O2 all’interno dell’incubatore è stato particolarmente importante per le colture di cellule staminali. All’Università di Maastricht, questo livello di controllo è stato garantito da un sensore di ossigeno all’ossido di zirconio di lunga durata, appositamente progettato per mantenere i livelli di ossigeno subambiente tra l’1% e il 18%. Inoltre, i controlli elettronici PID hanno fornito un alto livello di precisione mantenendo la temperatura e i valori di riferimento dei gas su tutta la gamma del sistema.
L’affidabilità della temperatura è garantita da un sistema con camicia D.H.A. (Direct Heat and Air Jacket System) brevettato in combinazione con un isolamento in schiuma ad alta densità e gli incubatori. Questo sistema ha dimostrato di protegge dalla condensa e contribuire a ridurre l’effetto delle fluttuazioni di temperatura ambiente sulla camera interna. Il delicato movimento del ventilatore ha fornito temperature uniformi a tutte le colture nella camera, indipendentemente dalla loro posizione, un notevole vantaggio per il progetto, dato che migliaia di singoli campioni venivano coltivati in qualsiasi momento.
Inoltre, per garantire la sicurezza delle linee di cellule, era necessario mettere in atto sistemi di decontaminazione. A questo scopo, il gruppo di lavoro ha creato l’hamburger sintetico utilizzato due tipi di incubatori PHCbi. Il primo è stato utilizzato esclusivamente per l’isolamento e la decontaminazione, successivamente le cellule isolate sono state trasferite in un secondo incubatore per la coltura. Il metodo descritto ha ridotto la possibilità di contaminazione crociata, poiché le linee di cellule già in coltura non erano esposte a potenziali contaminanti provenienti dal campione muscolare iniziale. Al fine di identificare e rimuovere eventuali contaminanti presenti nell’aria che potevano entrare nella camera o nella vaschetta dell’acqua, negli incubatori MCO-19M (modello ora sostituito dai nuovi incubatori di multigas MCO-170M) è stata inclusa una lampada UV isolata a banda stretta e priva di ozono. La lampada si accende automaticamente per un determinato periodo di tempo dopo l’apertura della porta dell’incubatore fornendo ulteriore sicurezza alle cellule in coltura. Inoltre, tutte le superfici interne dell’incubatore sono in lega di acciaio inossidabile arricchita di rame InCu-saFe®, il quale garantisce una protezione germicida costante e, in combinazione con la lampada UV SafeCell®, previene la crescita di muffe, funghi e batteri.
Per escludere qualsiasi rischio di contaminazione dagli incubatori stessi, l’Università di Maastricht ha scelto di utilizzare un’opzione di decontaminazione H2O2. Dopo il controllo del sistema, il processo inizia con la vaporizzazione del perossido di idrogeno, che viene poi fatto circolare in tutta la camera dal sistema di flusso d’aria.
Successivamente, la lampada ultravioletta (UV) si accende e scompone il vapore H2O2 in vapore acqueo e ossigeno. Questo sistema riduce i tempi di inattività dell’incubatore a meno di tre ore per la decontaminazione totale della camera, dimostrando non solo di essere rapido ma anche facile da usare e protegge dalla contaminazione per lungo tempo dopo ogni ciclo completo di decontaminazione. Grazie al sistema illustrato, è stato possibile realizzare una coltura di miotubi sicura e senza le numerose interruzioni per la pulizia e la decontaminazione con una migliore efficienza dei progetti.
Composto da fibre muscolari coltivate esclusivamente in laboratorio, all’hamburger è stato aggiunto dell’uovo in polvere, pangrattato e pochi altri ingredienti comuni per questo tipo di alimento. All’assaggio, pur mancando di condimento e di grasso, caratteristiche che lo hanno reso meno succoso, l’hamburger presentava un sapore deciso di carne. Trattandosi del primo prodotto a base di carne riconoscibile creato con questo metodo, il progetto rappresenta una prova fondamentale delle tecniche di produzione della carne in coltura e un’alternativa promettente per il futuro della produzione di tale alimento. Tutto ciò non sarebbe stato possibile senza un sistema di incubazione affidabile, efficiente e controllato. Grazie all’implementazione della tecnologia d’avanguardia di PHCbi, il progetto “in vitro meat” è stato in grado di fornire alle cellule coinvolte un ambiente ottimale. Infatti, le 20.000 fibre necessarie per costruire l’hamburger sono state prodotte in modo efficiente, sicuro e con la migliore qualità.
[1] The State of Food and Agriculture: Livestock in the balance. Food and Agriculture Organisation of the United Nations. Roma, 2009. (http://www.fao.org/docrep/012/i0680e/i0680e.pdf) Accessed 13/12/2013 [2] Developing Countries Dominate World Demand for Agricultural Products, USDA, Aug 2013 (http://www.ers.usda.gov/amber-waves/2013-august/developing-countries-dom...) [3] 4th edition of the UN World Water Development Report (WWDR4) [4] Culture in low levels of oxygen enhances in vitro proliferation potential of satellite cells from old skeletal muscles. Chakravarthy MV, Spangenburg EE, Booth FW. Cell Mol Life Sci. 2001 Jul;58(8):1150-8 [5] Introduction to cell and tissue culture [electronic resource]. Jennie P. Mather, Penelope E. Roberts. Springer, 1998
Articolo originale: http://www.labmate-online.com/articles/laboratory-products/3/mr_anon_van...