動物細胞培養肉的制備是未來食品業的一項顛覆性技術, 有望作為傳統畜牧業的有效補充, 從而有利于促進環境可持續性和農業碳減排，保障公共衛生安全和動物福利，緩解人畜口糧競爭。全球已有超過上百家研究機構或初創公司進行細胞培養肉的研發, 但實現細胞培養肉的規模化生產仍面臨諸多挑戰, 其中優質種子細胞的獲取、無動物源成分的培養基和3D可食用支架的研發、大規模培養的工程化等是細胞培養肉產業化過程中亟需解決的技術瓶頸。
韓建永教授課題組長期致力于大家畜早期胚胎發育及多能干細胞相關的研究工作, 針對上述技術瓶頸進行攻關, 在細胞培養肉研發方面取得突破性成果。本研究利用實驗室前期所獲得的豬上胚層干細胞 (Cell Research, 2021), 建立了豬胚胎多能干細胞向肌肉無血清定向誘導分化的技術體系, 并結合無動物源成分的3D支架, 首次實現了豬胚胎多能干細胞來源動物細胞培養肉的制備, 具備以下創新性：
胚胎干細胞具有體外無限擴增及分化成各種組織細胞的能力, 是細胞培養肉的理想種子細胞。研究團隊獨辟蹊徑、突破瓶頸, 創建了豬穩定胚胎干細胞分離培養技術體系 (Cell Research, 2021) , 解決了近40年來大家畜胚胎干細胞建系的國際難題。本研究進一步驗證該細胞系可體外長期穩定傳代并維持細胞的多能性及基因組的穩定（截至發文已傳超過300代），而細胞培養肉領域常用的肌肉干細胞只能傳代20-30代。如果按胚胎干細胞最低增殖比例1:3進行傳代, 一個起始細胞在約30代的時候可獲得330個細胞，即可生產出相當于一頭成年豬的所有細胞量（約1014個細胞），只需要50代即可生產出相當于70億頭生豬的細胞量，為中國生豬年出欄量的10倍，而且只需要100-150天。因此具有自主知識產權的豬胚胎干細胞分離培養技術體系不僅解決了大家畜干細胞建系的國際難題，也有望成為細胞培養肉產業領域的重要底盤技術, 為搶占該領域創新和產業發展的制高點提供技術與資源保障。
2. 建立了豬胚胎干細胞向肌肉細胞無血清定向誘導分化的技術體系
本研究建立了豬胚胎干細胞向肌肉細胞分階段定向誘導分化的技術體系, 可實現全程無血清添加和無轉基因的肌原性分化，并研發出適合豬胚胎干細胞肌原性分化的無血清培養基。組學層面進一步驗證所獲得的肌肉細胞與體內的肌肉細胞相似，可確保細胞培養肉的清潔與安全, 有望實現細胞培養肉營養可控等多種要求。
3. 研發了無任何動物源成分的3D可食用支架
本研究解決了干細胞分化過程中與可食用3D支架的親和性問題, 研發了無任何動物源成分的3D可食用支架, 實現了細胞體外大量擴增。本研究還首次成功利用豬胚胎干細胞分化技術制備了與正常肉類指標相似的細胞培養肉, 具有明顯的肌肉外觀和紋理，而且富含條件必需氨基酸，不易受食源性致病菌的污染，表明本研究已具備了邁向產業化的理論與技術。
總的來說，這項研究不僅有望解決起始細胞長期穩定擴增的問題, 提高胚胎來源的多能干細胞在動物細胞培養肉研發中的利用率, 還能為其它家畜動物細胞培養肉的制備提供理論參考, 也有望為未來功能性食品的研發和“清潔”肉類的供應提供新的技術途徑和科技支撐。目前, 韓建永教授團隊在現有的成果基礎之上, 正致力于突破種子細胞更大規模培養以及低成本培養基研發的技術難題, 以實現細胞培養肉的產業化。
該研究得到國家重點研發計劃 (2022YFD1302201, 2016YFA0100202)、中國農業大學未來功能食品研發計劃 (SJ2021002004)、國家自然科學基金 (31970825, 31772601, 31972099, 32172143) 和北京市自然科學基金 (6192005) 等項目的資助。中國農業大學為該研究工作的第一完成單位，本校朱高翔博士 (已畢業)、高登峰博士 (已畢業) 和西北農林科技大學李鱗子博士 (在讀) 為本文的共同第一作者，中國農業大學生物學院韓建永教授、西北農林科技大學食品學院馮憲超教授和北京工商大學食品與健康學院馬愛進教授為本文的共同通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44001-8
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