科学研究 - 人工培养肉开辟新的饮食可能性，挑战“蛋白质危机”

人们担心，如果世界人口继续以发展中国家和新兴市场国家为中心增长下去的话，仅靠畜牧业提供肉类蛋白质将遭遇极限。目前，正试图解决这种“蛋白质危机”的是东京大学研究生院信息理工学系研究科与生产技术研究所的竹内昌治教授。竹内教授利用先端生命科学和工程学，培养出了牛排大小的人工肉。“人工培养肉”不仅能为以粮食问题为首的可持续发展目标SDGs做贡献，还有望开辟新的饮食可能性。本文将带您走进人工培养肉研究的最前沿。

竹内昌治
东京大学研究生院信息理工学系研究科与生产技术研究所教授
2018年当选未来社会创造项目研究代表

人口持续增长，增产食材已成当务之急
还要利用食品技术开拓新市场

在全球77亿人口中2020年还有多达8亿多人面临饥饿。预计2050年人口将达到97亿，可以说增产粮食已成为当务之急。然而，新增农耕用需要砍伐森林，这与全球变暖对策背道而驰。另一方面，如果增加家畜数量的话，又要与人类争夺用作饲料的谷物和水（图1）。作为解决这些课题的对策，融合食品与技术的“食品技术”备受关注。

图1：随着世界人口的增长，对肉类和谷物的需求也将增加，但预计今后的谷物收获面积基本不会改变。也就是说，如果不能大幅提高单位面积的产量，食用谷类和饲料用谷类都会短缺，这将导致粮食危机。

＊ 1．谷物为小麦、稻米、玉米、大麦及高粱的统称。 2．为避免受每年天气变化等造成的数据波动的影响，2010年的数值为2009年至2011年的三年平均值。 3．2015年的数值为根据美国农业部（USDA）2014年至2016年三年的生产、供给和分配（PSD）实际平均值计算出来的参考值。（JST根据总务省统计局《2021年全球统计》及农林水产省《2050年全球粮食供需预测—全球超长期粮食供需预测系统的预测结果—》（2019年）加工制作）

其中，作为取代肉类的新食材，正在开拓市场的是“替代肉”。目前以大豆等植物性成分为原料的替代肉已经上市，利用细胞培养技术再现肉类的风味和口感的“人工培养肉”也在加速开发之中。全球首次公开人工培养肉生产技术的是荷兰马斯特里赫特大学的马克·波斯特教授。波斯特教授利用在医疗领域一直备受期待的细胞培养技术和组织工学，将牛等动物的细胞提取到体外进行培养，并成功制作出了食用肉（图2）。

图2：人工培养肉是通过在体外增殖动物细胞，并对增加的细胞进行组织培养而制作出来的。

2013年，波斯特教授在英国伦敦举行了人工培养肉汉堡试吃会，一举轰动了全球。然而，如果把研究经费包括在内，这样一个汉堡的价格最初竟然要高到3,500万日元，因此人工培养肉登上餐桌当初被认为是不切实际的梦想。后来，随着研究的不断进步，因其具备无需宰杀动物以及生产环境负荷低等优点，作为解决全球性课题的关键技术，世界各国都在推进研发。

东京大学研究生院信息理工学系研究科与生产技术研究所的竹内昌治教授也是致力于人工培养肉研究的人之一。竹内教授的人工培养肉设想可以追溯到从2010年开始的进行了约6年的ERATO竹内生物融合项目。作为使用细胞的制造应用领域，竹内教授还关注到了人工培养肉。

目前，竹内教授在未来社会创造项目“实现可持续发展社会”领域担任“通过三维组织工程学开发新一代食用肉生产技术”的研发代表，正致力于利用人工培养肉构筑可持续发展的资源循环型社会（图3）。他就该项目的意义表示：“并非所有食用肉都可以只利用培养技术生产出来。但食材危机已经成为一个严重问题。如果我们能用人工培养肉来代替一部分的食用肉，就可以向更多的人稳定的供应食材。”

图3：未来社会创造项目中竹内项目的实施体制

层叠肌肉细胞片
制造出全球首个“骰子牛排”

很多企业开发的人工培养肉主要为凝集肌肉细胞制作而成的碎肉。而竹内团队的目标是实现以三维结构再现与天然肉相同的肌肉纤维、血管和结缔组织的牛排肉。竹内教授表示：“虽然技术难度很高，但如果能实现，将会是口感和风味也与真肉完全相同的美味肉。我们的目标是要实现让人觉得‘因为美味，所以想吃’的人工培养肉。”

为了实际制作人工培养肉，首先需要从牛身上提取增殖用的种子细胞。种子细胞在培养液中反复进行细胞分裂增加数量。通常的细胞培养中，细胞在二维平面上朝着不同的方向生长，无法形成三维结构，但把大量增加的肌细胞汇集到一起形成碎肉，这是可以利用目前技术低成本大量生产的。

然而，真正的肌肉是由单向排列的细长肌纤维构成的肌束结构，正是这种结构形成了肉的口感和韧性（图4）。为了再现与这种真肉相同的结构，就需要按照与真肉相同的方向培养肌纤维的技术，以及融合细胞形成肌组织特有的条状“肌节结构”的成熟化技术（图5）。竹内教授介绍说：“光凭现有技术无法制造出理想的人工培养肉，因此我们决定开发新的细胞培养技术。”

图4：目前开发的还主要是纤维未定向的碎肉（左），竹内团队计划实现的肌肉定向牛排肉（右）

图5：肌细胞的成熟过程。成肌细胞进行细胞融合，分化成多核肌纤维。随着进一步进行分化，蛋白质呈条状分布，形成肌肉特有的结构——肌节结构。

竹内教授还发现维生素C可以促进细胞成熟，于是尝试将牛的成肌细胞放入用胶原蛋白凝胶制作的带有细长狭缝的模具中进行培养（图6）。由此成功地形成了肌节结构。竹内教授笑着说：“成肌细胞会相互融合生长。我们设想，设置狭缝形成狭长的空间，细胞只能沿着长轴方向生长。事实证明的确如此。”研究团队制作了可以排列这样形成的肌纤维的片状模块，通过将其重叠起来，成功制造了全球首个人工培养肉形成的骰子牛排（图7）。

图6：利用带狭缝的模具培养出来的成肌细胞模块。通过交替堆叠形成立体结构。细胞沿着由狭缝分隔出来的细长空间融合，形成方向一致的肌纤维。

图7：全球首个由人工培养肉形成的骰子牛排（左：1.0厘米×0.8厘米×0.7厘米）。利用红色食用色素着色后，制成了颜色接近实际肉类的人工培养肉（右）

价格低廉且无需宰杀动物
探索可持续的制造方法

对于竹内教授而言，这只是他追求生产约100克重牛排肉的一个中间点。他表示：“为了更接近真肉，需要加粗加大肌纤维，并形成脂肪和血管等组织。另外，为确立可持续利用的制造方法，需要研究的课题还有很多。”

竹内团队目前正在攻克的课题之一是培养液的调整。培养液中含有细胞生长所需的营养成分以及含有促进细胞分裂的生长因子的血清成分。营养成分相对比较便宜，但血清成分要从胎牛的血液中提取，因此非常昂贵。竹内介绍说：“为了将来能以不宰杀动物的方式持续制造人工培养肉，目前正探索可取代血清成分的培养液。如果能实现，还可以降低生产成本。”

第二个课题是肌细胞的增殖效率。并不是所有培养细胞都会分化成肌细胞，因此目前正在探索有助于高效增殖并分化成目标肌细胞的条件。竹内教授表示：“既有容易增殖但不会分化成肌细胞的细胞，也有完全相反的细胞，细胞的生物特性也各不相同。”虽然还没找到一步到位能在工厂大量生产的培养条件，但研究团队正努力在项目的支援期内找到解决这个问题的突破口。

第三个课题是向立体结构内部的营养供应问题。此前在二维空间培养时细胞完全浸入培养液中，每个细胞都能充分吸收营养。但立体生长时，营养成分无法抵达没有接触培养液的内部细胞，会造成细胞死亡。竹内教授表示：“通过层叠细胞片，可以创建立体结构，但为了形成更大的块体，目前正设法形成可在培养过程中供应养分的血管样结构。”这里应该能用到竹内教授的专业——组织工学方面的知识。

第四个课题是成熟化。已经确认到维生素C可以促进牛肌细胞成熟，此外还知道向肌纤维实施电刺激也能促进细胞成熟。然而，在实验室环境下再现生物体内理所当然发生的现象并不容易。因为必须从无限的组合中找到添加维生素C和实施电刺激的最佳时机和量等条件。如果能解决这些问题，不仅可以高效制造人工培养肉，还有望为再生医疗、组织工学和生物化学等领域带来有用的知识。

探讨如何确保安全性
还需要评估“美味程度”

新加坡已从2020年开始销售使用人工培养肉制作的麦乐鸡块，但竹内教授目前还没吃过自己制作的人工培养肉。他遗憾地表示：“我一直想自己品尝一下，但还没有试过”。因为哪怕是自己在研究室里制作的，如果实际试吃就会变成人体实验。需要向大学的研究伦理委员会申请并获批后才能试吃。竹内教授很有信心地表示：“由于是史无前例的申请，需要自行制定标准，经过与项目成员反复讨论，现在终于到了可以申请的阶段。希望不久研究人员就能试吃。”

不仅是大学内部，日本国内也在慎重地讨论如何确保人工培养肉的安全问题。用于培养的试剂虽然在医疗用途通过了审批，但并没有作为食品流通。以培养液为例，需要选用已被用于食品的产品，或者需要在国家指定的“食品添加剂清单”的范围内选择材料。

农林水产省从强化包括食用肉生产在内的食品安全的角度出发，于2020年成立了食品技术官民协议会。在充分考虑现有畜牧业的同时，仔细调查了人工培养肉流通时的课题，目前在讨论立法事宜。竹内教授表示：“以食品标签为例，正讨论应该使用什么名称等。由于与海外存在竞争，可能也有人希望能尽快上市销售。但因为是一项新技术，很多相关人士正聚集在一起，从不同的角度慎重讨论”，他在冷静地关注情况的进展。

作为消费者，与安全性同样令人在意的应该是味道。惯用的“美味”评价是基于人的感觉来评价喜好和品质的“感官评价”。然而，评价是一项需要熟练技能和敏锐感觉的特殊工作。专门针对人工培养肉训练这样的评价人员并不现实。另外，牛肉分为A5等不同的等级，不同等级表示可以从一头牛身上获得的肉量和霜降度，并不是评价美味程度的指标。

以制造真肉为目标开展研究的竹内教授正重新思考肉的美味是什么？这个根本性的问题。他还准备了向专家学习的机会，但目前尚未找到明确的答案。竹内教授从工程师的角度提议说：“评价美味涉及很多因素，很难进行评价，所以还是用数值表示更容易理解。食用时也是有客观的评价更令人放心”。如果能开发出美味传感器，还可应用于现有食品，因此也十分期待传感器开发。

提供信息让消费者从“否定”转向接受
日本品牌世界通用

即使能制造出美味又安全的人工培养肉，消费者也不一定会购买。新技术出现时遭到一定程度的排斥并不少见，在食品中这种情况尤其严重，比如转基因作物。同时也有很多像冷冻食品那样已经融入日常生活的例子。因此，竹内教授正与开展联合研究的日清食品控股公司和弘前大学的日比野爱子副教授等人持续实施关于人工培养肉的市民意识调查。

在制造出骰子大小牛排的人工培养肉的2019年，联合研究团队实施了2,000人规模的问卷调查（图8）。回答愿意尝试人工培养肉的人占27％，而回答不想尝试的人达到44％。随后再介绍了人工培养肉的优点，即有望成为帮助解决粮食危机的技术以及为动物福利做贡献的技术，之后再次询问是否想食用人工培养肉时，两种情况均有50％的人回答愿意尝试。

图8：2019年利用互联网针对全国20～59岁的2,000名男女实施了人工培养肉的社会接受度调查。通过提供人工培养肉的信息，回答愿意尝试人工培养肉的人出现增加。

可以说，这项问卷调查表明，即使是对人工培养肉持否定态度的人，如果能告诉他们为何这项技术很重要，以及这项技术可以改变什么等信息，人工培养肉也可能会被接受。竹内教授表示：“这个结果再次让我意识到与公众对话的重要性。截至2019年，大多数人对人工培养肉并不是特别感兴趣。如果也能向这些人普及人工培养肉的信息，我觉得人工培养肉应该会被接受。”

为此，竹内教授与女子美术大学的佐藤晓子特任副教授推进了合作项目。利用女大学生的感性，制作了传达人工培养肉信息的作品（图9）。他笑着说：“大家绞尽脑汁思考应该如何以通俗易懂的方式介绍人工培养肉。我也思考了宣传语，过程非常愉快。”另外，还与企业和相关团体举行了研究会和研讨会，竹内教授觉得人们对人工培养肉的认识和关注度正在稳步提高。

再生医疗领域和三维组织工程学是日本擅长的领域。此外，日本还有长期培养起来的和食文化和制造业文化。竹内教授就人工培养肉的未来充满期待地表示：“日本品牌的人工培养肉应该也会被全世界广泛接受。希望能利用日本的优点创造一个新的产业。”项目才刚刚起步，也离不开大众的理解和政府的支援。竹内教授坚定地表示“让我们一起实现对环境、动物和人类都友好的人工培养肉吧。”