Энтомокультура
 | Эта статья написана как личное размышление, личное эссе или аргументативное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлен оригинальный аргумент по определенной теме. ( январь 2021 г. ) |
Энтомокультура — это отрасль клеточного сельского хозяйства , которая занимается производством тканей насекомых in vitro . [ 1 ] Он основан на принципах, более широко используемых в тканевой инженерии , и имеет научное сходство с векторами экспрессии бакуловирусов или мягкой робототехникой . [ 2 ] Эта область была предложена главным образом из-за ее потенциальных технических преимуществ перед клетками млекопитающих в производстве культивируемого мяса. [ 1 ] Название поля было придумано Натали Рубио из Университета Тафтса . [ 1 ]
Процесс
[ редактировать ]Энтомокультура функционирует по тем же принципам, что и клеточное сельское хозяйство в целом. Во-первых, эмбриональные клетки происходят от насекомого. Эмбриональные стволовые клетки являются тотипотентными клетками, то есть они сохраняют способность дифференцироваться в любой или во все виды специализированных клеток. Эти клетки могут быть взяты либо из первичных культур (непосредственно от животного), либо из криоконсервированных вторичных культур. [ 1 ] Эти стволовые клетки затем погружают в культуральную среду , чтобы они могли пролиферировать. Культуральные среды состоят из базальных сред, которые представляют собой композицию различных питательных веществ, необходимых для роста клеток. Эта смесь диффундирует в клетку, и как только она потребляет достаточное количество, она делится, и популяция умножается. Для оптимизации роста в эту питательную среду обычно добавляют другие белки и факторы роста . Такие добавки часто производятся путем производства рекомбинантного белка — трансляции соответствующих генов в бактерии, которые затем ферментируются для производства нескольких копий белка. Пролиферированное количество стволовых клеток затем можно посеять на каркас для создания более крупной композиции или поместить непосредственно в биореактор . Биореактор воспроизводит характеристики окружающей среды, которые в противном случае можно было бы имитировать in vivo , включая температуру и осмолярность, чтобы способствовать дифференцировке клеток в мышечную ткань. [ 3 ]
В биореакторе стволовые клетки подвергаются миогенезу — дифференцировке в мышечную ткань. Это сложный процесс, включающий образование клеток-основателей и компетентных к слиянию миобластов. Около 4–25 компетентных к слиянию миобластов затем сливаются с одной клеткой-основательницей, образуя многоядерные миофибриллы, которые вместе становятся личиночными мышцами. [ 4 ]
Когда мышечная ткань развивается in vivo , личиночная мышца разрушается в ходе метаморфоза. Аналогичный процесс происходит с участием предшественников взрослых мышц, которые используют старую личиночную мышцу в качестве шаблона для создания зрелой мышцы. Однако этот процесс не имеет существенного значения при культивировании in vitro , поскольку развитие останавливается до метаморфоза. [ 4 ]
Сравнение с культурой клеток млекопитающих
[ редактировать ]Что касается культивированного мяса, энтомокультура была предложена в основном из-за ее потенциальных преимуществ перед культурой клеток млекопитающих. Такие преимущества можно объяснить различиями в биологии между двумя типами клеток, которые позволяют клеткам насекомых переносить условия, более благоприятные для промышленного производства. [ 1 ]
Температура . Клетки млекопитающих, развивающиеся in vivo, инкубируют при 37 градусах Цельсия. Моделирование такого теплого климата в биореакторе требует затрат энергии, что увеличивает производственные затраты. Ткани насекомых можно выращивать в больших масштабах при комнатной температуре или ниже практически без каких-либо препятствий для развития клеток. [ 1 ]
Условия культуры . Когда клетки млекопитающих переваривают и метаболизируют глюкозу, они производят побочные продукты, такие как молочная кислота , которые накапливаются и подкисляют среду клетки. Способность клеток усваивать питательные вещества зависит от pH среды — для оптимального роста он должен находиться в определенных пределах. Накопление молочной кислоты приводит к ухудшению условий роста клетки. Таким образом, среду необходимо «сбалансировать», что обычно достигается путем замены всей культуральной среды каждые 2–3 дня. Однако насыщенные питательные среды все еще могут содержать жизнеспособные питательные вещества, что делает эту практику расточительной и дорогой. Клетки насекомых частично обходят выработку лактата, но также устойчивы к более кислой среде. При сравнении роста клеток насекомых при pH 5,5, 6,5 и 7,5 была отмечена незначительная разница. [ 5 ] В результате среды в культурах насекомых можно заменять с интервалом до 90 дней. [ 5 ] Ситуация усугубляется тем фактом, что клетки насекомых не истощают добавленные питательные вещества так быстро, как клетки млекопитающих. Они потребляют триглицериды , глюкозу и белки медленнее, что позволяет предположить, что у них более эффективные метаболические пути. Кроме того, культуры клеток насекомых обычно загрязнены липидными клетками, называемыми трофоцитами или вителлофагами, которые являются предшественниками клеток яичного желтка насекомых. Эти клетки являются естественным источником жира, который могут потреблять другие клетки насекомых. [ 1 ]
Осмолярность . Клеткам млекопитающих для роста также требуется относительно точное количество углекислого газа и кислорода — поэтому в культуры обычно добавляют дополнительные 5% углекислого газа. Насекомые могут обойтись без этой добавки. [ 1 ]
Бессывороточные питательные среды . Культуральные среды являются инструментальной частью клеточного сельского хозяйства и создания культивируемых тканей, поскольку именно они позволяют ученым начать с относительно небольшого образца стволовых клеток животных и в конечном итоге получить достаточное количество для создания целой ткани. Для размножения клетке необходимы не только необходимые питательные вещества и макромолекулы, но и факторы роста. Когда клетки млекопитающих растут in vivo , эти факторы роста поступают из крови животного. Чтобы повторить это, культуральная среда обычно состоит из базовой смеси, дополненной дополнительными факторами роста. Базальная среда составляет основную часть культуры и содержит большую часть питательных веществ, тогда как факторы роста добавляются в следовых количествах. В результате естественной отправной точкой является объединение фетальной бычьей сыворотки (FBS) с питательной средой. [ 1 ]
FBS вызывает несколько споров, поскольку его получают из крови плода молочной коровы. Две проблемы заключаются в том, что: а) оно зависит от животных, что противоречит цели клеточного сельского хозяйства, и б) дорого, поскольку оно недоступно. Кроме того, с научной точки зрения химический состав FBS не определен, а это означает, что его состав варьируется у разных животных. В целях последовательности исследования это нежелательно. Идеальная питательная среда проста, может стимулировать размножение, не зависит от животных, доступна и дешева. Однако, поскольку клетки млекопитающих зависят от сложного набора факторов роста, поиск культуральной среды, удовлетворяющей всем пяти критериям, является постоянной проблемой. С другой стороны, клетки насекомых являются биологически более простыми организмами, чем млекопитающие. Они содержат жидкость, называемую гемолимфой, а не кровь, поэтому они не зависят от тех же факторов роста, что и клетки млекопитающих. Вместо этого в среде для клеток насекомых обычно используется базальная среда (такая как среда Игла, среда Грейс для насекомых или среда для дрозофилы Шнайдера), в которую добавляют добавки растительного происхождения, такие как дрожжевой изолят, приматон RL, гидролизаты, плюроновые липиды и пептиды. [ 1 ] [ 6 ]
Суспензионные культуры . Когда мышечные клетки млекопитающих растут in vivo , фундаментальная часть их пролиферации зависит от их прикрепления к внеклеточному матриксу (ECM). Чтобы воспроизвести эту взаимосвязь, клетки млекопитающих обычно культивируют в прикрепленных монослоях — культурах, в которых клетки растут на подложке слоями толщиной всего в одну клетку. Это требует использования биореакторов с большой площадью поверхности, что при масштабировании до промышленного уровня неосуществимо. Альтернативой является использование микроносителей , которые представляют собой небольшие кусочки материала, плавающие в культуральной среде, чтобы увеличить общую площадь поверхности, к которой могут прикрепиться клетки. Это также приводит к необходимости васкуляризации . При выращивании клеток млекопитающих в адгезивных культурах клетки, не находящиеся в прямом контакте с культуральной средой, перестают расти, образуя некроза центры . В отличие от клеток млекопитающих, клетки насекомых также способны расти ни к чему не прикрепленными или в суспензионных культурах . Это означает, что биореакторам не нужна большая площадь поверхности, и вместо этого их можно изготавливать в гораздо более практичных формах. [ 1 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Рубио, Натали Р.; Фиш, Кайл Д.; Триммер, Барри А.; Каплан, Дэвид Л. (17 апреля 2019 г.). «Возможности использования искусственно созданных тканей насекомых в качестве источника пищи» . Границы устойчивых продовольственных систем . 3 . дои : 10.3389/fsufs.2019.00024 . ISSN 2571-581X . S2CID 116877741 .
- ^ Иконому, Л.; Шнайдер, Ю.-Дж.; Агатос, С.Н. (2003). «Культура клеток насекомых для промышленного получения рекомбинантных белков» . Прикладная микробиология и биотехнология . 62 (1): 1–20. дои : 10.1007/s00253-003-1223-9 . ISSN 0175-7598 . ПМИД 12733003 . S2CID 23929531 .
- ^ Датар, Иша; Бетти, Мирко (2010). «Возможности системы производства мяса in vitro» . Инновационная пищевая наука и новые технологии . 11 : 14–18. дои : 10.1016/j.ifset.2009.10.007 .
- ^ Jump up to: а б Гунаге, Раджеш Д.; Дханьяси, Нагараджу; Райхерт, Генрих; Виджай Рагхаван, К. (2017). «Развитие и регенерация мышц взрослых дрозофил» . Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 72 : 56–66. дои : 10.1016/j.semcdb.2017.11.017 . ISSN 1096-3634 . ПМИД 29146144 .
- ^ Jump up to: а б Рубио, Натали Р.; Фиш, Кайл Д.; Триммер, Барри А.; Каплан, Дэвид Л. (11 февраля 2019 г.). «Мышцы насекомых in vitro для применения в тканевой инженерии» . ACS Биоматериалы, наука и инженерия . 5 (2): 1071–1082. doi : 10.1021/acsbimaterials.8b01261 . ПМИД 33405797 . S2CID 92606475 .
- ^ Иконому, Л.; Бастин, Г.; Шнайдер, Ю.Дж.; Агатос, С.Н. (2001). «Разработка эффективной среды для роста клеток насекомых и продукции рекомбинантных белков» . Клеточная биология и биология развития in vitro. Животное . 37 (9): 549–559. doi : 10.1290/1071-2690(2001)037<0549:doaemf>2.0.co;2 . ISSN 1071-2690 . ПМИД 11710429 .