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生物科技

培養皿裡的人造肉

2016-01-01 巴托勒特(Jeffrey Bartholet)
科學家正設法滿足人類對食用肉類不斷增加的需求,同時不破壞地球環境。他們的首要任務是在實驗室裡培養食用肉。

重點提要

  1. 實驗室製造的肉不但能做為高蛋白食物來源,也能避免大規模畜牧引起的環境和道德爭議。
  2. 不過,因為科學家很難爭取到相關的研發經費,使得人造肉的研究進展相當緩慢。
  3. 其中一個有潛力的方法是取得牲畜的胚胎幹細胞,大量培養後再誘導轉形成肌肉細胞。
  4. 不過即使這項研發成功了,仍然有些人質疑大眾是否能接受實驗室生產的人造肉。

對夢想家來說,一頭熱很平常,范艾倫(Willem van Eelen)也不例外。已經87歲的范艾倫有著不平凡的一生,他出生於荷蘭殖民時期的印尼,父親是一名醫生,成立了一間麻瘋病患收容所。范艾倫10幾歲時加入第二次世界大戰,對抗日本人,在戰俘營待了好幾年,日本獄卒視戰俘為奴隸並讓他們挨餓,范艾倫回憶:「如果有流浪狗笨到穿越鐵絲網,戰俘們會撲向牠,支解並生吃。我餓到前胸貼後背,幾乎快死了。」這些經驗讓他一輩子都著迷於食物、營養和生存的科學。


這些執著其實互相有關聯。同盟國解放印尼後,范艾倫在荷蘭阿姆斯特丹大學研讀醫學,有位教授向學生示範如何在實驗室培養出一小塊肌肉組織,激勵了范艾倫思考能否不經由畜養及宰殺動物,就能得到食用肉,這樣無論在哪種氣候或環境下,都能像種植穀物一樣,獲得富含蛋白質的肉品。


直到如今,要說有什麼不一樣,就是這個構想更貼近現實了。1940年全世界人口只有20幾億人,全球暖化議題也沒有受到關注,現在居住在地球上的人口已達三倍多,根據聯合國糧食及農業組織(FAO)2006年的報告,畜牧業約佔人為溫室氣體排放總量的18%,比交通運輸還高,FAO預估2002~2050年,全世界肉類的消耗量將加倍。


相較於畜養牲畜,利用生物反應器製造肉品有助減輕地球的負擔。英國牛津大學的博士候選人托米士托(Hanna Tuomisto)在2010年發表論文,探討人造肉可能造成的環境影響,該研究發現,如果科學家利用藍綠菌(一種可大量培養的細菌)的水解液生產肌肉細胞,「比起歐洲傳統生產肉品的方法,大約能降低35~60%的能源消耗、減少80~95%的溫室氣體排放,也減少98%的土地利用。」


目前地球上未被冰雪覆蓋的陸地中,有30%用來畜牧和種植飼料穀物,如果人造肉可行,這些土地可另做他途,包括種樹來減碳;而肉品製造地點可接近消費者,不需全球運輸,有些支持者想像,城市裡可有小型人造肉實驗室,在街道商店販賣符合「在地食物」概念的產品。


最後的選擇

甚至連英國前首相邱吉爾也覺得人造肉是個好點子,他在1932年出版的《思想與冒險》(Thoughts and Adventures)中預測:「50年後,我們應該能避免畜養一隻雞只為了食用雞胸肉或雞翅膀這種荒謬的事,也許可以利用適當的生長液分別培養這些部位。」然而整個20世紀,很少人認真思考這個可能。范艾倫是個特例,他做過各種工作,包括送報、開計程車、製作玩具屋,也創立了一個幫助弱勢兒童的組織,並經營畫廊與咖啡館。他寫下生產人造肉的計畫,最後投入大部份財產申請專利,與另外兩人在1999年共同獲得荷蘭專利,接著取得歐洲國家的專利,最後也拿到兩個美國專利。在2005年,他與同伴終於說服荷蘭經濟部投資200萬歐元進行人造肉研究,這也是目前為止政府對這類研究最大的資助金。


當時,美國的科學家已經在實驗室成功培養出一片魚肉。由於美國航太總署(NASA)想開發外太空航行時的食物來源,班傑明森(Morris Benjaminson,目前是美國紐約杜魯學院榮譽教授)利用NASA的少許贊助,取出金魚的骨骼肌在體外培養,再由助理將培養後的骨骼肌浸在橄欖油、蒜末、檸檬和胡椒粉裡,裹上麵包屑後油炸。班傑明森說:「我們有一組女性同仁負責視覺和嗅覺測試,看來它的外觀與氣味和我們在超級市場買的魚沒什麼不同。」不過NASA顯然認為有更容易的方法提供太空人在外太空航行時的蛋白質,拒絕繼續資助進一步的研究。


荷蘭政府的補助由范艾倫和荷蘭烏特列茲大學的哈革斯曼規劃使用,他們成立一個協會,目標是使牲畜的幹細胞能夠生長,並誘導成骨骼肌細胞。這個團隊包括斯特格曼肉品公司(後來被歐洲莎莉集團併購)的一位代表,和荷蘭三所大學的科學家,每所大學的科學家從不同的面向研究人造肉:阿姆斯特丹大學著重在研發有效的生長液,烏特列茲大學從事幹細胞分離,讓它們分裂並誘導成為肌肉細胞,愛因荷芬科技大學則企圖「訓練」這些肌肉細胞長得更大。


這些科學家做出一些成果,他們能在實驗室培養出小塊肌肉組織,看起來就像扇貝,吃起來則有槍烏賊的咬勁,不過要商業量產還有許多困難。協會裡代表斯特格曼肉品公司、後來成為公司顧問的佛斯特拉說:「我們獲得許多知識,但仍無法利用培養皿創造嚐起來像丁骨牛排的東西。」隨著時間過去,荷蘭政府的研發經費也用完了。


現在范艾倫對參與該計畫的科學家感到氣惱,認為其中一人很「愚蠢」,而其他人則搾取他和荷蘭政府的資金,他說:「我不知道他們這四年裡到底做了什麼,他們只是不斷討論、一再討論,然後每年花掉更多的經費。」但參與研究的科學家認為,范艾倫一直不了解這個挑戰的難度,參與計畫的烏特列茲大學細胞生物學家羅倫(Bernard Roelen)表示:「他的點子非常天真,以為只要將肌肉細胞放進培養皿,細胞就會生長;就像把經費投入計畫中,幾年後就能得到期待的肉品。」


范艾倫不是唯一夢想革命成功的人。2005年《紐約時報》報導:「幾年後,可能有實驗室培養的肉品製作成香腸和肉餅進入市場。」這篇報導出現的幾個月前,研究人員才首次在《組織工程學》發表商業生產人造肉的展望文章,作者之一馬瑟尼(Jason G. Matheny)創辦了倡導人造肉的機構「新收獲」(New Harvest),他可能是最了解當中挑戰的人,他說:「目前培養人造肉實在是非常困難,也非常昂貴。為了迎合市場喜好,我們主要得解決會增加人造肉成本的技術問題。」他指出,這些研發需要經費,很少有國家或組織願意持續投入所需的資金。


對於參與的科學家來說,這些失敗是因為缺少遠見。荷蘭馬斯垂克大學生理系主任波斯特(Mark J. Post)表示:「我認為人造肉是未來唯一的選擇。我對此非常肯定,我看不出未來幾十年我們還能持續依靠傳統的畜養方法。」



整合的必要


理論上,人造肉可能必須有以下的製造流程:首先,技術人員從豬、牛、雞或其他動物身上分離胚胎幹細胞或成體幹細胞,再用來自植物或微生物的生長液在生物反應器培養這些細胞。幹細胞持續分裂數個月後,技術人員再誘導細胞分化成肌肉細胞(而非骨骼或腦細胞)。最終肌肉細胞還需要「增大」,就像動物利用運動強化肌肉一樣。


目前整個流程的每個步驟都是挑戰,其中之一是培養出可長時間持續分裂而不會突然主動分化的幹細胞株,另一挑戰是確保誘導幹細胞分化時,絕大部份的幹細胞都轉變成肌肉細胞。羅倫說:「假設想要讓10個幹細胞分化,我們希望至少有7~8個細胞轉變成肌肉細胞,而非只有3~4個,我們現在的效率是50%。」


烏特列茲大學的科學家嘗試從豬隻分離並培養胚胎幹細胞株。在正常情況下,這種細胞可在長時間內每天分裂一次,只要10個細胞,經過兩個月就能成為五萬多公噸的肉品。烏特列茲大學團隊在2009年的報告指出:「培養幹細胞可能是理想做法,因為這種細胞幾乎擁有永久自我更新的能力,理論上只要一個細胞株就足夠養活整個世界。」


然而直到現在,科學家只發展出小鼠、大鼠、恆河猴和人類的胚胎細胞株,而來自牲畜身上的胚胎細胞則會依照發育程序,快速分化成特定的細胞型態,烏特列茲大學研究團隊的報告指出,豬隻細胞常常朝向「神經類」的細胞發育:形成腦部,而非培根。


烏特列茲大學也進行成體幹細胞的研究,這種細胞的優點是大致上已經設定發育方向,它們有著特殊的功能並存在於骨骼肌以及身體其他地方,可以在組織受傷或死亡時進行修補工作。所以如果想製造人造肉,期望幹細胞最後必定會轉變為肌肉細胞,來自肌肉組織的成體幹細胞應該會有不錯的成果。然而,科學家現在還無法讓這種細胞像胚胎幹細胞一樣快速繁殖。


成本也是另一個挑戰。用來培養幹細胞的生長液非常昂貴,羅倫估算,利用目前的生長液,一公斤肉的成本要10萬美元,而且最有效的營養液還是來自屠宰動物:幼牛或幼馬的血清。這幾年科學家發展出不含動物成份的「化學培養基」配方,他們利用DNA重組技術,讓植物細胞生產可用來培養肉品的動物蛋白,不過這兩種生長液都太貴。另一種源自藻類的生長液可能成效最好,因為藻類能製造維持細胞生存的蛋白質與胺基酸,但成本還是太高。


一旦研究人員能大量生產肌肉細胞,還需要保持細胞活性並讓它們變大,目前已經能製造薄條狀組織,但是如果組織變厚,有一些細胞層會開始死亡,這些細胞需要不斷獲得新鮮的養份才能存活。在身體裡,是由血液傳遞養份,同時也能移除廢物,波斯特正在研發一種三維系統來傳遞養份。


波斯特也在測試如何能讓肌肉細胞變大,他解釋:「如果我們骨折後拆掉石膏,那情況會很嚇人:肌肉都不見了,但是幾個星期後它們就會長回來。我們需要複製這個過程。」身體利用幾種方法達成這個目標,包括運動。以實驗室的環境來說,科學家可以利用電脈衝刺激肌肉組織,但是這個方法很昂貴且沒有效率,大概只能讓肌肉細胞增大10%。另一個方法是單純提供支撐點,一旦細胞能附著在不同位點,就能靠自己發展出張力。波斯特利用能隨著時間分解的醣類聚合物做成骨架,但是現階段他表示:「我們還未能製造健美先生的肌肉細胞。」


他心裡還有另一個自認可能是最棒的方法,但是也更複雜。身體通常會釋放小量化學物質(例如乙醯膽鹼)來刺激肌肉成長,這種化合物很便宜,也是該策略吸引人的原因之一。波斯特說:「訣竅是給予非常短暫的刺激。」這個挑戰是技術而非科學層面。


當然,要突破每個步驟都需要經費。2008年人道對待動物組織(PETA)提供100萬美元,給2012年以前第一個可以提供商業人造雞肉的個人或團隊,但這只是個噱頭,對於目前真正需要經費做研究的科學家沒有用處。不過最近荷蘭政府審慎評估後,提供約80萬歐元給烏特列茲大學繼續幹細胞研究,這個新計畫為期四年,也開啟了和人造肉相關的社會與道德議題研究。


大眾的排斥


有些人認為社會接受度是人造肉商業發展最大的障礙,托米士托說:「當我跟科學家討論人造肉的時候,他們都認為這是很棒的點子。可是當我跟非科學界的人談論,他們非常害怕。聽起來似乎有點可怕,但是基本上它們都是肌肉細胞,只是用不同的方式生產罷了。」


荷蘭瓦荷寧罕大學的范德維爾(Cor van der Weele)主導荷蘭這項新研究的哲學領域(例如人造肉是合乎或違背道德,或是兩者都有),她對於有些民眾對人造肉的情緒化反應很感興趣,她說:「我們稱之為『排斥反應』,一開始他們覺得這可能是遭受污染或噁心的東西。」


不過范德維爾的觀察是,這些認知可能很快就會改變。她指出,大眾常常將人造肉與另外兩個概念混在一起,一個是歐洲常見的基因改造食品,認為是要壟斷肉品供應的危險合作計畫,另一個則是對工廠化畜養場裡的疾病與不人道對待動物的負面認知。一旦民眾了解人造肉非基因改造,也是乾淨又人道的肉品替代工廠,她表示:「那些非常負面的恐懼反應通常一下子就消失了。」


當然,這些觀察只是題外話。荷蘭的研究會詳細評估大眾對人造肉的反應(包括比較不同地區與文化的反應),也會決定該採取何種平台讓消費者對人造肉產生興趣。支持者期待政府有一天可對畜牧場生產的肉品課徵環境稅,或者消費者會傾向選擇外裝標示「不殘忍」的人造肉。


波斯特說:「我不認為大眾想知道美國大部份屠宰場的衛生條件或是牲畜安樂死的效率。」他在美國哈佛大學和達特茅斯學院待了六年後,於2002年回到家鄉荷蘭。要是又有疾病爆發(例如狂牛症或禽流感),也許會讓人造肉更容易下口。羅倫說:「其實我們並不了解自己吃的食物,當我們吃漢堡時,也不會想到自己是在吃『牛的屍體』。因為民眾已經如此不了解自己吃的東西,不難想像他們終究也會接受人造肉的。」


波斯特正執行一個大膽的計畫來吸引新的研究資金——他的目標是製造人造肉香腸,只為了證明它是可行的。他預估將需要30萬歐元,由兩個博士班學生利用三個培養箱進行六個月的工作。波斯特說:「我們會從豬身上取得2~3個生物檢體,從中取得約一萬個幹細胞。在經過20代的繁殖之後,我們將會得到100億個細胞。」學生會用到3000個培養皿來培養很多小塊的豬肌肉組織,接著蒐集這些組織,並混合香料和其他給予特定口味與質感的非動物製材料,再製作成形。最後,科學家就可以在提供幹細胞的活豬旁邊,展示香腸成品。


波斯特說:「基本上這是個取得更多研究經費的花招,試圖向全世界證明我們真的可以用這個方法產生肉品。」羅倫提到:「不過它吃起來像真的香腸嗎?我相信是的,大部份雞塊或香腸的味道都是人工調味的。鹽和所有其他內含物都是為了增加風味添加的。」


認定自己是「人造肉教父」的范艾倫並不支持這個香腸製造計畫。他是個頑固的樂觀主義者,認為啟動人造肉革命最重要的是做出看起來、聞起來和嚐起來就像民眾在市場買來的肉。范艾倫也許已了解要實現他一生追尋的夢想,時間已經不夠。羅倫說:「每次和他談話時,他都在談論他資助的另一名頂尖科學家,將能夠解決他的問題。我了解他的觀點,但是我沒辦法改變宇宙的法則。」


# 關鍵字:生物科技人造肉
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