探访周子未来：细胞培养肉怎么和我们想象的完全不一样？
最接近假想中细胞培养肉的图片
图片来源：Dmytro S - stock.adobe.com
还是像植物肉一样做成夹在汉堡里的肉饼？
摄影：Puzzleman Leung；Food Art／郭于宁 Uning Kuo
图片来源：Verse
如果我告诉你细胞培养肉在培养过程中可能是一层网，你会不会大吃一惊？但事实是，在2019年中国初代细胞培养肉确实是很多“网状肉”组成的。
2019年最初中国培养细胞培养肉的过程图（目前技术已迭代）
图片来源：周子未来
FBIF曾在内部做过一次小范围调研，发现虽然大部分伙伴都表示听过细胞培养肉的名字，但对其是什么以及长什么样却给了完全不一样的回答：有的人以为就是直接长了一块鲜肉出来，要么是方形的，要么是长条形的，但总归是红色的；有的人则认为它和植物肉一样是夹在汉堡里的肉饼，颜色也变成了棕色。但当我们告诉大家初代细胞培养肉是无色无味的，甚至可能是一张“网”或者像一张摊开的纸巾时，大家的回答就只有一句“竟然是这样？！”。
所以，当大家都在问“假如细胞培养肉摆上餐桌你吃还是不吃”时，我们期望可以先讲明白细胞培养肉到底是什么这个问题。为此，FBIF内容组拜访了周子未来实验室，以期通过和周子未来CEO丁世杰博士的深入交流揭开细胞培养肉的“神秘面纱”。
周子未来CEO丁世杰博士
图片来源：周子未来
细胞培养肉是怎么“种”出来的？
细胞培养肉，是“种”出来的，也就是“以肉种肉”！
第一个“肉”是指来自于动物的细胞，第二个肉是指最终的肉类产品。对于细胞培养肉企业来说，这就是一个用细胞“造”肉的过程。
（A）醇溶蛋白支架在PBS中浸泡7天、（B）培养肌肉细胞2天、（C-D）培养5天后的形貌图；（E-F）人造肉模型。此图片仅为示例，辅助理解使用，并非周子未来研究实图。
图片来源：3D-Printed Prolamin Scaffolds for Cell-based Meat Culture，《Advanced Materials》
不过，可不要把它理解为“科技与狠活”。
关于什么是细胞培养肉，周子未来CEO丁世杰博士笑着回答我们，“动物是从一个细胞长成这样的，细胞培养肉也是从一个细胞长成这样的。它们本质上没有区别，只是生长的空间从机体变成了看起来冷冰冰的机器。我们要把细胞理解为活的生命体，那它不管是在体内还是体外都需要消化吸收以及代谢，我们做细胞培养肉的培养就是给他提供一个生长环境，让它的消化吸收和代谢维持在一个最优的条件下。”
猪各个时期的胚胎状态（仅作为示例，辅助理解使用）
图片来源：Staging of porcine embryos: Comparison of Standard Event System-based statistical clusters with a Carnegie-based staging system
所以，细胞培养肉本质上就是在生产肉，只不过是通过在体外模拟体内的生长过程来生产肉类组织。理想状态下，其生产出来的肉和经过动物屠宰所获得的肉应该是一模一样的，只是生产方式的不同。所以这也是细胞培养肉和其他人造肉产品的根本性不同，它不是在仿制，而是在生产。细胞培养肉最终的目的就是要做到和真肉一样，如果做不到，那就是技术发展还不够。
按照这个逻辑来理解，为了得到我们最终想要的肉，细胞培养肉企业的工作流程可以划为四个大步骤：
1.挑选合适的种子细胞；
2.体外通过反应器扩大培养进行种子细胞的大规模增殖；
3.通过分化模具比如3D组织工程支架来让种子细胞分化成为肌肉组织；
4.最后通过食品化加工来制作味道和营养兼具的产品。
培养肉产业化方案
图片来源：中国食品学报《培养肉的研究进展与挑战》
下文我们也将按照这个顺序展开来讲，首先，我们先来看”如何挑选种子细胞“。
1、挑选种子细胞
一般来说，肉类含有70%~75%的水、20%~22%的蛋白质，以及1%~10%的脂肪、维生素和矿物质。在这其中，优质的蛋白质便是传统肉类最重要的营养成分，所以做细胞培养肉最先要满足的也是蛋白质的供应。另外，脂肪也是肉类中很重要的一部分，在培养肉中也是需要生产的类型。所以肌肉细胞、脂肪细胞成为了细胞选择的方向[3]。
而从生产的角度来说，所选择的细胞需要具备易获取，稳定性高，能在体外持续增殖同时还能在大规模培养中分化产生肌肉、脂肪或基质蛋白中的一种或多种等特性[3]。
所以培养肉种子细胞的最低挑选要求是：易获取以及能稳定生产出来我们想要的物质。一般来说，种子细胞的选择以肌肉干细胞、脂肪间充质干细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞为主[3]。
但如果想要在生产端有更大规模的应用，种子细胞还需要具备“永葆青春”的能力，要不然培养到一半细胞衰老了，也会影响最终的产品生产。
另外，时间在细胞培养里就是金钱。更好的种子细胞、更快的培养速度都能在时间维度上降低原料的消耗量，也是降成本的道路之一。
研发人员在实验室
图片来源：周子未来
“即便不考虑成本问题，优化种子细胞也是一件必须要做的事。细胞的分裂是二分法，指数越大它的效率越高。所以细胞倍增的时间越短，证明在单位时间内获得的细胞数越多。而且这种差别会随着培养天数的增加越来越大。”丁世杰博士向我们讲解道，“假如基础细胞是2×10^2，它扩增到2×10^10的速度肯定和基础细胞就是2×10^5扩增到2×10^10的速度不一样。所以优化种子细胞是一件很重要的事情，也是这个行业的关键点。”
例如，1g幼年小猪肌肉组织中约含有10^4个肌肉干细胞，而生产1kg培养肉所需要的细胞数为10^10～10^11个。因此，单个细胞至少需要增殖10^6个才能实现用1g肉生产1kg细胞培养肉。[3]
如何低成本高效获得大量细胞，则是细胞培养肉企业的核心课题之一。
早期进行细胞培养时研发人员的操作
图片来源：周子未来
了解完种子细胞，接下来我们进入培养阶段。
2、培养基在做什么？
众所周知，细胞的生长发育离不开提供营养成分的环境，其所需的营养素和生长因子则通过培养基这个介质来提供。众多探讨细胞培养肉的文章都提到，无血清培养基都是各企业研究的重点之一，其不仅关乎成本，也关乎细胞培养肉最初的理念。
许多正在使用的培养基
图片来源：周子未来
丁世杰博士向FBIF分享道，细胞培养肉最早的理念就是要减少动物屠宰、减少动物饲养所带来的原料和环境问题。随着技术的发展，研究团队要做的就是寻找一种新型肉类的生产方式，从传统的养动物直接跳跃到养所需要的细胞，虽然生产方式不同但最终给出的产品本质是一样的。
经过相关资料的查阅，FBIF了解到胎牛血清的提取要先对怀孕9个月的母牛进行剖腹产，将胎牛拉出子宫后对其进行心脏穿刺采血，然后再分离出血清。[5]而这一过程和细胞培养肉理念中的提高动物福利以及减少动物屠宰是相悖的，这也是发展无血清培养的核心因素。
找一张可爱的小牛图帮助大家想象
图片来源：pixabay
而从实际的产品研发角度来说，血清由于来源不同，品控很难保持稳定。此外，也并非所有国家的血清都可以被使用，以胎牛血清为例，其来源需要满足没有疯牛病以及口蹄疫污染的条件，否则也会对产品的食用带来安全隐患。当细胞培养肉走向商业化，食品监管这道难关，血清就很难迈过。
周子未来自研的无血清培养基
图片来源：周子未来
不仅如此，血清售价高昂，若在未来进行规模化生产，将会成为一笔不小的成本负担。FBIF在网络上检索了胎牛血清的售价，500ml售价基本都在四位数，而一款美国胎牛血清售价则达到了500ml2100美元（折合人民币为14434.35元）。
笔者整理的网络上部分胎牛血清售价
（注：不同血清适用于不同的细胞系，笔者检索时未做此限定。）
“培养基最核心的点在于它一定是一个能支持细胞生长的营养混合物，未来也肯定不可能有血清。在这样的条件下，怎么把像氨基酸、葡萄糖、维生素等能支持细胞增殖分化的基本营养素和各种各样生长因子组合，来达到让细胞增殖得更快更好就是最后培养基所做的核心点。”丁世杰博士分析道，“另外，血清不一定是最优的培养条件。因为血清是一直在体内循环的，每个组织都会用到它来达到一个平衡。所以血清并不一定是最适合某个细胞的，但一定是让体内所有细胞都达到很合适的状态。而到了体外培养，我们要从生命科学的底层去研究——细胞到底要的是什么？它又想排出什么？了解细胞的状态，才能为它准备最合适的培养环境。然后我们会在生物反应器里去控制培养环境里的氧浓度、pH值等在一个合适的条件，假如未来可能会在培育过程中补料，都是在生物反应器里去控制。”
3、增殖：由1个变成“无数”个
细胞培养肉企业在获得心仪的种子细胞后，便需要在体外进行大规模增殖。除了要制作出最合适生长的培养基外，增殖的方式也很重要。
在增殖培养中，最开始的步骤是贴壁培养，细胞会在一层平面上培养。再往后发展，为了更高的生产效率，细胞培养肉企业们便开始想办法让细胞“悬浮”起来，此时会分为使用微载体的悬浮和没有任何支撑的“纯”悬浮。
说起什么是微载体，丁世杰博士给了我们一个很通俗的解释：如果细胞不能直接在悬浮条件下增殖，我们就要给他一个东西，让细胞趴在这个东西上面增殖。此时我们用来让细胞悬浮的东西就是微载体。
不过细胞培养肉要走向商业化，使用微载体进行培养或许并不是最佳方案。
从生产效率来说，3D立体空间能够容纳的细胞数量一定比2维平面容纳得多。对于这个问题，周子未来的孟子晴博士说了一个很形象的比喻：使用微载体的培养就好比停车场一样，多层停车场能够容纳的车辆一定比相同面积下只有一层的停车场多。每一层停车场的地面就好比微载体，停在地面上的车就好比附着的细胞。
多层停车场示意图
图片来源：Midjourney生成，生成人Viola
但是，由于每一层停车场都有一个固定高度，每一层的所有空间并不是被车辆占满的，毕竟停车不能开到别人车顶上停。
所以最高效率的生产方式就是没有任何提供支撑的微载体，通过对细胞进行驯化（驯化：类似于自然选择中的优胜劣汰。）来让其自己漂在培养基的溶液里，就像天空中自由飞翔的小鸟一样。这便是周子未来现在正在应用的动物细胞悬浮驯化技术。
正在搅拌的悬浮细胞培养生物反应器（仅为示例）
图片来源：颇尔
不仅如此，动物细胞悬浮驯化技术在商业上也有一定优势。丁世杰博士进一步向FBIF解释道，“在细胞培养的领域正常做的大小可能是5升，然后再往更大规模扩大时大家一般是做5~10倍的放大，也就是30升、50升。后面再放大5~10倍就到两三百升，以此类推。它的放大等级是因为细胞倍增的情况是确定的。在我们实际操作中，我们发现如果使用微载体进行放大会让成本以及技术处理都变得很复杂，而且是越放大越复杂，成本也会逐渐超出企业能负荷的范围。而我们前期细胞是悬浮培养的，可以相对容易地放大。”
2022年11月，周子未来实现了细胞培养肉种子细胞国内首次百升级生物反应器试生产，是国内目前唯一可以实现该规模生产的培养肉公司。截至2023年3月，周子未来已布局32项细胞培养肉领域相关的发明专利，其中国外专利1项。
视频来源：周子未来
4、分化：把细胞“变”成肉
大规模增殖完成后，细胞培养肉企业就要开始想办法让种子细胞变成所需的肌肉细胞、基质蛋白或者脂肪细胞，这就是分化。
细胞分化概念示意图，仅做示例辅助理解，不代表细胞培养肉实际分化情况
图片来源：陶术生物
但是，在真实的肉类组织中不仅有细胞还有很多血管来负责给细胞输送养分，现在的技术仍不能生产和体内肌肉一样包含血管的组织，培养基里长出来的肉也是薄薄的一层。在这个维度不同的细胞培养肉公司会按照两种思路去培养，其中一种便是使用一种叫做支架的可食用材料去辅助细胞分化。
在标准孔培养板中添加细胞和培养液之前和之后的明胶支架
图片来源：哈佛大学Luke MacQueen在FBIF2020分享《我们距离细胞培养肉上市还有多远？》
“你们可以把它理解为一块海绵，它有很多孔，细胞钻进去附着上后就会开始分化。但是因为细胞是依附在这个支架上生长，而支架上会有很多孔，所以最后长成的样子不会形成相对精细的结构，而生物体的组织肯定不会有那么多空洞。”丁博士解释道。
动物肌肉细胞在3D打印支架上生长成人造肉（仅做示例，不代表周子未来）
图片来源：西交利物浦大学
使用3D打印技术打印出的细胞培养支架（仅做示例，不代表周子未来）
图片来源：西交利物浦大学
在支架上培养的示意图（仅做示例，不代表周子未来）
图片来源：西交利物浦大学
“另外一种思路就是不使用支架，直接让细胞分化。这种产品理论上和生物体本身更接近，但是这个技术没有办法把肉做厚，只有薄薄一层。这是因为培养的组织缺少血管来输送养分，如果细胞培养的组织太厚，那么组织的中间部分就没办法生长了。”丁博士补充道。
最后，细胞培养肉公司会将这些肌肉组织一层层堆叠起来、然后添加比如食品色素或者一些风味物质来增色增味，随着技术进一步迭代，培养的组织的原本色泽和风味也会更好。
如果想要肥瘦相间的肉，则可以通过3D打印等技术来将肌肉细胞、脂肪细胞以及营养素混合并按照一定排布顺序打印成最终产品的模样。
不过也并非所有细胞培养肉最后都需要用到3D打印技术，做成什么样，还要去摸索适合呈现给消费者的产品形态是什么。但细胞培养肉企业能做到的就是，无论你想要肉块、肉糜还是肉饼，它们都能使用组织工程和食品科学与工程技术来按需生产。
3D打印的大型模拟肉（仅做示例辅助理解，不代表周子未来）
图片来源：Novameat
在问到细胞培养肉目前对真肉的还原程度怎么样时，丁博士思考了一下说“从产品的角度来说，大约70%”，离完全做出真肉还有一定差距。不过，比起初代无色无味的细胞培养肉产品来说，目前细胞肉可以做到生产含有脂肪的培养肉，生肉有传统肉类的腥味，熟制时有脂香味。
回顾整个培养流程，我们可以将目前细胞培养肉企业正在攻克的问题总结为：
1.如何低成本获取大量细胞；
2.如何制作适合生长且无血清的培养基；
3.怎样提高在不同体积反应器里的放大技术；
4.目前无法生成和生物体一样生成有血管的组织，未来如何做到和真肉1:1还原。
不过随着未来科学技术的发展，细胞培养肉可以发展生成和传统肉类在颜色、风味、质构、营养以及口感都完全一样的产品。
在前文理解完什么是细胞培养肉后，我们紧接着要思考的问题便是为什么人类未来会需要细胞培养肉？花了那么大精力、财力研究它，未来在市场上会有竞争力吗？我想，这也许是大部分观望细胞培养肉的人在思考的问题。
重新理解细胞培养肉出现的意义
据美国好食研究院（Good Food Institute）统计，截至2021年底，全球共约有107家细胞培养肉初创企业，仅2021年就新增了21家，累计吸引投资已经接近20亿美元。全球范围内，自2022年11月到2023年3月，先后有Upside Foods、Good Meat（Eat Just）公司宣布其细胞培养肉获得美国FDA批准，在细胞培养肉推向市场的过程中释放出了积极信号。
然而，在经历了去年“科技与狠活”的冲击后，真实世界的细胞培养肉似乎看起来“科技感十足”，人们很难想象吃到嘴里有嚼劲的肉未来竟然有可能是从机器的“肚子”里诞生。而消费者对于食品科技的心理戒备或许会成为细胞培养肉走上餐桌的最大拦路虎之一。
在进行思考之前，我们先从概念上达成一个共识：细胞培养肉所在的这个大的行业叫做Alternative protein，一般直译为替代蛋白，所以很多人可能会理解为细胞培养肉、植物肉以及其他的产品都是为了“替代”而存在的。但Alternative protein也有另一种翻译叫做新蛋白，对于细胞培养肉来说可以理解为一种新的供应方式，后文我们将以“新蛋白”作为底层共识进行讨论。
根据联合国经济和社会事务部2022年发布的最新版《2022年世界人口展望》报告，虽然过去几十年里全球人口增长率有所下降，但人口总量预计仍将在2037年左右超过90亿，在2058年左右超过100亿。巨大的人口基数意味着巨大的环境压力以及紧张的肉类供给。而中国不仅是一个人口大国，也是肉类消费的大国。麦肯锡《中国肉食消费市场报告》表示，2021年，我国肉类消费总量高达近1亿吨，占全球总量的27%。有60%的中国消费者不仅无肉不欢，其进一步减少食用肉类的意愿也低于欧洲国家。
各国消费者对饮食习惯的倾向
图片来源：麦肯锡
除此之外，动物福利也是细胞培养肉要解决的重要问题之一。习惯了城市生活的我们或许对于养殖场、屠宰场都只有一个模糊的概念，并不能直观想象其中的压力和困难。丁世杰博士在讨论发展细胞培养肉的背景时说道，“任何一个动物都会有自身的生存需求，比如欧盟会对动物的饲养密度和生活条件采取非常严格的限制，并且会有兽医定期检查饲养点的饲养密度是否合适。”
我们在这里以德国举例，德国是欧盟四个农业生产大国之一，其畜牧业生产非常发达。在德国，养牛需要给牛放假，养鸡和养猪都需要保证基础活动空间[4]，例如，体重在50到110公斤之间的育肥猪必须有0.75平方米的活动空间；一平方米的地面上可养殖16到23只肉鸡。
德国鸡笼饲养、室内圈养和有机饲养三种方式的占地空间
图片来源：农业农村部对外经济合作中心
当我们将环境压力以及动物福利考虑在内时，对比人口基数的快速增长来看：肉，势必是不够吃的。
此时我们再将视线放到细胞培养肉上就会发现它要做的不是替代掉谁，而是补充未来肉类蛋白供应的增量市场，来满足肉以及肉制品上的消费需求。从这个角度上来说当细胞培养肉解决技术及成本问题后，走向市场的过程并没有想象中的难。
沿着这个思路向下探索，也不难理解国内外细胞培养肉企业的研发逻辑。丁世杰博士分享道，在中国现有的肉类供应格局中，约有6份猪肉3份鸡肉和1份牛羊肉，猪肉和鸡肉本身的市场体量很大，消费需求旺盛。其次如果出现了猪瘟或者禽流感对养殖行业的杀伤力会很大，价格波动性也会很大。对于周子未来来说，猪肉的市场无比庞大，这也是他们选择猪肉的原因。
数据来源：中商产业研究院数据库
图片来源：中商产业研究院
另外一种选择方式是挑选具有稀缺性的市场，比如牛羊肉和海鲜，消费者对其价格敏感性也相对较低。不过从技术层面的角度来说，选择哪一种肉进行培养难度没有明显差异，主要区别就是不同细胞的培养需要不同的营养和生长条件。
除了环境、动物福利等宏观因素外，我们也可以从产肉的效率角度来理解细胞培养肉的意义。
关于效率问题，丁博士用第一性原理来解释，也就是回归事物最基本的条件，将其拆分成各要素进行解构分析从而找到实现目标最优路径的方法。“这其实有点合成生物学的概念，我们要找一个最好的、最简单的宿主去生产需要的东西。比如，我们需要花青素这个成分，过往我们需要养很多的植物，然后把它捣碎再提取。但现在我们可以利用合成生物学直接生产花青素，不用养植物，直接合成这个成分。这种方式肯定是效率最高的，这也是细胞培养可以完成的工作。我们不用因为想吃猪肉而花很长的时间去养殖、屠宰再加工，我们可以直接通过养细胞在很短的时间里获得我们要的东西，而且还能排除养殖中可能存在的病毒感染风险，这是细胞培养的生产链优势。”
细胞培养肉和传统畜牧业的对比
图片来源：周子未来
细胞培养肉是一个技术持续发展的行业，我们也需要用发展的眼光看待它。或许在过去以及现在细胞培养肉还没有办法做到最理想的状态，但是在未来它仍然是一个会给肉类供应格局带来颠覆性改变的行业。
结语
本次探访周子未来的实验室给了FBIF团队很大震撼，细胞培养肉这个概念虽然是应用在食品领域里，但其和传统的食品生产有着较大区别。在这个领域里，细胞培养肉企业在做的不仅仅是怎么做出一块肉来，还有对生命科学的理解和探索。
希望本篇文章能带给您对细胞培养肉的全新体验和认知。您有什么关于细胞培养肉的想法，欢迎在下方评论区与我们交流！
参考来源：
[1] 八十亿人口—人类与地球的无限可能，联合国，2022年11月4日
[2] 周光宏，丁世杰，徐幸莲，培养肉的研究进展与挑战，中国食品学报，2020年5月
[3] 丁世杰，李春保，周光宏，细胞培养肉技术及产业化进展与挑战，中国食品学报，2022年12月
[4] 德国畜牧业， 农业农村部对外经济合作中心，2020年6月30日
[5] 胎牛血清（FBS）的基础知识与提取方法，Biobw，2020年8月31日
[6] 新加坡国立大学黄德建教授团队 AM：用细胞培养的猪肉片 - 可食用微米级“猪栏”的3D打印制造与人造肉培养技术，高分子科技，2022年10月30日
本文作者：Viola（微信：violasimba）
调研：Maomao、Dudu、Kiki
采访：Viola、Mote
审核：Bobo、Yanyan
校对：Vino
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