Cell fish: il pesce cellulare

Cell fish: il pesce cellulare

di Gianluigi Negroni

La start-up californiana BlueNalu (www.bluenalu.com) ha meno di due anni eppure ha raggiunto un traguardo scientifico che molti ricercatori hanno solo sognato. Lo scorso dicembre, di fronte ad una piccola folla riunita nella baia di San Diego, gli operatori della BlueNalu hanno infatti preparato varie ricette usando una ricciola del Pacifico (Seriola lalandi) creata in laboratorio a partire da cellule muscolari di pesce (Figura 1).

L’obiettivo di aziende come Blue Nalu è quello di soddisfare la domanda di prodotti ittici risolvendo le preoccupazioni etiche e ambientali del loro consumo attraverso la cellular aquaculture (acquacoltura cellulare), un processo che non è certamente familiare ai più. I fondatori dell’azienda affermano invece che i prodotti ittici fabbricati in laboratorio non sono più innaturali, ad esempio, dello yogurt greco, che pure richiede la crescita di colture di cellule. I fi letti di Seriola BlueNalu sono molto versatili e possono essere cotti in padella, bolliti, fritti, mangiati crudi (sul sito di BlueNalu si trovano diverse preparazioni).

Un’altra start-up californiana che produce “pesce cellulare” è la Finless Food (www.fi nlessfoods.com). I cofondatori, SELDEN e BRIAN WYRWAS, biologi molecolari, si sono incontrati all’Università e si sono concentrati sulla riproduzione cellulare del tonno (Thunnus thynnus) per ragioni di conservazione della specie. Finless Food dichiara che presto produrrà Bluefi n tuna cellulare allo stesso prezzo del tonno rosso in commercio (sono in partenariato con un’impresa di Parma, la Hi-Food). Attualmente i prezzi sono molto elevati. “Isoliamo le cellule che ci interessano da animali vivi senza sacrifi carli: queste cellule devono sviluppare in fretta, effi cientemente e differenziarsi in muscolo, grasso e tessuto connettivo, per avere la medesima consistenza dell’animale originale; il tutto naturalmente, con un impatto gustativo interessante per i consumatori” si legge sul loro sito.

Agricoltura cellulare

L’agricoltura cellulare si concentra sulla produzione di prodotti agricoli da colture cellulari utilizzando una combinazione di biotecnologia, ingegneria dei tessuti, biologia molecolare e biologia sintetica per creare e progettare nuovi metodi di produzione di proteine, grassi e tessuti che altrimenti provengono dall’agricoltura tradizionale. Vi è un crescente interesse per l’agricoltura cellulare come mezzo per affrontare le sfi de legate alla salute pubblica, alla sicurezza alimentare, all’ambiente, al cambiamento climatico e al benessere degli animali; il concetto di produzione di animali acquatici da colture di cellule e tessuti sta emergendo come approccio da aggiungere ai classici sistemi di acquacoltura industriale e pesca.

Per quanto riguarda i prodotti sostitutivi della carne e del pesce, si trovano già sul mercato dei burger vegani conosciuti da una buona parte di consumatori e dotati di un buon impatto sensoriale e visivo. Tali prodotti hanno un forte appeal perché hanno un basso impatto ambientale, non incidono negativamente sulla salute cardiovascolare umana e non contengono antibiotici o altri contaminanti che potrebbero trovarsi nei tessuti animali allevati.

Ma non sono questi prodotti l’oggetto del nostro interesse, bensì “nuovi” prodotti, per i quali dovremmo arricchire il nostro vocabolario con termini quali “cellule coltivate di pesce”, “cellule di pesce”, “pesce prodotto da cellule”, “pesce da agricoltura cellulare” o “pesce pulito” (dall’inglese clean), quest’ultimo più commerciale ed accattivante. In questo articolo useremo il nome “pesce cellulare”, o cell fi sh, ma vi sono attività di Ricerca & Sviluppo anche per produzioni di crostacei e molluschi con questa tecnologia.

I sostenitori della cellular aquaculture dichiarano che i prelievi di cellule e il conseguente allevamento delle medesime venga eseguito senza uccidere il pesce; si produce in ambienti sterili senza contaminazioni e con un bassissimo impatto ambientale. Si tratta di un prodotto dichiarato altamente sostenibile. Gli sviluppi dell’ingegneria biomedica, come la produzione in bioreattori a sistema chiuso di cellule animali, hanno creato la base per la produzione su larga scala di cellule degli animali acquatici. Le tecniche di acquacoltura come la modifi cazione genetica e i RAS hanno ottenuto buoni risultati in passato. Qui presentiamo lo stato attuale dell’innovazione per lo sviluppo della produzione cellulare di animali acquatici in più specie, così come le opportunità e le sfi de specifi che che esistono per il progresso di questa tecnologia.

Gli autori di vari studi scientifi ci e le nuove start-up del settore ritengono che le proprietà fi siologiche della coltura di cellule e tessuti di pesce possano essere particolarmente adatte alla coltivazione industriale nei bioreattori. Le capacità fi siologiche delle cellule degli animali acquatici, inclusa la tolleranza all’ipossia, l’elevata capacità di resistenza a vari livelli di pH e alle basse temperature, le rendono interessanti per la produzione su grande scala, forse anche più delle colture cellulari di mammiferi ed avicoli. Questa condizione, unita alla compatibilità con i tessuti dell’esoscheletro dei crostacei come il chitosano, un comune prodotto di scarto dei crostacei e un derivato dei funghi, rappresentano una buona

possibilità per la produzione di cellule di animali acquatici nei bioreattori industriali. Si richiedono comunque ulteriori ricerche per: • una maggiore comprensione della struttura delle cellule muscolari dei pesci e della coltivazione dei loro tessuti; • ulteriori indagini sulle formulazioni di terreni di coltura più adatti alla moltiplicazione cellulare degli animali acquatici; • specifi ci bioreattori industriali adattati per le esigenze delle cellule.

Si stima che le catture della pesca industriale abbiano ridotto notevolmente il contenuto di biomassa oceanica. Gli effetti del riscaldamento globale sugli oceani minacciano ulteriormente gli stock marini. Mentre alcuni annunciano l’ascesa dell’acquacoltura come un vantaggio ecologico ed economico, altri ritengono che questa sola attività allevatoriale non possa risolvere completamente le richieste mondiali di prodotti ittici. I pesci d’allevamento carnivori sono spesso nutriti con farine di pesce selvatico, cosa considerata non sostenibile per grandi volumi di produzione necessari nei prossimi decenni. Con l’attuale sistema, l’aumento delle produzioni di acquacoltura dovrà andare di pari passo con un aumento delle catture di pesce pelagico selvatico o prodotti alternativi (scarti di lavorazione del pesce e di altri animali o amminoacidi sintetici).

Il concetto di produzione di carne e pesce da colture cellulari piuttosto che da animali vivi, come mezzo per fornire tessuto muscolare nutritivo, non è più una fantasia. Le attività pratiche si sono concentrate sulla crescita dei mammiferi o cellule di tessuti avicoli per sostituirne il tessuto muscolare, ma non si sono dimenticate le pelli e pellicce. L’agricoltura cellulare viene facilmente estesa a cellule di pesce, molluschi e crostacei e tessuti per sostituire gli animali acquatici.

Una simile produzione su scala industriale potrebbe avere vantaggi unici per mercati ancora vergini e per prodotti ad elevato valore

aggiunto come il caviale.

Attualmente i costi della produzione di carne e pesce cellulare sono molto elevati, ma si prevede che si abbasseranno quando si produrranno su scala industriale. Bisogna poi considerare la normativa sulla sicurezza alimentare e l’accettazione culturale, situazioni diffi cili da quantifi care.

LA FAO annualmente ci presenta alcune indicazioni sui trend delle catture e produzioni ittiche mondiali. L’acquacoltura ha recentemente superato la cattura marina come principale fonte di pesce per il consumo umano. Infatti, le catture marine sono costanti negli ultimi anni, stabilizzate a circa 90 milioni di tonnellate, mentre l’allevamento di pesci e crostacei è notevolmente aumentato: ciò dimostra che l’acquacoltura, pur crescendo, non ha diminuito la domanda di pesce pescato in natura. Inoltre, come già accennato, molti pesci d’allevamento dipendono dai mangimi provenienti dalla pesca. La popolazione mondiale ed i consumi di pesce sono invece in aumento. Sempre la FAO ci segnala infatti come i consumi mondiali di pesce siano in crescita: 20,5 kg pro capite nel 2020 contro poco meno di 10 kg pro capite negli anni ‘60 del secolo scorso.

Ingegneria genetica e miglioramento dell’acquacoltura

La genetica ha portato ad un notevole aumento della produzione da acquacoltura, con migliori tassi di conversione del mangime e uno sviluppo in tempi brevi per i pesci in sistemi a ciclo chiuso RAS (Recirculation Aquaculture System). Alcune carpe geneticamente modificate (Labeo rohita) crescono molto più velocemente delle loro controparti allevate tradizionalmente. Si sono create tilapia e salmoni geneticamente modifi cati. Il salmone di AquaBounty (aquabounty.com), approvato per la produzione e la vendita in Canada, si sviluppa due volte più velocemente delle proprie controparti selvatiche, con un miglior tasso di conversione del mangime. Questi pesci rappresentano allo stesso tempo un alimento formidabile ed una minaccia per l’ecosistema, quindi vengono prodotti

Selden e Brian Wyrwas, fondatori di Finless Food.

solo in sistemi chiusi e terrestri. I soggetti allevati sono solo triploidi e quindi femmine sterili. Nonostante queste misure di sicurezza, ostacoli normativi signifi cativi, uniti a pressioni legislative, hanno impedito al pesce geneticamente modifi cato di entrare nel mercato statunitense.

Produzione di animali acquatici a base cellulare

La tecnologia per la coltura cellulare o tissutale di animali acquatici si basa sui seguenti elementi integrati (Figura 2): • tipologia della cellula originata dal tessuto di origine (possono essere cellule staminali); • un mezzo di crescita per fornire le sostanze nutritive per la proliferazione e differenziazione delle cellule; • un bioreattore per supportare la crescita.

Per i tessuti tridimensionali, sarebbe necessario una struttura (scaffold) biocompatibile per la crescita e la maturazione cellulare. I bioreattori sono ambienti a sistema chiuso complessi per produrre biomasse, richiedono il monitoraggio costante (circuiti di feedback per il controllo del processo), manutenzione e ottimizzazione continua di più parametri. Necessitano di un substrato di coltura o media appropriato. Sono già utilizzati in campo biomedico per la generazione di tessuti di piccole dimensioni, soprattutto per mammiferi. Nei pesci teleostei troviamo tre tipi di muscoli: rosso, bianco e rosa. Il muscolo rosso è costituito da fi bre con alta densità di mitocondri, una ricca vascolarizzazione capillare e ha lente contrazioni. I muscoli bianchi sono a contrazione rapida, con abbondanti miofi brille e utilizzano principalmente vie metaboliche anaerobiche; sono utilizzati per il nuoto alternato e le partenze veloci. Il muscolo rosa condivide alcune delle caratteristiche del bianco che del muscolo rosso1 .

Figura 1 (fonte: www.sandiegouniontribune.com).

Metodi di prelievo cellulare Se non vi sono linee cellulari disponibili, bisogna prelevare le cellule dagli animali ed isolarle. Una possibile tecnologia di prelievo è la seguente: il pesce viene inizialmente sterilizzato in etanolo con un fazzoletto ed il campione viene rimosso con una biopsia. Il campione di tessuto è quindi digerito enzimaticamente con collagenasi o tripsina. I tessuti espiantati aderiscono alla piastra di coltura e le cellule migrano dal tessuto alla superfi cie della piastra. Le piastre possono essere rivestite con proteine per migliorare l’adesione cellulare (ad esempio, gelatina, collagene, laminina). I tessuti digeriti enzimaticamente sono in soluzioni acquose preparate, dove la digestione da tripsina o la collagenasi rilascia le cellule nel mezzo liquido. Le cellule vengono quindi risciacquate con tampone per rimuovere contaminanti e vengono fi ltrate per liberarle dai detriti residui2 .

Condizioni di coltura in ambienti extracellulari La matrice extracellulare (ECM) che forma il liquido di coltura, di cui le cellule di pesce hanno bisogno per sopravvivere e proliferare in vitro, è un’area chiave per la produzione di pesce cellulare. Nel liquido di coltura devono essere presenti tutti i fattori di crescita ed i componenti che favoriscono la proliferazione cellulare all’interno del bioreattore. Le variabili da considerare per i terreni di crescita della coltura cellulare (media) di pesce includono: concentrazione di sali, temperature costanti, fonte di carbonio, gas (anidride carbonica e ossigeno) e pH.

Coltivazione dei tessuti La coltivazione di tessuti tridimensionali si basa sulla presenza di un’impalcatura (scaffold), un materiale biocompatibile in grado di supportare la crescita e differenziazione cellulare fornendo una morfologia, struttura e modello chimico adeguati ai tessuti che vogliamo produrre. Numerosi sono i materiali che si possono utilizzare per creare la struttura dei tessuti biofabbricati come cellulosa, alginato e chitosano. Il chitosano è di particolare interesse perché è commestibile, poco costoso, accessibile e ben referenziato nell’ingegneria dei tessuti. Si tratta di un materiale derivato dalla chitina: un componente primario dell’esoscheletro d’insetti e crostacei, uno dei biopolimeri più diffusi sulla terra (insieme alla cellulosa). Può anche essere derivato da fonti non animali come funghi, alghe e lievito. A seguito dell’estrazione della chitina, la polvere di chitosano viene sciolta in una soluzione acquosa che può essere colata in una varietà di formati come membrane, idrogel e spugne su vetro o altri materiali. Il chitosano è anallergico, personalizzabile in termini di peso molecolare, approvato per il consumo umano come additivo alimentare o integratore alimentare. Viene quindi considerato molto favorevolmente per la costituzione di impalcature per la proliferazione di cellule per la produzione di cell fi sh.

L’impatto sensoriale

Vi sono opinioni differenti riguardo l’impatto sensoriale del pesce cellulare, dai sostenitori più entusiasti a pareri più pacati. Sappiamo però che è un prodotto ancora in fase di sviluppo e ci saranno numerose innovazioni prossimamente. I consumatori saranno chiamati a giudicare essi stessi le caratteristiche organolettiche del nuovo prodotto; se è lecito fare un confronto, l’hamburger vegano ha guadagnato un suo spazio di mercato. L’impatto di questo nuovo prodotto sui consumatori viene grandemente infl uenzato dalla sua sostenibilità e dal rispetto del benessere animale della sua produzione, senza ovviamente dimenticare la tipologia di preparazione, lavorazione e cottura.

Da alcuni sondaggi (Figura 3), l’interesse (very o extremely) dei consumatori indiani e cinesi per la carne vegana (plant based meat) è molto alto e sempre elevato è il loro interesse per la cell meat (lab-grow meat). Negli Stati Uniti abbiamo percentuali più basse, ma pur sempre consistenti. Il pesce cellulare potrebbe seguire i trend della cell meat. Sappiamo che in Europa siamo più tradizionalisti sul cibo e probabilmente i sondaggi sarebbero più “freddi” per questi prodotti innovativi. Ovviamente, nessuno degli intervistati ha mai assaggiato un prodotto a base di cell fish.

Conclusione

La produzione di cellule di animali acquatici è un nuovo settore che sta passando dalla fase di Ricerca & Sviluppo a quella di produzione. Dal punto di vista commerciale, la coltivazione di cellule di pesce su larga scala si traduce in grandi masse di cellule e

Figura 2 – Cell-based seafood production will require the appropriate: (1) cell line(s), (2) compatible scaffold, (3) medium, and (4) bioreactor (Edelman et al., 2005); fonte: Cell-Based Fish: A Novel Approach to Seafood Production and an Opportunity for Cellular Agriculture,

www.frontiersin.org

Ad oggi le regolamentazioni commerciali e sanitarie riguardanti il cell fi sh sono carenti e sarà necessario lavorare con le autorità competenti per creare un robusto quadro legislativo che ben inquadri i nuovi prodotti cellulari per l’alimentazione umana. Saranno opportuni test tossicologici per dimostrare la sicurezza alimentare di questi nuovi prodotti e rassicurare i consumatori al riguardo. Bisognerà quindi comunicare al pubblico quanto sopra in modo trasparente per conquistarne la fi ducia.

Figura 3 - Tessuti di pesce che possono essere commercializzati come surimi ed alla coltivazione tridimensionale del tessuto, con conseguente prodotti strutturati più simili ai filetti.

In questa prima fase di ricerca, le produzioni cellulari riguardano una nicchia di mercato e sono indirizzate a consumatori che sono interessati alle produzioni sostenibili, al benessere animale, alla composizione del cibo rispetto a particolari diete alimentari ed alla sicurezza alimentare per l’assenza di residui e contaminanti. Ma vi sono grandi progetti per produrre quantità industriali di cell meat and fi sh come quello molto futuristico del CAS (Cellular Agriculture Society, www.cellag.org) diretto da KRISTOPHER GASTERATOS che prevede una fabbrica che da sola potrebbe fornire i fabbisogni di una grande città americana.

Gianluigi Negroni

Note

1. Cellular mechanisms of postembryonic muscle growth in aquaculture species (2001), in

Johnston IA (ed), Muscle Development and Growth; Fish

Physiology 18:103-140. 2. Preparation and Culturing of

Atlantic Salmon Muscle Cells for In Vitro Studies Tone-Kari

Bibliografia

CROISIER F., JÉRÔME C. (2013),

K Oestbye (2019), Elisabeth

Ytteborg, Methods Mol. Biol., 1889:319-330.

Chitosan-based biomaterials for tissue engineering, Eur. Poly. J. 49, 780–792. DATAR I., BETTI M. (2010), Pos-

Seriola BlueNalu

photo © www.bluenalu.com