La producción de carne cultivada busca obtener tejido animal sin necesidad de criar y sacrificar un animal completo, y para conseguirlo, las células se cultivan en condiciones controladas y se estimula su crecimiento hasta formar tejido muscular que puede utilizarse en productos no estructurados, como carne picada o preparados similares.
Sin embargo, la producción de filetes de carne cultivada es mucho más complicada que producir carne picada, ya que un filete necesita una estructura tridimensional organizada con diferentes tipos de células y un sistema capaz de aportar oxígeno y nutrientes. En este contexto, un estudio publicado en Nature Communications ha investigado el uso de células madre embrionarias bovinas para generar de manera conjunta músculo, neuronas y células endoteliales, es decir, células relacionadas con la formación de los vasos sanguíneos.
Actualmente, una de las fuentes utilizadas para producir carne cultivada son las células obtenidas de animales adultos, como las células satélite musculares y las células madre mesenquimales (tipo de células madre que se encuentran en tejidos como la médula ósea). El problema es que estas células tienen una capacidad limitada para multiplicarse durante periodos prolongados, y la capacidad para transformarse en distintos tipos celulares también es más reducida.
En cambio, las células madre embrionarias son pluripotentes, es decir, que pueden multiplicarse durante largos periodos y diferenciarse en distintos tipos de células. El estudio apunta que esta característica podría proporcionar una fuente celular más estable para la producción de carne cultivada. Además, las células madre embrionarias bovinas no requieren el proceso de reprogramación utilizado para generar las células madre pluripotentes inducidas, conocidas como iPSC.
Esta capacidad de proliferación resulta especialmente interesante para una futura producción a gran escala y, de hecho, el propio estudio destaca que ya se ha demostrado la posibilidad de cultivar células madre embrionarias bovinas en biorreactores agitados a gran escala. Este tipo de biorreactores son recipientes donde se cultivan las células mientras el medio de cultivo se mezcla continuamente para favorecer una distribución adecuada del oxígeno, los nutrientes y las células.
El principal problema de la carne cultivada no consiste solo en conseguir células musculares, ya que para fabricar un producto que se parezca a un filete convencional es necesario reproducir una estructura mucho más compleja. En un músculo animal existen diferentes tipos celulares que trabajan conjuntamente, y también hay vasos sanguíneos que proporcionan oxígeno y nutrientes, así como estructuras nerviosas que participan en el funcionamiento y desarrollo del tejido.
En los métodos convencionales de producción de carne cultivada, estos diferentes componentes suelen producirse por separado y después son ensamblados mediante técnicas de ingeniería de tejidos. Entre las posibilidades se encuentra la bioimpresión, el uso de andamios comestibles o la utilización de módulos de hidrogel que contienen células musculares. El nuevo estudio plantea una alternativa, la de conseguir que diferentes tipos celulares procedan de una misma población de células madre embrionarias, y que posteriormente se organicen por sí mismas.
Los investigadores desarrollaron un procedimiento para dirigir las células madre embrionarias bovinas hacia diferentes destinos. Primero las hicieron pasar por una etapa denominada mesodermo paraxial presomítico o PSM, una fase relacionada con el desarrollo embrionario del músculo. A partir de esta etapa, las células fueron estimuladas para convertirse progresivamente en células musculares.
Los primeros marcadores de células musculares aparecieron alrededor del sexto día; posteriormente, y alrededor del décimo día, empezaron a observarse fibras musculares. Estas fibras tenían sarcómeros, unas estructuras responsables de la organización contráctil del músculo, que alcanzaron su máximo desarrollo entre los días 14 y 15.
Lo que resulta especialmente interesante es que los investigadores no se limitaron a generar músculo, también consiguieron inducir neuronas y células endoteliales, que son las células que forman el revestimiento de los vasos sanguíneos. De esta manera, diferentes componentes del tejido aparecieron a partir de una misma estrategia de diferenciación. Hay que decir que la formación de redes de células endoteliales es uno de los aspectos más importantes del estudio, ya que cuando un tejido aumenta de tamaño, las células situadas en su interior necesitan recibir oxígeno y nutrientes, y en un organismo vivo esta función la realiza el sistema circulatorio.
Los investigadores han conseguido que las células endoteliales formaran redes semejantes a estructuras vasculares dentro de los tejidos. Estas redes comenzaron a aparecer aproximadamente al octavo día y aumentaron su número de ramificaciones hasta los días 14-15. Las células musculares quedaron organizadas en pequeños dominios rodeados por estas estructuras endoteliales. Se trata de un resultado importante, ya que uno de los grandes obstáculos para fabricar un filete grueso consiste precisamente en conseguir que el oxígeno y los nutrientes lleguen al interior del tejido y, sin un sistema de transporte adecuado, las células del centro de una estructura grande no podrían mantenerse correctamente.
Por tanto, conseguir redes endoteliales dentro del tejido representa un paso hacia la fabricación de estructuras más complejas, aunque todavía no significa que los investigadores hayan conseguido crear vasos sanguíneos completamente funcionales y capaces de transportar líquido, oxígeno y nutrientes por el interior de un filete de tamaño comercial.
El estudio también integra neuronas en el tejido muscular; las fibras musculares obtenidas mostraron oscilaciones de calcio que respondían a señales procedentes de las neuronas generadas conjuntamente. Además, se observaron estructuras tempranas parecidas a las uniones neuromusculares, que son las zonas por las que las neuronas se comunican con las fibras musculares.
La presencia de estas estructuras podría ser relevante para conseguir una maduración más parecida a la del músculo natural; sin embargo, los propios investigadores son prudentes, ya que durante el estudio no observaron un efecto positivo claro de las redes neuronales y endoteliales sobre la maduración muscular, incluso 30 días después del cultivo. Por esta razón, todavía es necesario perfeccionar tanto la maduración de las estructuras vasculares como la de las conexiones neuromusculares. El estudio demuestra que es posible generar estos componentes conjuntamente, pero no que su funcionamiento sea equivalente al de un músculo completamente desarrollado.
Una de las partes más destacadas de la investigación fue trasladar el procedimiento desde cultivos bidimensionales a estructuras tridimensionales. Para ello los investigadores utilizaron agregados celulares formados inicialmente a partir de unas 20.000 células. En estas estructuras tridimensionales se desarrollaron fibras musculares junto a neuronas y redes de células endoteliales, con el objetivo de aproximarse progresivamente a una organización más compleja del tejido, evitando tener que fabricar cada componente por separado y unirlo posteriormente.
Esta capacidad de autoorganización es una de las principales aportaciones de la investigación, y es que en lugar de construir el tejido pieza por pieza, las células reciben señales que orientan su desarrollo y posteriormente se organizan formando una estructura semejante a un tejido. Pero aun así, existe una enorme diferencia entre estos pequeños agregados celulares y un filete que pueda cocinarse para consumirlo. El siguiente paso debería conseguir tejidos mucho mayores, más maduros y con redes capaces de transportar nutrientes y oxígeno de forma efectiva.
El tamaño constituye actualmente una de las principales limitaciones, los agregados obtenidos en el estudio son microscópicos en comparación con un filete tradicional. Para producir una estructura de tamaño alimentario, sería necesario aumentar enormemente la cantidad de tejido y mantener vivas las células de su interior. El estudio indica que la formación de una luz vascular (espacio hueco interior de un vaso sanguíneo) y el establecimiento de un flujo dentro de los vasos son pasos fundamentales. La perfusión, es decir, hacer circular un fluido por su interior, sería necesaria para mantener tejidos con un tamaño similar al de un filete.
Por eso, el resultado debe verse como un avance científico hacia la construcción de tejidos musculares complejos, y no como un método que permita actualmente producir filetes comerciales de tamaño normal.
Otro aspecto destacado del estudio es que los protocolos desarrollados son relativamente rápidos y se realizan sin suero. El proceso completo de diferenciación puede llevar unos 15 días, tiempo en el que las células pasan progresivamente por diferentes etapas hasta generar los tejidos musculares, las neuronas y las células endoteliales. El hecho de trabajar sin suero resulta destacado para el desarrollo de sistemas de producción destinados a los alimentos, ya que permite plantear procesos más definidos y controlados. Sin embargo, que el procedimiento sea rápido no significa que la producción industrial sea sencilla o barata.
Uno de los mayores problemas señalados en la investigación es el coste. Los investigadores calcularon que un agregado muscular de 0,1 mm³ producido a partir de 20.000 células madre embrionarias bovinas podía costar entre 0,39 y 0,99 euros. Los principales gastos estaban relacionados con los factores de crecimiento, los inhibidores químicos y el Matrigel (una matriz rica en proteínas utilizada habitualmente en investigación celular) empleado durante el cultivo.
Las cifras muestran por qué todavía no se puede trasladar directamente este procedimiento a una producción alimentaria masiva, siendo necesario reducir considerablemente el coste de los materiales de cultivo, por ejemplo mediante su producción a gran escala o mediante el desarrollo de alternativas de origen vegetal. Además, para una futura aplicación alimentaria sería necesario sustituir el Matrigel por una alternativa apta para la producción de alimentos. El problema económico no se limita al precio de los nutrientes, y es que una fábrica tendría que disponer de grandes instalaciones de cultivo, biorreactores, sistemas de control, estructuras tridimensionales y procedimientos seguros para producir enormes cantidades de tejido. No sería extraño que China, país que podría liderar la revolución de la carne de cultivo, tenga en cuenta especialmente esta investigación.
Como comentan aquí, la producción industrial de carne de cultivo plantea problemas de ingeniería que todavía están en proceso de resolución. Aumentar el tamaño de los biorreactores permite producir más células, pero también puede aumentar las dificultades técnicas y los riesgos asociados al control de los cultivos.
Además, producir un filete necesita algo más que multiplicar células, hay que proporcionarles una estructura sobre la que crecer y conseguir que el tejido tenga una organización adecuada. Por esta razón se estudian alternativas como los andamios comestibles, la bioimpresión 3D, los hidrogeles y otras técnicas de ingeniería de tejidos. En este sentido, la investigación propone que los agregados celulares obtenidos podrían combinarse en el futuro con técnicas de bioimpresión, aunque también podrían utilizarse como bloques de construcción para fabricar tejidos más complejos.
El principal valor de este trabajo no está en haber creado ya un filete de carne cultivada listo para comer, sino en haber demostrado una estrategia que podría ayudar a construir tejidos de carne cultivada más complejos. Se trata de un paso experimental hacia una futura producción de filetes estructurados, pero todavía quedan importantes obstáculos científicos, técnicos y económicos antes de que esta posibilidad pueda convertirse en una realidad a gran escala.
Os recomendamos leer al completo el estudio en este artículo publicado en la revista científica Nature Communications.
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