Le processus
La viande cultivée, comment ?
La viande cultivée est produite en reproduisant le processus naturel de la croissance cellulaire. Cette méthode de production est appelée culture cellulaire.
Tout sur le processus, en bref
Comment la viande cultivée est-elle obtenue ?
Tout sur le processus, en détail
L'agriculture cellulaire
L’agriculture cellulaire est la production d’aliments et de matériaux par la culture directe de cellules
La viande cultivée, aussi appelée viande cellulaire ou viande de culture, est un produit de l’agriculture cellulaire. Le produit final est identique à la viande conventionnelle mais la méthode de production diffère considérablement [1] car la viande cultivée ne nécessite pas la reproduction, l’élevage ou l’abattage d’animaux.
La production de viande cultivée consiste à faire pousser des cellules d’un animal dans un bioréacteur, une cuve qui fournit un environnement stérile, clos et à température contrôlée pour que les cellules puissent se développer en viande. C’est donc véritablement un processus de culture cellulaire, identique à celui qui se déroule naturellement dans l’organisme d’un animal. “Viande de synthèse”, “viande synthétique”, “viande de labo”, “viande in vitro”, “viande artificielle”, ou “viande de laboratoire” sont des termes qui peuvent porter à confusion et ne renvoient pas de manière précise à ce processus.
Cellules
En théorie, nous pourrions produire de la viande cultivée à partir de cellules provenant de n’importe quel animal
La première étape de la culture de la viande consiste à obtenir un échantillon de cellules d’un animal. Ces cellules pourraient théoriquement provenir de n’importe quelle espèce ou race animale. Certains scientifiques se concentrent sur les races spécialisées, d’autres sur les races patrimoniales (comme le bœuf Wagyu). La plupart des entreprises travaillent sur des espèces qui sont déjà couramment élevées pour la consommation humaine, tandis que d’autres étudient les cellules d’une multitude d’espèces à la recherche d’un potentiel de croissance et d’un goût optimaux. Afin d’obtenir ces échantillons, il suffit de prélever les cellules par biopsie, un processus indolore pour l’animal.
Les entreprises sélectionnent les cellules pour une production optimale
La viande est composée de muscles et de graisse (et peut également inclure des cellules de tissu conjonctif et de vaisseaux sanguins). [2]
Pour une production optimale, les cellules utilisées doivent :
- croître de manière constante et se dupliquer facilement
- être capables d’évoluer vers les différents types de cellules qui composent la viande
- produire une viande au goût et au profil nutritionnel excellents
Actuellement, la plupart des cellules utilisées dans la production proviennent d’animaux vivants
La méthode la plus courante pour obtenir des cellules consiste à effectuer une petite biopsie indolore du muscle ou un échantillon de peau sur un animal vivant et en bonne santé. Cependant, certaines entreprises peuvent prélever des cellules sur des animaux après leur abattage pour la production de viande conventionnelle – ce qui peut être important pour les certifications religieuses. Les chercheurs universitaires et les entreprises utilisent ces échantillons de cellules animales pour sélectionner des populations cellulaires (par exemple, de muscle ou de graisses) présentant des caractéristiques spécifiques et uniformes pour une production de viande de qualité constante.
À terme, la plupart des cellules utilisées proviendront de banques de cellules
Le stockage des cellules (appelé banque de cellules) et leur mise à disposition pour le monde universitaire et l’industrie seront une étape nécessaire pour faire progresser la recherche et la production à plus grande échelle. Les banques de cellules sélectionnent et certifient la qualité des cellules, puis les stockent à des températures très basses jusqu’à ce qu’on en ait besoin pour lancer la production. Ces banques abriteront une variété d’espèces et de types de cellules adaptées à la production de différents produits.
Différents types de cellules pourraient être utilisés pour la production
Les cellules souches embryonnaires sont utiles pour la production de viande cultivée car elles peuvent se multiplier indéfiniment et se développer en de nombreux types de cellules différentes. Bien que ces cellules soient efficaces, elles nécessitent un processus de production plus complexe et plus coûteux, car elles ont tendance à avoir besoin de milieux de croissance spécialisés et de contrôles plus stricts afin de se transformer en types de tissus souhaités, tels que les muscles et la graisse.
Il est également possible de cultiver de la viande à partir de cellules prélevées dans des tissus tels que le muscle, la graisse et l’épiderme. [3] Le prélèvement de ces cellules implique généralement une petite biopsie musculaire, une procédure inoffensive qui peut être réalisée sous anesthésie locale.
Il est important de noter que le profil gustatif et l’efficacité des différentes cellules utilisées pour produire de la viande cultivée font actuellement l’objet de recherches. Nous ne savons pas encore quels types de cellules seront finalement utilisés.
Pour résumer, la première étape de la production de viande cultivée consiste à choisir des cellules dans une banque de cellules ou dans un échantillon de cellules provenant d’une espèce animale quelconque. Ces cellules peuvent être des cellules souches embryonnaires ou des cellules de tissus provenant d’animaux adultes. Des recherches sont actuellement en cours pour déterminer quels types de cellules sont optimaux pour la production de viande cultivée.
Bioréacteurs
Les bioréacteurs fournissent le milieu de vie des cellules
Les bioréacteurs sont des grandes cuves stériles et closes où différents paramètres sont contrôlés comme la température pour permettre la croissance des cellules.
Ils sont largement utilisés dans les industries alimentaire et biomédicale pour produire des vitamines, de la bière, des vaccins, de l’insuline, des enzymes et d’autres produits. Les bioréacteurs sont dotés :
- d’un système de chauffage et de refroidissement pour contrôler la température
- de canalisations pour fournir des nutriments et de l’oxygène et éliminer les déchets
- de systèmes de capteurs pour surveiller l’environnement et mesurer des éléments comme le pH et l’oxygène.
Les bioréacteurs sont généralement fabriqués en acier inoxydable ou en verre pour permettre une stérilisation facile entre chaque production de cellules.
À l’intérieur d’un bioréacteur, les cellules se multiplient rapidement et se transforment en cellules de muscles et de graisse lorsqu’elles sont fixées à un support solide. Des tuyaux transportent des nutriments liquides (milieu de croissance) et de l’oxygène à l’intérieur du bioréacteur jusqu’aux cellules pour qu’elles puissent se développer.
Les chercheurs mettent au point des bioréacteurs spécialisés pour le développement des produits de l’agriculture cellulaire pour les produire en grande quantité. [4]
Milieux de croissance
Le milieu de croissance permet de nourrir les cellules
Comme toutes les autres étapes de production de la viande cultivée, l’alimentation des cellules consiste à imiter les processus biologiques qui se produisent à l’intérieur d’un animal, en dehors de celui-ci.
Dans le corps d’un animal, le sang fournit les composants nécessaires à la vie et à la croissance des cellules : glucides, acides aminés, protéines, graisses, vitamines, minéraux et facteurs de croissance.
Dans le bioréacteur les milieux de culture contiennent les mêmes composants :
- Glucides
- Acides aminés
- Graisses
- Vitamines
- Minéraux
- Stimulateurs de croissance (molécules de signalisation)
En combinaison, ces composants sont essentiels à la vie cellulaire, que ce soit chez un animal ou dans un bioréacteur . Le milieu de croissance favorise la croissance, la multiplication et la différenciation des cellules qui composent la viande. [5]
La production de viande cultivée utilisera des milieux de croissance sans sérum foetal bovin
Dans le domaine biomédical, la culture cellulaire utilise du sérum (un composant du sang riche en nutriments et en protéines, provenant généralement de fœtus de vache) comme composant du milieu de croissance. Les premiers travaux de recherche et de développement sur la viande cultivée utilisaient du sérum bovin fœtal (FBS), car il n’existait pas encore d’autres solutions.
Il est important de préciser que les producteurs de viande cultivée se concentrent sur le développement de milieux de croissance sans sérum pour la production de viande. Les milieux sans sérum contiennent des composants similaires à ceux que l’on trouve dans le FBS, mais sont produits sans animaux et sont exempts de contamination.
Les chercheurs en agriculture cellulaire sont en train d’optimiser les milieux de croissance sans sérum pour différents types d’espèces, de cellules et de conditions de croissance. De nombreuses entreprises ont déjà franchi cette étape, la prochaine étant leur baisse de coût de production. [6][7]
Les composants des milieux de croissance peuvent être obtenus à partir d’extraits de plantes et de champignons, ou produits par fermentation de la même manière que de nombreuses vitamines et médicaments.
Voici quelques exemples spécifiques des nombreux composants du sérum [7] :
Protéines
- La protéine albumine a des propriétés antioxydantes et transporte des molécules, des vitamines, des acides gras et du cholestérol.
- Le groupe de protéines appelé transferrines apporte du fer aux cellules.
Lipides
- Les acides gras sont les éléments constitutifs des graisses stockées.
- Le cholestérol est un composant structurel de la membrane cellulaire.
Facteurs de croissance à base de protéines (molécules de signalisation ou hormones)
- L’insuline facilite le transport du glucose.
- Les hormones dérivées de la thyroïde influencent la croissance cellulaire.
Oligo-éléments (minéraux)
- Les minéraux tels que le soufre, le fer, le chlore, le chrome, le cobalt, le cuivre, le zinc, le manganèse, le molybdène, l’iode et le sélénium sont essentiels au fonctionnement des cellules.
Les milieux sans sérum évoluent rapidement vers une production à grande échelle.
Les milieux sans sérum permettent d’obtenir une source de nutriments constante et sans contamination, mais ils sont actuellement très coûteux. Dans les secteurs de la biopharmacie et de l’agriculture cellulaire, de nombreuses recherches sont en cours pour développer des milieux de croissance sans sérum, riches en nutriments et peu coûteux. Certaines entreprises se spécialisent dans les suppléments de milieux sans sérum, voire dans la formulation complète, ce qui permettra à la production de viande cultivée à grande échelle de devenir plus rapidement une réalité.
Le développement de milieux de croissance sans sérum est une étape importante pour l’industrie de la viande cultivée, qui doit passer de la recherche à la production à grande échelle. Le milieu de croissance permet à la viande de contenir les mêmes (ou presque les mêmes) composants et nutriments que la viande produite de manière conventionnelle.
Supports
Dans la culture de la viande, les supports sont utilisés pour reproduire l’environnement naturel qui entoure les cellules, appelé “matrice extracellulaire”. La matrice extracellulaire est un maillage imbriqué de protéines fibreuses (comme le collagène) et d’autres substances nécessaires à la fonction cellulaire. Les supports aident les cellules à se développer pour donner le produit souhaité.
Une viande de qualité présente une bonne composition musculaire et graisseuse et une texture agréable en bouche. À l’intérieur d’un bioréacteur, des supports fournissent une surface permettant aux cellules de se développer en muscle et en graisse, et d’obtenir la texture et la forme souhaitées.
Les attributs d’un support (tels que sa composition, sa fonction, sa rigidité, sa rugosité ou sa porosité) peuvent influencer les caractéristiques du produit carné final. Les supports peuvent être constitués de nombreux types de biomatériaux comestibles, comme la gélatine, et de dérivés de plantes, d’algues ou de champignons. Les stimuli de croissance, c’est-à-dire les molécules qui signalent aux cellules de se transformer en muscles et en graisses, peuvent également être introduits par le biais des supports.
Les supports plus petits et moins complexes sont efficaces pour cultiver la viande hachée, comme celle utilisée pour les hamburgers, les saucisses et les nuggets. Des supports plus complexes sont nécessaires pour cultiver de la viande ayant une structure et une épaisseur spécifiques, comme le steak.
À l’intérieur d’un bioréacteur, les supports reproduisent l’environnement dans lequel les cellules se développent.
Les cellules sont très réactives à leur environnement. Que ce soit à l’intérieur d’un animal ou d’un bioréacteur, les protéines de la matrice extracellulaire signalent aux cellules de se multiplier, de devenir des cellules spécialisées (muscle, graisse) ou de former une structure spécifique.
Il existe de nombreux types de supports en cours de développement. Voici quelques exemples de types d’échafaudages :
- Les microsupports. Ces minuscules billes comestibles ou biodégradables sont recouvertes de protéines qui favorisent la fixation des cellules. Pour la production de viande hachée, les microporteurs sont un moyen relativement simple pour donner aux cellules la surface et les repères environnementaux nécessaires à leur croissance. [8][9]
- Les plantes décellularisées (comme les feuilles d’épinards) et fongiques . Les composants végétaux et fongiques servent de support sur lequel les cellules peuvent se développer en structures plus épaisses. [10][11][12][13]
- La bio-impression en 3D. Les cellules sont placées en formation couche par couche à l’aide d’un processus de conception assistée par ordinateur. Le résultat est un produit dont la structure est très spécifique et personnalisable. [14][15]
Production
Il faut environ cinq à sept semaines pour produire de la viande cultivée
Une fois produite, la viande cultivée est similaire à la viande conventionnelle. Les chercheurs ont déjà produit de la viande à partir d’un certain nombre d’espèces grâce à l’agriculture cellulaire. La liste comprend des animaux terrestres domestiques et sauvages (vaches, bisons, porcs, moutons, chèvres, poulets, canards, alpagas, kangourous) et des animaux marins (saumon, mahi mahi, thon rouge, sériole, mérou, crevettes, homard).
La production durera probablement entre 5 et 7 semaines. Le temps exact dépendra de l’espèce, du type de cellules, des conditions de culture, de l’échelle et du produit souhaité. [4][16] Le graphique ci-dessous montre la durée moyenne de production de viande cultivée et de viande conventionnelle.
Avec le temps, les producteurs seront en mesure de produire des quantités de viande plus importantes.
La production de la viande cultivée sera différente selon l’échelle. Avec l’amélioration des technologies, les entreprises pourraient obtenir des tonnes de viande. Dans les très grands systèmes de production, le temps de production pourrait être plus long, car il faut plus de temps pour que les cellules se multiplient (jusqu’à 14 semaines). Grâce à ces systèmes centralisés, la viande cultivée sera probablement produite plus efficacement et devrait être aussi abordable que la viande conventionnelle. Cependant, les consommateurs pourraient un jour avoir accès à des bioréacteurs locaux ou même à domicile pour la production de leur propre viande.
La transformation des aliments
La dernière étape de la production est la transformation des aliments. Une fois la viande produite, elle peut être transformée, de la même manière que dans l’agriculture conventionnelle. La transformation peut inclure la mise en forme de la viande (galettes de burgers, boulettes de viande, pépites), l’assaisonnement et l’emballage.
Distribution et vente
Les produits pourront être vendus sous forme de viande cultivée pure ou mélangée à des ingrédients végétaux pour créer un produit mixte.
Références
1 – Zidaric, T., Milojevic, M., Vajda, J., Vihar, B., & Maver, U. (2020, August 20). Cultured meat: Meat industry hand in hand with biomedical production methods. Food Engineering Reviews, 12, 498-519.
2 – Aberle, E. D., Forrest, J. C., Gerrard, D. E., & Mills, E. W. (2012, June 22). Principles of meat science (5th ed.). Kendall Hunt.
3 – Bogliotti, Y. S., Wu, J., Vilarino, M., Okamura, D., Soto, D. A., Zhong, C., Sakurai, M., Sampaio, R. V., Suzuki, K., Izpisua Belmonte, J. C., & Ross, P. J. (2018, February 9). Efficient derivation of stable primed pluripotent embryonic stem cells from bovine blastocysts. PNAS, 115(9), 2090-2095.
4 – Bellani, C. F., Ajeian, J., Duffy, L., Miotto, M., Groenewegen, L., & Connon, C. J. (2020, November 4). Scale-up technologies for the manufacture of adherent cells. Frontiers in Nutrition.
5 – O’Neill, E. N., Cosenza, Z. A., Baar, K., & Block, D. E. (2020, Dec 5). Considerations for the development of cost‐effective cell culture media for cultivated meat production. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety.
6 – Kolkmann, A. M., Post, M. J., Rutjens, M. A., van Essen, A. L., & Moutsatsou, P. (2019, December 28). Serum-free media for the growth of primary bovine myoblasts. Cytotechnology, 72, 111-120.
7 – Freshney, R. I. (2005, October 14). Culture of Animal Cells.
8 – Bodiou, V., Moutsatsou, P., & Post, M. J. (2020, February 20). Microcarriers for upscaling cultured meat production. Frontiers in Nutrition.
9 – Verbruggen, S., Luining, D., van Essen, A., & Post, M. J. (2018). Bovine myoblast cell production in a microcarriers-based system. Cytotechnology, 70, 503-512.
10 – Campuzano, S., Mogilever, N. B., & Pelling, A. E. (2020, February 24). Decellularized plant-based scaffolds for guided alignment of myoblast cells. bioRxiv.
11 – Ben-Arye, T., Shandalov, Y., Ben-Shaul, S., Landau, S., Zagury, Y., Ianovici, I., Lavon, N., & Levenberg, S. (2020). Textured soy protein scaffolds enable the generation of three-dimensional bovine skeletal muscle tissue for cell-based meat. Nature Food, 1, 210-220.
12 – Gershlak, J. R., Hernandez, S., Fontana, G., Perreault, L. R., Hansen, K. J., Larson, S. A., Binder, B. Y. K., Dolivo, D. M., Yang, T., Domino, T., Rolle, M. W., Weathers, P. J., Medina-Bolivar, F., Cramer, C. L., Murphy, W. L., & Gaudette, G. R. (2017, May). Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds. Biomaterials, 125, 13-22.
13 – Modulevsky, D. J., Lefebvre, C., Haase, K., Al-Rekabi, Z., & Pelling, A. E. (2014, May). Apple derived cellulose scaffolds for 3D mammalian cell culture. PLoS One, 9(5).
14 – Handral, H. K., Tay, S. H., Chan, W. W., & Choudhury, D. (2020, September 21). 3D printing of cultured meat products. Critical Reviews in Food Science and Nutrition.
15 – Kang, D. H., Louis, F., Liu, H., Shimoda, H., Nishiyama, Y., Nozawa, H., Kakitani, M., Takagi, D., Kasa, D., Nagamori, E., Irie, S., Kitano, S., & Matsusaki, M. (2020, October 16). Engineered whole cut meats assembled of cell fibers constructed by tendon-gel integrated bio printing. Research Square.
16 – Specht, L. (2020, February 9). An Analysis of Culture Medium Costs and Production Volumes for Cultivated Meat. The Good Food Institute.