Zelluläre Landwirtschaft: Kommen in Zukunft Fleisch und Milch aus dem Labor?

Von Henrik Müller

Es ist eine große Vision: Lebensmittel wachsen nicht länger auf Äckern und in Mastbetrieben heran, sondern in Bioreaktoren. In ihnen produzieren Zellkulturen oder Mikroorganismen Nahrungsmittel, die sich in punkto Geschmack, Nährwert und Preis nicht von traditionellen Produkten unterscheiden. Es geht um eine neue Form der Landwirtschaft, die weniger Treibhausgase ausstößt, weniger Flächen und Ressourcen verbraucht und die weitgehend ohne Tierhaltung auskommt. Die Erwartungen an eine solche Zelluläre Landwirtschaft sind hoch. Doch sind sie gerechtfertigt? Sind Produkte aus dem „Labor“ schon bald genau so gut, gesund und schmackhaft? Werden Lebensmittel allgemein akzeptiert, bei denen Tiere und Pflanzen nicht mehr die Hauptrolle spielen, sondern Zellkultur, maßgeschneiderte Mikroorganismen und moderne Biotechnologie?

Was ist zelluläre Landwirtschaft? Was sind die Schlüsseltechnologien?

Grob lässt sich zelluläre Landwirtschaft in Gewebekultur und Präzisionsfermentation unterteilen. Der Übergang ist fließend, da beide auf ähnliche Technologien zurückgreifen.

Beim Tissue Engineering – Englisch für Gewebezüchtung – werden einem lebenden Tier adulte Stammzellen mittels Biopsie entnommen und in einer Nährlösung aus anorganischen Salzen, Kohlenhydraten, Aminosäuren, Vitaminen und Spurenelementen vermehrt. Durch Zugabe von Wachstumsfaktoren können sie in Muskel-, Fett- oder Bindegewebszellen differenziert werden und reifen auf organischen Stützgerüsten in gewünschte Gewebeformen. Die Bedingungen im Bioreaktor imitieren also das natürliche Umfeld der Zellen im Körper. Alternativ bauen 3D-Biodrucker Nahrungsmittel Schicht für Schicht aus verschiedenen Zellarten auf.

Darüber hinaus sind auch Ausscheidungsprodukte wie etwa Milch in Zellkultur herstellbar. Dafür werden Milchdrüsenzellen in Bioreaktoren immobilisiert und scheiden je nach ihrem Ursprung das gleiche Nährstoffprofil wie beispielsweise Kuh- oder humane Muttermilch aus.

Aus einer erbsengroßen Biopsie entstehen letztendlich mehrere Tonnen Nahrungsmittel. Gelingt es, Zellinien mit molekularbiologischen Mitteln unsterblich zu machen, sind weitere Biopsien sogar unnötig. Erste Startups wie das niederländische Mosa Meat, das israelische Redefine Meat und das kalifornische Upside Foods präsentieren ihre Kultivierungsprodukte von Burgern über Bratwürste bis hin zu Filetstücken in ausgewählten Restaurants und laden zum Probieren ein. Deutsche Startups, die Zellkulturfleisch kommerziell produzieren, gibt es bisher noch nicht. Das Lübecker FoodTech-Unternehmen Bluu Seafood deckt mit immortalisierten Zelllinien von Atlantischem Lachs, Regenbogenforelle und Karpfen die beliebtesten Speisefischarten ab.

Präzisionsfermentation hingegen ist die Weiterentwicklung großtechnischer Herstellungsverfahren von Nahrungsmitteln und medizinischen Produkten mithilfe von Mikroorganismen.

• Präzisionsfermentation kombiniert herkömmliche Fermentationstechniken mit moderner Sensor-Technologie, die es erlaubt, Parameter wie die Temperatur, den Sauerstoffgehalt und die Stoffzusammensetzung der Nährlösung, aber auch den intrazellulären pH-Wert und die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen in Echtzeit zu überwachen und automatisiert über intelligente Software zu steuern.
• Außerdem nutzt Präzisionsfermentation genetisch optimierte Mikroorganismen, die ein An- und Ausschalten der zum gewünschten Produkt führenden Stoffwechselwege erlauben, während unerwünschte Stoffwechselwege zu toxischen Nebenprodukten gelöscht sind. Optimierte Mikroorganismen dienen also als allzeit überwachte Miniaturfabriken, die komplexe organische Produkte maßgeschneidert, selektiv und schnell herstellen (Synthetische Biologie). Endprodukte werden schließlich durch Filter- und Zentrifugationstechniken abgetrennt. Im Unterschied zum Tissue Engineering sind in ihnen keine Zellen mehr enthalten.

Die Bandbreite der durch Präzisionsfermentation herstellbaren Produkte ist groß. Heute werden bereits vier Fünftel des in der Käseproduktion eingesetzten Labs (Chymosin) damit hergestellt. Darüber hinaus produzieren Startups wie das niederländische FUMI Ingredients Eiweiß-Ersatzstoffe mithilfe optimierter Mikroalgen. Das Berliner Startup Formo nutzt dagegen Hefen, um Milcheiweiße zur Käseherstellung zu produzieren.

Auch pflanzliche Wirkstoffe und Produkte können durch Präzisionsfermentation gewonnen werden: So stellt beispielsweise das US-Unternehmen Demetrix mithilfe von Hefen pharmakologisch aktive Cannabis-Substanzen her, die Schweizer Firma Evolva produziert Vanillin und andere Aromastoffe, das US-Unternehmen Ginkgo Bioworks wiederum ist auf Pflanzenfarbstoffe wie Anthocyane und Betalaine spezialisiert, während das Saarländer Startup MyBiotech Omega-3-Fettsäuren in Hefen mithilfe von Stoffwechselwegen aus speziellen Bodenbakterien (Myxobakterien) synthetisieren lässt.

Weniger Fläche und Energie, eine bessere CO2-Bilanz: Wie nachhaltig ist zelluläre Agrarkultur?

Mehrere Studien haben bereits untersucht, ob die Ökobilanzen von Zellkultur-Fleisch tatsächlich besser sind als die konventioneller Tierprodukte. Zwar sind die Unsicherheiten in Bezug auf Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeitspotenziale derzeit noch groß, da bisher nur Fertigungsanlagen im Pilotmaßstab existieren. Dennoch zeichnen sich aus den bisherigen Analysen der Stoff-, Energie- und Flächenbilanzen von Produkten des Tissue Engineering folgende Kernaussagen ab:

• Zelluläre Landwirtschaft benötigt weniger Platz als Ackerpflanzen und Viehherden. Sie reduziert den Verbrauch an Land um 63 bis 95 Prozent und den Verbrauch an Wasser um 51 bis 96 Prozent – je nach Studienparametern. – Zur Einordnung: Gegenwärtig nutzen wir weltweit 70 Prozent der fünf Milliarden Hektar Landwirtschaftsfläche als Weideland und 30 Prozent als Ackerfläche, auf der wiederum zu zwei Dritteln Futtermittel angebaut werden. Durch zelluläre Landwirtschaft könnten auf diesen Vieh- und Ackerflächen wieder Wildnisgebiete entstehen. Der Verlust an Biodiversität würde eingeschränkt. Zudem könnten die durch den Anbau von Futtermitteln entstehenden Umweltbelastungen, etwa durch Pestizide und Düngemittel, verringert werden.
• Zelluläre Landwirtschaft reduziert die Treibhausgas-Emissionen um 78 bis 96 Prozent. – Zur Einordnung: Auf die Landwirtschaft entfallen weltweit 23 Prozent der Treibhausgase, in Deutschland sind es sieben Prozent. Rinder produzieren jährlich fünf Gigatonnen Treibhausgase (CO2-Äquivalente), Schweine und Geflügel je 0,8.
• In der Futterverwertung ist kultiviertes Fleisch effizienter als konventionelle Fleischprodukte. Für Geflügel über Schweine bis hin zu Fleisch- und Milchkühen sind zwischen 2,8 und 12,7 Kilogramm Futter pro Kilogramm Fleisch nötig; im Fall von Fleischersatz nur 0,8 Kilogramm Nährlösung für die Zellkultur.

Aussagen zur Präzisionsfermentation hängen dagegen stark von den Details eingesetzter Herstellungsverfahren ab. Allgemeingültige Aussagen sind nicht möglich. Der FoodTech-Pionier Formo beispielsweise, der in der Käseherstellung komplett auf Milchvieh verzichten will, gibt an, 84 bis 97 Prozent weniger Treibhausgase als die konventionelle Milchindustrie zu produzieren und mit 96 Prozent weniger Wasser auf 99 Prozent weniger Land auszukommen.

Egal, ob Tissue Engineering oder Präzisionsfermentation, industrieller Flaschenhals ist der Elektrizitätsbedarf von Bioreaktoren. Zum Zellwachstum müssen sie meist bei 37 °C betrieben werden. Das macht 70 Prozent des gesamten Energieverbrauchs der zellulären Landwirtschaft aus. Kommen erneuerbare Energien zum Einsatz, verbessert sich die CO2-Bilanz der Energieversorgung im Vergleich zu Erzeugung von Hühner-, Schweine- und Rindfleisch um 17, 52 beziehungsweise 92 Prozent. Ähnliche Zugewinne durch erneuerbare Energien sind in der konventionellen Fleischindustrie nicht möglich, da fossile Brennstoffe dort nur 20 Prozent der Kohlenstoffemissionen verursachen.

Insgesamt gilt Fleisch aus zelluläre Landwirtschaft daher als nachhaltiger als Rindfleisch, vorteilhaft gegenüber Schweinefleisch, ähnlich nachhaltig wie Hühnerfleisch, aber schlechter als komplett Pflanzen-basierte Nahrungsmittelalternativen.

Sind In-vitro-Produkte genau so gesund wie herkömmliche Lebensmittel?

Die Nährwerte und Gesundheitsprofile kultivierter Produkte sind herkömmlichen Nahrungsmitteln potenziell überlegen. Da alle Inhaltsstoffe Bioreaktoren hinzugegeben werden müssen, besteht Klarheit über ihre Zusammensetzung. Für die Gesundheit wichtige Charakteristika wie beispielsweise die Fettmenge, die Fettsäurezusammensetzung oder das Verhältnis von Omega-6- zu Omega-3-Fettsäuren können somit optimiert werden. Darüber hinaus sind die Biosynthesewege von Zelllinien und Mikroorganismen biochemisch besser charakterisiert als diejenigen ganzer Nutztiere aus Billionen Zellen.

Da in der zellulären Landwirtschaft keine Tiere gehalten und keine Pflanzen angebaut werden, ist der Einsatz von Antibiotika und Pflanzenschutzmitteln nicht mehr notwendig. Etwaige Rückstände können sich somit nicht in Endprodukten anreichern. Gegenwärtig müssen Antibiotika allerdings Zellkulturen noch beigemischt werden, um Kontaminationen mit unerwünschten Mikroorganismen zu unterdrücken. Produktionsprozesse ohne jegliche Antibiotika sind also noch keine Realität.

Was muss noch weiter erforscht werden? Was sind die Hürden für eine industrielle Produktion?

In der Präzisionsfermentation hängt es vom jeweiligen Produkt und den genutzten Biosynthesewegen ab, welche offenen Fragen noch zu klären sind. Beim Tissue Engineering existieren mehrere Forschungsschwerpunkte:

• Kultivierungsprotokolle, um adulte Stammzellen in pluripotente Stammzellen zu überführen, die in tatsächlich jede Zellart differenziert werden können: Meist teilen sich Zellen nicht unbegrenzt, sondern altern und sterben nach einer für die Zellart typischen Anzahl an Zellteilungen. Molekularbiologische Protokolle, um sie unsterblich zu machen, fehlen meist. Erst dann können aus Biopsie-Material ökonomisch relevante Mengen kultivierter Produkte hergestellt werden.
• Die komplexen Anforderungen an Stützstrukturen zum Gewebeaufbau: Sie müssen essbar oder biologisch abbaubar sein und ihre Oberflächenbeschaffenheit muss es Zellen erlauben, an ihnen festzuwachsen. Erforscht werden sowohl verschieden Gele als auch poröse Gerüststrukturen aus Soja, Pektin oder Gellan.
• Ersatz für fetales Kälberserum (FBS), das als Hauptbestandteil vieler Nährmedien Ziel umfangreicher Kritik ist: Einerseits ist es obligatorisch für die Gewebekultur, da es eine Vielzahl – teilweise unbekannter – Wachstumsfaktoren enthält. Andererseits werden für seine Gewinnung Muttertiere geschlachtet und Blut aus den Herzen ihrer Föten entnommen, die ebenfalls bei der Entnahme sterben. Wahrscheinlich sind für jede Zellart verschiedene künstliche Medienformulierungen nötig, um Wachstum und Differenzierung von Stammzellen zu stimulieren.

Im Gegensatz zur Präzisionsfermentation ist eine kosteneffiziente Großproduktion beim Tissue Engineering derzeitig noch nicht möglich. Derzeit sind die Produktionskosten oft um Größenordnungen höher als die traditioneller Produkte. Neben Energiekosten gelten folgende Aspekte als Stellschrauben für ein Erreichen von Industriereife und Preisparität:

• In der Gewebekultivierung müssen die Kosten für Wachstumsfaktoren und Gerüststrukturen sinken.
• Es müssen Recycling-Schema für Wachstumsmedien gefunden werden.
• Gegenwärtige Nährlösungen sind zu komplex. Ihre Komponenten müssen durch Präzisionsfermentation von weniger anspruchsvollen, aber effizienteren Zelllinien hergestellt werden.
• Bioreaktoren müssen entwickelt werden, die Sterilitätsanforderungen in großen Volumina auch für ausgedehnte Kulturzeiten gewährleisten.

Müssen kultivierte Produkte zugelassen werden bevor sie auf den Markt kommen? Und wird dabei ihre Sicherheit geprüft?

In der EU müssen neuartige Lebensmittel, die Zell- oder Gewebekulturen von Tieren, Pflanzen, Mikroorganismen, Pilzen oder Algen entstammen, vor der Markteinführung gemäß der Novel Food-Verordnung (EU 2015/2283) von der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) zugelassen werden. Das betrifft sowohl Produkte der Präzisionsfermentation als auch des Tissue Engineering. Für die erforderliche Sicherheitsbewertung sind Studiendaten zur Zusammensetzung und zum Herstellungsprozess des Lebensmittels, zu seinen Nähr- und toxikologischen Grenzwerten sowie möglichen Auswirkungen auf den menschlichen Körper einzureichen. In der Regel werden diese Daten von externen, unabhängigen Laboren erstellt. Neuartige Lebensmittel dürfen dabei nicht schlechter abschneiden als bereits zugelassene Lebensmittel.

Wenn ein Produkt der Präzisionsfermentation als genetisch verändert gilt, unterliegt es außerdem den EU-Verordnungen 1829/2003 und 1830/2003 über genetisch veränderte Lebens- und Futtermittel und ihre Rückverfolgbarkeit und Kennzeichnung.

Im Dezember 2020 genehmigte die Lebensmittelkontrollbehörde von Singapur als erstes Land den Verkauf von zellbasiertem Hühnerfleisch. Zwei Jahre später folgte die US-Lebensmittelbehörde (FDA). In Europa rechnet das Good Food Institute mit ersten Zulassungsdossiers binnen weniger Jahre.

Ungeklärt sind in der EU noch Fragen der Produktbezeichnung. Nach einem Urteil des Europäischen Gerichtshof (C-422/16 vom 14.06.2017) können Fleischersatzprodukte weiterhin „Wurst“, „Steak“ und „Burger“ heißen. Das Gegenteil gilt für Milch- und Käse-Alternativen. Nur Erzeugnisse aus der „normalen Eutersekretion von Tieren“ dürfen als Milch deklariert werden. Vegane Ersatzprodukte dürfen nicht mit Bezeichnungen wie „Milch“, „Rahm“, „Butter“, „Käse“ oder „Joghurt“ und ebenso wenig mit Ergänzungen wie „-geschmack, -ersatz, Art oder dergleichen“ beworben werden.

Ist eine breite Akzeptanz für Lebensmittel aus zellulärer Landwirtschaft zu erwarten?

Eine Vielfalt an Lebensmittel von Bier und Wein über Joghurt bis hin zu Wurstwaren werden seit Jahrzehnten durch mikrobielle Fermentationsverfahren hergestellt. Produktübergreifende Akzeptanzprobleme bestehen nicht.

Anders beim Tissue Engineering: Noch ist es eine Herausforderung, alle Eigenschaften konventioneller Produkte wie Geschmack, Farbe, Geruch, Konsistenz und Zubereitungsmöglichkeiten exakt zu kopieren. Gegenwärtige Fleischprodukte entsprechen eher Hackfleisch als perfekten Filetsteaks. Laut einer Umfrage des Good Food Institutes in 2020 würden jedoch bereits jetzt 57 Prozent aller Deutschen kultiviertes Fleisch kaufen. Bei unter 25-jährigen sind es 82 Prozent. Die Akzeptanzraten anderer europäischer Länder und der USA sind ähnlich.

Ob kultivierte Produkte in Zukunft allgemein akzeptiert werden, wird hauptsächlich von ihrem Geschmack, ihrem Preis und ihrer Verfügbarkeit bestimmt. Gefühle von Unnatürlichkeit und Fremdsein verringern die Akzeptanz; Hinweise auf Tierwohl und Umweltaspekte wie die Reduktion von Treibhausgasemissionen fördern sie.

Der erste, jemals von einer Forschungsgruppe in 2013 in Maastricht kultivierte Fleischburger kostete 250.000 Euro. Zehn Jahre später bezifferte das daraus hervorgegangene Food-Tech-Unternehmen Mosa Meat ihren Burger-Bratling mit nur noch neun Euro. Laut einer Ökobilanzstudie des niederländischen Forschungsinstituts CE Delft lagen die Kosten pro Kilogramm kultiviertem Fleisch in 2021 dagegen im Durschnitt bei über 90 Euro. Bis zum Ende des Jahrzehnts sollen sie auf zwei Euro gesunken und somit konkurrenzfähig mit konventionellem Fleisch sein.

Derzeit sind in Deutschland laut Good Food Institute 82 Startups in folgenden Bereichen tätig: Fleisch (46), Eier (10), Milch (28), Meeresfrüchte (19), Zusatzstoffe (6) und Technologien zur Bioprozessierung (4) – viele in mehreren Bereichen.

Marktforschungsunternehmen attestieren kultiviertem Fleisch derzeit einen weltweiten Umsatz von 150 Millionen Euro. Bis Ende des Jahrzehnts soll der globale Markt einen Wert von zwei Milliarden Euro erreicht haben. Ab 2040 könnte ein Drittel des weltweiten Fleischkonsums auf In-vitro-Fleisch entfallen. Zu erwarten ist, dass Hybridprodukte aus kultiviertem und pflanzenbasiertem Fleischersatz den Weg für die zelluläre Landwirtschaft ebnen. Ohne Zweifel werden kultivierte Produkte in einigen Jahren in vielen deutschen Supermärkten erhältlich sein.

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