Carne Cultivada: Tendências na Utilização de Scaffolds Vegetais para Estruturação

Abstract

A população mundial está alcançando a marca de oito bilhões de pessoas, número que cresce a cada dia, aumentando exponencialmente a demanda por alimentos. Para que a produção de carne acompanhe a demanda futura, são necessárias transformações nos sistemas alimentares. A carne cultivada surge como uma fonte alternativa de proteína que pode atender à demanda futura. Para criar um tecido muscular estruturado, as células são geralmente cultivadas em uma estrutura 3D comestível (scaffold), que suporta estrutural e biologicamente sua montagem. Os scaffolds visam se assemelhar às propriedades estruturais e bioquímicas da matriz extracelular (ME) que suporta a estrutura e a função das células em tecidos naturais. O objetivo deste trabalho foi fazer uma revisão bibliográfica sobre scaffolds de origem polimérica ou vegetal usados para estruturação de carne cultivada. A escolha de um scaffold apropriado depende das propriedades do material, considerando a taxa de fixação, custo e perfil de degradação. Os materiais mais utilizados são: polímeros sintéticos, peptídeos de automontagem, moléculas da matriz extracelular e materiais derivados de plantas e fungos. O uso dos polímeros sintéticos se dá devido a possibilidade de ajustes precisos nas suas propriedades físicas e químicas, porém, muitos deles não são comestíveis e têm taxas de degradação lentas, gerando uma etapa custosa de dissociação. Peptídeos de automontagem se organizam em estruturas tridimensionais complexas que simulam a ME, mas tem um alto custo de fabricação. As moléculas da matriz extracelular conseguem simular a complexidade da ME a partir de uma ou mais das principais proteínas estruturais, desenvolvendo fatores de crescimento, fatores de transcrição e citocinas para estimular o comportamento celular normal, garantindo a biocompatibilidade dos scaffolds. Materiais derivados de plantas e fungos, por possuírem estruturas naturais, podem reduzir a complexidade do processo de fabricação e aumentar a eficiência da produção de carne cultivada. Vários materiais podem ser combinados a fim de obter as vantagens de cada um. Os tipos de scaffold possíveis de se atingir são os fibrosos, porosos, micro carreadores e hidrogéis, e as técnicas de estruturação que podem ser empregadas envolvem bioimpressão 3D, micro fluídica, liofilização, cultura dinâmica, eletrofiação, e também a partir de abordagens livres de scaffolds. A bioimpressão 3D produz hidrogéis camada por camada, permitindo a criação de uma estrutura estável para processamento posterior. A micro fluídica e as culturas dinâmicas produzem micro carreadores, sendo a vantagem da micro fluídica a obtenção de fluxo laminar, fenômeno impossível de alcançar em dispositivos de grande escala, e a das culturas dinâmicas a criação de um ambiente controlado em um biorreator. A liofilização produz scaffolds porosos, que estrutura similar a uma esponja, fornecendo a estabilidade mecânica necessária para que as células cultivadas formem tecidos. A eletrofiação é uma técnica que produz scaffolds fibrosos. É um método simples, barato e já utilizado em diversos ramos industriais. Embora seja versátil e com potencial para produção em larga escala, sua aplicação em sistemas alimentares ainda não é muito pesquisada. De modo geral, este estudo destaca a diversidade de materiais e técnicas já utilizadas e possíveis aplicações futuras para a produção de scaffolds de origem vegetal para carne cultivada.

The world population is reaching the mark of eight billion people, a number that grows every day, exponentially increasing the demand for food. For meat production to keep up with future demand, transformations in food systems are necessary. Cultured meat emerges as an alternative source of protein that can meet future demand. To create structured muscle tissue, cells are usually grown on an edible 3D structure (scaffold), which structurally and biologically supports their assembly. Scaffolds aim to resemble the structural and, to some extent, biochemical properties of the extracellular matrix (ME) that supports the structure and function of cells in natural tissues. The objective of this work was to review the literature on scaffolds of polymeric or vegetable origin used for structuring cultivated meat. The choice of an appropriate scaffold depends on the properties of the material, considering the fixation rate, cost and degradation profile. The most used materials are: synthetic polymers, self-assembly peptides, extracellular matrix molecules and materials derived from plants and fungi. The use of synthetic polymers is due to the possibility of precise adjustments in their physical and chemical properties, however, many of them are not edible and have slow degradation rates, generating a costly step of dissociation. Self-assembly peptides are organized into complex three-dimensional structures that simulate EM, but have a high manufacturing cost. Extracellular matrix molecules can simulate the complexity of EM from one or more of the main structural proteins, developing growth factors, transcription factors and cytokines to stimulate normal cell behavior, ensuring the biocompatibility of scaffolds. Materials derived from plants and fungi, because they have natural structures, can reduce the complexity of the manufacturing process and increase the efficiency of cultivated meat production. Various materials can be combined in order to get the advantages of each. The types of scaffolds that can be achieved are fibrous, porous, micro carriers and hydrogels, and the structuring techniques that can be employed involve 3D bioprinting, microfluidics, freeze-drying, dynamic culture, electrospinning, and even scaffold-free approaches. 3D bioprinting produces hydrogels layer by layer, allowing the creation of a stable structure for further processing. The microfluidics and dynamic cultures produce micro carriers, being the advantage of microfluidics to obtain laminar flow, a phenomenon impossible to achieve in large-scale devices, and the dynamic cultures to create a controlled environment in a bioreactor. Lyophilization produces porous scaffolds, which structure is similar to a sponge, providing the mechanical stability necessary for cultured cells to form tissues. Electrospinning is a technique that produces fibrous scaffolds. It is a simple method, inexpensive and already used in several industrial branches. Although it is versatile and with potential for large-scale production, its application in food systems is not yet much researched. In general, this study highlights the diversity of materials and techniques already used and possible future applications for the production of scaffolds for cultivated meat.