H.E.L BioXplorer在大規(guī)模生物培養(yǎng)上的應(yīng)用

作為方法和工具，系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)越來(lái)越多地被用來(lái)研究復(fù)雜的生物系統(tǒng)。在擴(kuò)大微生物生產(chǎn)規(guī)模中遇到法的許多問(wèn)題都可以通過(guò)這些方法解決。系統(tǒng)生物學(xué)用于研究微生物系統(tǒng)在生物反應(yīng)器中對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溶解氣體和壓力波動(dòng)的反應(yīng)。合成生物學(xué)用于評(píng)估和調(diào)節(jié)菌株，對(duì)菌株進(jìn)行工程改造以提高產(chǎn)量。
H.E.L以其系列化產(chǎn)品可為科研及生產(chǎn)提供從微型到放大的全部解決方案。
 

• 產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大過(guò)程中遇到的挑戰(zhàn)

眾所周知，微生物生產(chǎn)的化合物非常廣泛，從燃料、化學(xué)品到藥品都有涉及。然而，盡管有相當(dāng)數(shù)量的案例成功過(guò)渡到工業(yè)規(guī)模以及上市產(chǎn)品，但在核心的生物技術(shù)轉(zhuǎn)化層面，缺乏適合工業(yè)規(guī)模生物反應(yīng)器的菌株。因?yàn)�，商業(yè)規(guī)模生物反應(yīng)器的環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（如搖瓶）的環(huán)境截然不同。
 
微生物生產(chǎn)的工業(yè)放大已經(jīng)相當(dāng)成熟。相比之下，微生物表型對(duì)生物反應(yīng)器條件的波動(dòng)、長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的基因型漂移、以及其他生理因素，這些方面的研究比較少，而且，這些因素對(duì)規(guī)模放大的潛在影響直到最近才得到解決。而對(duì)這一領(lǐng)域的最大貢獻(xiàn)就是縮小模型，即利用小模型去模擬微生物在大規(guī)模生長(zhǎng)和生產(chǎn)的條件，高通量測(cè)試優(yōu)化菌株，從而篩選出規(guī)模型的菌株，以實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)。
 

• 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模菌株篩選并未考慮生產(chǎn)規(guī)模的參數(shù)

在微量滴定板和搖瓶中進(jìn)行的許多測(cè)量與生物反應(yīng)器研究期間進(jìn)行的分析是不同的（圖2）。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的菌株優(yōu)化無(wú)法解決生物工藝向商業(yè)化方向發(fā)展時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。
  物理影響因素
實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的一個(gè)顯著區(qū)別就是操作壓力。隨著生物反應(yīng)器體積的增加，生物反應(yīng)器中液面高度會(huì)產(chǎn)生更高的壓力梯度，而壓力可以影響生物的特性，包括酶活性和細(xì)胞膜通透性，這些都會(huì)影響到細(xì)胞的活力和代謝通量。商業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器底部壓力增加，氣體的溶解度也隨之增加。比如，培養(yǎng)液中溶解的CO₂（dCO₂）與碳酸氫根和碳酸根離子處于平衡狀態(tài)，碳酸氫根和碳酸根離子有助于介質(zhì)的滲透壓，從而影響培養(yǎng)液的pH值。因此，dCO2可影響到溶解氣體本身的積累、滲透壓變化、pH值變化，甚至是這三個(gè)因素的組合。 化學(xué)影響因素
隨著生物反應(yīng)器體積的增加，混合時(shí)間從幾秒鐘（實(shí)驗(yàn)室規(guī)模）增加到幾分鐘（數(shù)百立方米）。此外，大型生物反應(yīng)器內(nèi)部組件，如噴灑器、擋板和冷卻盤管，可能會(huì)產(chǎn)生混合、傳熱和氣液傳質(zhì)不良的死區(qū)。在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，混合不完全會(huì)導(dǎo)致微環(huán)境不均勻，使生物過(guò)程各參數(shù)形成梯度，比如pH、溫度、溶解氧（DO）、dCO2和營(yíng)養(yǎng)素濃度。這些變化可能會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)或永久性的損傷，如氧化損傷、營(yíng)養(yǎng)限制和其他應(yīng)激反應(yīng)，從而降低微生物的生存能力、穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。

• 系統(tǒng)生物學(xué)可以解決規(guī)�；瘞�來(lái)的問(wèn)題

在大型發(fā)酵罐中，培養(yǎng)液微環(huán)境的不均勻可觸發(fā)微生物的遺傳和生理反應(yīng)。高通量分析（如自動(dòng)DNA測(cè)序和組學(xué)技術(shù)）以及高通量篩選平臺(tái)技術(shù)，使規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)條件能夠通過(guò)縮小實(shí)驗(yàn)規(guī)模在實(shí)驗(yàn)室中來(lái)模擬。大型發(fā)酵罐的數(shù)學(xué)模型為設(shè)計(jì)縮小規(guī)模和預(yù)測(cè)大規(guī)模環(huán)境提供了重要指導(dǎo)。這種方法提高了關(guān)鍵性能指標(biāo)（如TRY）從實(shí)驗(yàn)室到工廠的全面、快速轉(zhuǎn)化的可能性，從而最大限度地降低啟動(dòng)成本。
氣體混合、底物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不均一性、以及微生物種群的表型和遺傳異質(zhì)性，都在這方面得到了檢驗(yàn)。
系統(tǒng)的講就是，為擴(kuò)大工程菌株的規(guī)模，首先需要設(shè)想出大規(guī)模生產(chǎn)的條件，以便用小規(guī)模去模擬這些條件，然后篩選出滿足相關(guān)需求的宿主/途徑組合�；瘜W(xué)抑制（通過(guò)培養(yǎng)基成分、代謝產(chǎn)物和產(chǎn)物）和生產(chǎn)對(duì)生長(zhǎng)的依賴是兩個(gè)需要考慮的因素，這些可以通過(guò)小規(guī)模篩選環(huán)境中的系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)的方法來(lái)解決。

• BioExplorer可以為系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)方法提供數(shù)據(jù)

由于大型生物反應(yīng)器的操作成本很高，與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的平板或燒瓶相比，工藝條件的測(cè)試范圍非常有限。而且，基于大型生物反應(yīng)器的工藝開發(fā)研究是資源密集型的，這就限制了我們重復(fù)多個(gè)實(shí)驗(yàn)的能力。H.E.L的BioExplorer具有高通量生長(zhǎng)測(cè)量板設(shè)計(jì)，它基于模擬中試規(guī)模生物反應(yīng)器的培養(yǎng)過(guò)程控制，既滿足實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的低容量測(cè)試要求，又滿足高通量測(cè)試要求，同時(shí)還提供了生物反應(yīng)器規(guī)模的多種模擬參數(shù)。
  把商業(yè)規(guī)模培養(yǎng)條件小型化，可以使相關(guān)的成本降低、效益提高，而且高通量能力可以顯著增加實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測(cè)試的參數(shù)數(shù)量。這就使得我們可以在不同規(guī)模條件下測(cè)試新宿主的性能（表1）。然而，傳統(tǒng)的過(guò)程開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法往往受到研究人員對(duì)商業(yè)規(guī)模條件理解的限制，選擇用于測(cè)試的參數(shù)質(zhì)量也隨著被測(cè)試參數(shù)的數(shù)量而受到影響。利用小模型去模擬大規(guī)模生產(chǎn)條件，就不會(huì)產(chǎn)生此類問(wèn)題。
BioExplorer可用于在高達(dá)5 bar的壓力下進(jìn)行補(bǔ)料分批培養(yǎng)。通過(guò)使用這些1-250mL大小的反應(yīng)器，研究人員可以在更商業(yè)化的條件下進(jìn)行合理的高通量培養(yǎng)。

 

• 結(jié)束語(yǔ)

在目前的技術(shù)水平下，合成生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)越來(lái)越多地支持對(duì)工業(yè)菌株的生理學(xué)特性進(jìn)行表征。高通量測(cè)量及小型化的方法，可以高效地將生產(chǎn)工藝從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化為中試和商業(yè)規(guī)模。H.E.L的BioExplorer為更低的研發(fā)投資和風(fēng)險(xiǎn)、更快速地引入新產(chǎn)品提供光明的前景。隨著我們對(duì)生物工程機(jī)械理解的越來(lái)越深入，我們使用大型系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的能力也越來(lái)越強(qiáng)大，我們就可以為微生物轉(zhuǎn)化為商品、材料、食品、藥品和燃料的大規(guī)模生物制造提供有力的解決方案。

參考文獻(xiàn)： Engineering Robust Production Microbes for Large-Scale Cultivation，Maren Wehrs, Deepti Tanjore, Thomas Eng, etc. Trends in Microbiology, June 2019, Vol. 27, No. 6