合成生物學產(chǎn)業(yè)化道路上的技術堵點和解決方案
為什么大家一致認為發(fā)酵技術是合成生物技術堵點？
首先，我們合成生物技術在這20多年的發(fā)展是進步非�？斓模F(xiàn)在基本上可以快速的、高通量的、自動化的、低成本的去實現(xiàn)菌種構建，從過去需要幾年幾個月縮短到現(xiàn)在僅需幾個禮拜就可以實現(xiàn)大量的菌種構建。但是對應的發(fā)酵工程技術是一個卡脖子技術沒有對應的一個高通量、低成本、自動化這樣的技術，所以這一塊我們希望能夠通過我們的工作來解決一些這樣的問題。
第二，就是說在合成生物學整個比較長的一個研究路線當中，上游的菌種構建和中游的工藝開發(fā)中間有個脫節(jié)的問題。這個脫節(jié)表現(xiàn)在我們在上游菌種構建的時候過多的把精力注意集中到遺傳因素的改變，集中到了代謝途徑網(wǎng)絡，忽略了在發(fā)酵過程當中反應器當中的一些參數(shù)對細胞的影響。
比如說，操作變量都會最終作用到我們細胞內(nèi)，再引起到我們的生理狀態(tài)的變化，而這些生理狀態(tài)參數(shù)的變化反過來再進一步影響到我們發(fā)酵細胞內(nèi)部的一些變化。而這樣的一個過程更多的受環(huán)境變量的影響，也就是說環(huán)境變量的影響結合我們遺傳變量的影響才是能夠為我們菌種構建更多的去增加一些信息變量，而過去可能在發(fā)酵過程當中忽略了這一影響。
那么這個時候，我們就提出了一個叫DBTL循環(huán)，也就是我們基于生物鑄造廠的這個模式，再加一個發(fā)酵過程的參數(shù)，就打通了我們細胞和反應器內(nèi)外的參數(shù)影響，所以我們提出“跨尺度的生物鑄造廠”去實現(xiàn)。
那么脫節(jié)的現(xiàn)象表現(xiàn)在什么地方呢？過去我們在菌種篩選環(huán)節(jié)大家能用的主要是搖瓶、試管，它有通量高操作方便的好處，但是它缺點是參數(shù)不可控不可檢測。反應器則正好相反，反應器有各種參數(shù)檢測和控制，但是它通量有低，在過去體現(xiàn)還不明顯。
但是隨著合成生物技術的發(fā)展，大量的菌種等待的驗證和工藝開發(fā)，這個時候就需要一種反應器能夠把過去搖瓶和反應器的優(yōu)點結合起來，實現(xiàn)菌種的篩選和工藝的開發(fā)有機的結合。隨著合成生物技術發(fā)展，也有大量的這個工藝參數(shù)需要測試，這樣的一個測試需要我們開發(fā)一個新型反應器去解決這個問題。
過去反應器已經(jīng)使用了這么多年，但是傳統(tǒng)的反應器由于設備體積大，導致了操作通量低，一年下來做不了幾個批次。而且過去的反應器，使用過程中對人的要求比較高，而且對周邊的配套和設施也有很要求，就抑制了大家實際的需要。但是隨著這個反應技術發(fā)展，我們開發(fā)了高通量的發(fā)酵平臺。這樣的平臺可以幫助我們用戶實現(xiàn)降本增效和提速。
平行生物反應器降本可以降什么成本？
第一，節(jié)省空間。同樣是一個100平米的試驗室，如果用高通的平行反應器，可以擺100多個發(fā)酵罐，而過去的傳統(tǒng)反應器，可能只能擺10個左右。
第二，節(jié)省人員。因為現(xiàn)在操作一個高通的發(fā)酵平臺，五六個人就能實現(xiàn)操作100多個發(fā)酵罐，過去是現(xiàn)實不了的。
第三，材料試劑耗材也會大大節(jié)省。
所以，我們可以將工藝開發(fā)從過去5-10年的時間縮短到3-6個月。在合成生物學這個領域，是一個非常有價值的基礎設施的配置。能夠把我們過去需要這么多年的時間大大縮短。
第四，菌種的篩選和工藝的開發(fā)有機的結合還能實現(xiàn)匹配。
最后，我們能實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，不過多的依賴于人。
這塊在國際上已經(jīng)發(fā)展很多年，具有代表性的有以下幾個：Eppendorf、Infors 、Applikon 、Sartorius 、Culture。那么國內(nèi)比較代表性的就是迪比爾和我們曼森。迪比爾走的比較超前，是一家做的非常好的公司，他們的產(chǎn)品在國內(nèi)應用領域已經(jīng)非常廣。
平行生物反應器和過去的反應器有什么區(qū)別？
實際上平行反應器具備過去反應器上的參數(shù)，你能夠測的它都有。但是過去的反應器一般都是用一種標準控制原理，就是用變速器＋PLC＋驅(qū)動器去實現(xiàn)控制。
但如果你要是做好多個平行的話，就需要平行配備好幾個，這種反應器叫多聯(lián)反應器。他的控制了是必須是疊加的，很難實現(xiàn)同步化。平行反應器的技術原理采用一種主板芯片的方式替代PLC、變送器、驅(qū)動器的功能，留一個上位就夠了，或者說只有一個界面就能實現(xiàn)，國際上基本上都是采用主板形式的原理。
首先我們開發(fā)的平行反應器它的體積是500毫升或者是一升，最多也就兩升這樣的規(guī)模，他小了有什么好處？
小了可以做到高通量，但是又不能太小。因為太小了之后，他的結構不能模擬大生產(chǎn)的發(fā)酵罐，我們開發(fā)工藝的最終目的是要實現(xiàn)放大，所以說他有一個范圍的。
縮小了以后帶來一系列的好處，大家可以掃碼去關注曼森生物視頻號，有這一類反應器的使用場景。具體我們在這方面做了一些改進：
第一，我們采用這種主板芯片的這種控制原理，它帶來各個發(fā)酵罐同步的好處，同步了以后它就平行。我們這樣的一個芯片可以通控制很多個發(fā)酵罐，而且用一個界面替代過去PLC原理，過去的這種原理元氣件的節(jié)點比較多，發(fā)生故障的頻率就比較高。
但是如果改成我們這樣的芯片的方式，故障率就大大降低，即使有故障，更換這樣一個芯片也是非常方便的，不需要我們廠家去更換，用戶自己可以更換的，而且更換的時間也很短的。
另外就這樣的一個主板芯片的控制原理，它實現(xiàn)了信號的并形發(fā)送和控制，也就是不管你多少個罐，它這個信號是同步發(fā)生同步接收的。但是過去的這種原理他是串行的。在這樣的一個基礎上，它還有個好處是什么？
我們傳統(tǒng)的發(fā)酵罐一般有20個左右的參數(shù)，但是我們預留了40多個參數(shù)接口，未來你要去增加參數(shù)的時候，就很容易接。比如說拉曼、紅外、生化分析儀等都可以直接接，不需要改變?nèi)魏巍?/span>
平行生物反應器最核心的指標就是平行性，因為有了平行性系統(tǒng)誤差就小，數(shù)據(jù)就可信可靠。我們的反應器最大的優(yōu)點就是平行性，你可以看到這是8個罐的參數(shù)，最上面的是pH值，八個罐的參數(shù)是重合到一起的。所以有這樣的一個優(yōu)勢特點以后，對我們開發(fā)工藝是非常有幫助的。
我們的軟件界面追求易用性，就是最好你不要看說明書，點幾下就知道怎么操作了。實現(xiàn)一鍵操作、一鍵啟動、一鍵停止、一鍵標定等。另外我們自編DOE，不光是把培養(yǎng)基進行這個DOE組合，也操作變量，比如說攪拌、溫度、通氣都進行DOE設計。
另外，我們現(xiàn)在又開發(fā)出新型號平行生物反應器，雖然是單個的，但是他一樣具有平行性，用一個電腦或者一個界面就可以控制所有的發(fā)酵罐。我們最終的目標主要是為了幫助客戶搭建高通發(fā)酵平臺，我們也開發(fā)移動控制，就是只要有一個iPad或者一個手機，你就可以在辦公室里控制它，也可以調(diào)用它的參數(shù)。如果說配置多的時候，我們又增加了燈帶，發(fā)酵罐一旦出現(xiàn)故障就很容易鑒別出。
建設高通量發(fā)酵平臺實際上不是簡單的把發(fā)酵罐買一堆放到一起就夠了，有一系列的問題待解決。比如說發(fā)酵罐多了以后，培養(yǎng)基怎么配置分裝？這需要自動化。
怎么實現(xiàn)同步滅菌？取樣如何實現(xiàn)自動化？不管有多少個在線參數(shù)，仍然離不開離線參數(shù)，因為很多指標是在線參數(shù)測不到的，那么取樣以后怎么檢測？樣品如何保管？包括發(fā)酵罐怎么樣的清洗？這都需要配套的自動化來去跟上的。
這塊我們設計了相應的裝備，包括相應的軟件實現(xiàn)這個數(shù)據(jù)的集成管理，有的已經(jīng)開始銷售了，有的還處于方案階段。比如我們?nèi)又�，通過機器人送到檢測室。夜里面取完樣以后人不在，便有移動機器人送到檢測室，檢測室另外的機器人去實現(xiàn)樣品的這個檢測。包括離心、測OD值、測生化指標，都是可以完全實現(xiàn)無人化的這個模式，包括整合第三方的這種這個檢測儀器。
文章轉載自 iSynBio造物公眾號
