平行生物反應(yīng)器+PAT助力合成生物學(xué)研究成果從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)

無(wú)論是生物醫(yī)藥，還是合成生物學(xué)的研究成果實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化通常需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)必要階段：

No.01  大量候選菌（細(xì)胞）株的性能測(cè)試篩選及優(yōu)選（生產(chǎn)）株的確定

No.02  優(yōu)化生產(chǎn)株的工藝參數(shù)及建立放大工藝。

01  高通量平行生物反應(yīng)器  Bioreactor

在合成生物學(xué)領(lǐng)域中，早期采用的培養(yǎng)皿或搖瓶技術(shù)僅僅可以體現(xiàn)高通量的特性，并不能表征放大生產(chǎn)中影響最終產(chǎn)物質(zhì)量和表達(dá)量的過(guò)程參數(shù)�；�于“工業(yè)相似性“原則，高通量平行生物反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱平行罐）既能滿足類似搖瓶階段的高通量、低容量特征，又符合工業(yè)化生產(chǎn)的過(guò)程控制特征，大大提高了研究人員在篩選高性能菌株及工藝優(yōu)化放大中的工作效率。

 

相對(duì)于傳統(tǒng)的平行罐，高通量平行罐的單位數(shù)量更高，通常12個(gè)、24個(gè)、甚至上百臺(tái)都可以使用同一過(guò)程控制軟件進(jìn)行批量操作，以保證培養(yǎng)期間多個(gè)反應(yīng)器性能的一致性、參數(shù)控制以及檢測(cè)結(jié)果的一致性(圖1）。

 

圖1. 高通量平行生物反應(yīng)器（1.5L × 40）和內(nèi)置DoE（D2MS Pro過(guò)程控制軟件）

 

02  基于QbD的生物工藝開(kāi)發(fā) QbD

高通量平行罐的推出，給合成生物學(xué)利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiments， DoE）方法高效研究提供了基礎(chǔ)。而隨著生物工業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的革新，數(shù)據(jù)化、智能化、自動(dòng)化技術(shù)也被引入到合成生物學(xué)研究中。實(shí)現(xiàn)這三種技術(shù)的應(yīng)用，可以借鑒生物藥開(kāi)發(fā)原則，利用質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（Quality-by-Design，QbD）和過(guò)程分析技術(shù)（Process Analytical Technology, PAT）來(lái)指導(dǎo)工業(yè)菌株從研發(fā)到放大生產(chǎn)過(guò)程（圖2）。對(duì)比傳統(tǒng)的質(zhì)量源于檢驗(yàn)（Quality-by-Testing，QbT）或不斷試錯(cuò)法，通過(guò)QbD的方法可以建立過(guò)程和產(chǎn)品屬性之間的關(guān)聯(lián)。并且允許對(duì)工藝過(guò)程中的參數(shù)波動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反應(yīng)，在指定設(shè)計(jì)空間內(nèi)執(zhí)行過(guò)程控制變量調(diào)整，靈活地維持工藝的最佳狀態(tài)。

 

圖2. QbD在生物工藝開(kāi)發(fā)中的實(shí)施（Rathore, et, al., Life. 2021）

 

03  過(guò)程分析技術(shù)  PAT

PAT包括能夠測(cè)量物理和化學(xué)過(guò)程參數(shù)以及關(guān)鍵屬性的分析儀器，其目標(biāo)是優(yōu)化過(guò)程控制。作為探頭或傳感器形式的PAT被設(shè)計(jì)成與生物工藝過(guò)程集成，并與計(jì)算設(shè)備相連，以化學(xué)計(jì)量建模來(lái)解釋結(jié)果，并對(duì)過(guò)程進(jìn)行多層次統(tǒng)計(jì)控制。PAT解決方案旨在理解生物過(guò)程，并在產(chǎn)品制造的各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)QbD。PAT實(shí)施的目標(biāo)是促進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)釋放，以減少生產(chǎn)周期和成本。

 

將PAT工具應(yīng)用于生物過(guò)程監(jiān)測(cè)的各種方法（圖3）如下：

 

線上分析（in-line）

將傳感器工具置于生物過(guò)程中，在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)。例如pH、DO、OD電極，以及尾氣分析儀、拉曼光譜等。

離線分析（off-line）

需要從生物過(guò)程中取樣，并將樣品運(yùn)送到不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量（例如質(zhì)量控制），數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋至過(guò)程控制系統(tǒng)。例如營(yíng)養(yǎng)成分分析的Nova BioProfile-400、生化檢測(cè)Cedex Bio等。

在線外分析（at-line）

需要從生物過(guò)程中手動(dòng)取樣，并在生物過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)附近測(cè)量樣品，以提高獲得結(jié)果的時(shí)間。例如BioProfile Flex、Seg-Flow® Series等。

在線分析（on-line）

從過(guò)程中進(jìn)行采樣循環(huán)，并使用分析工具進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量。一般需要自動(dòng)取樣設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效高頻的樣品獲取，并用于at-line設(shè)備的分析及數(shù)據(jù)回傳過(guò)程控制系統(tǒng)。
 

圖3. 生物工藝中常見(jiàn)的測(cè)量工具（Zhao, et, al., Engineering in Life Sciences. 2015）

 

一旦應(yīng)用于生物工藝，PAT解決方案可以增加對(duì)過(guò)程的理解和控制，并減輕生產(chǎn)商不合格產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。為了最大程度地優(yōu)化PAT的效益，必須考慮整個(gè)PAT設(shè)計(jì)，并仔細(xì)選擇PAT的每個(gè)要素，包括傳感器、分析技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、控制策略和過(guò)程優(yōu)化程序。

 

近年來(lái)，PAT解決方案的多樣性不斷增加。有許多不同階段的PAT技術(shù)：有些適用于早期的研究，而其他一些則已經(jīng)進(jìn)入了制造領(lǐng)域。便攜式和在線PAT工具已經(jīng)應(yīng)用于各種生物過(guò)程，包括原材料鑒定、發(fā)酵過(guò)程以及下游過(guò)濾和吸收研究。例如簡(jiǎn)單的化學(xué)成分可以通過(guò)NIR, MIR, FTIR, NMR, 和 Raman光譜在線檢測(cè)是非常高效的。

 

在合成生物學(xué)研究中，高通量（微）小型平行反應(yīng)器受限于體積因素，目前技術(shù)條件下的PAT技術(shù)很難全面的在小體積、高通量平臺(tái)上實(shí)施，影響了（微）小型平行反應(yīng)器的使用場(chǎng)景。但在面對(duì)中試規(guī)模的放大和優(yōu)化的平行化需求時(shí)，可以選擇更大體積平行罐結(jié)合PAT技術(shù)完成中試體積的工藝開(kāi)發(fā)（圖4）。體積的增加讓PAT技術(shù)的應(yīng)用靈活可行。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，隨著PAT技術(shù)的快速發(fā)展，工作體積將不再是PAT應(yīng)用的限制性因素。

 

圖4. PAT技術(shù)在平行生物反應(yīng)器上的應(yīng)用示意（改編自Zhao, et, al., Engineering in Life Sciences. 2015）

 

平行生物反應(yīng)器和PAT技術(shù)讓QbD理念的貫徹提供可行性，同時(shí)，包含了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)模型和設(shè)備管理功能的高性能過(guò)程控制軟件進(jìn)一步助力合成生物學(xué)工業(yè)化轉(zhuǎn)移。

 

本文來(lái)源：迪必爾生物 應(yīng)用技術(shù)與工程研究中心

參考文獻(xiàn)：

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