H.E.L BioXplorer大规模生物培养上的应用

H.E.L BioXplorer大规模生物培养上的应用

作为方法和工具，系统生物学和合成生物学越来越多地被用来研究复杂的生物系统。在扩大微生物生产规模中遇到的许多问题都可以通过这些方法解决。系统生物学用于研究微生物系统在生物反应器中对营养物质、溶解气体和压力波动的反应。合成生物学用于评估和调节菌株，对菌株进行工程改造以提高产量。

    H.E.L以其系列化产品可为科研及生产提供从微型到放大的全部解决方案。

l  产业规模扩大过程中遇到的挑战

   众所周知，微生物生产的化合物非常广泛，从燃料、化学品到药品都有涉及。然而，尽管有相当数量的案例成功过渡到工业规模以及上市产品，但在核心的生物技术转化层面，缺乏适合工业规模生物反应器的菌株。因为，商业规模生物反应器的环境与实验室规模（如摇瓶）的环境截然不同。

  微生物生产的工业放大已经相当成熟。相比之下，微生物表型对生物反应器条件的波动、长期培养过程中产生的基因型漂移、以及其他生理因素，这些方面的研究比较少，而且，这些因素对规模放大的潜在影响直到最近才得到解决。而对这一领域的最大贡献就是缩小模型，即利用小模型去模拟微生物在大规模生长和生产的条件，高通量测试优化菌株，从而筛选出规模型的菌株，以实现更好的生产。

 l  实验室规模菌株筛选并未考虑生产规模的参数

在微量滴定板和摇瓶中进行的许多测量与生物反应器研究期间进行的分析是不同的（图2）。实验室规模的菌株优化无法解决生物工艺向商业化方向发展时所面临的挑战。

Ø  物理影响因素

实验室规模和生产规模的一个显著区别就是操作压力。随着生物反应器体积的增加，生物反应器中液面高度会产生更高的压力梯度，而压力可以影响生物的特性，包括酶活性和细胞膜通透性，这些都会影响到细胞的活力和代谢通量。商业规模的生物反应器底部压力增加，气体的溶解度也随之增加。比如，培养液中溶解的CO₂（dCO₂）与碳酸氢根和碳酸根离子处于平衡状态，碳酸氢根和碳酸根离子有助于介质的渗透压，从而影响培养液的pH值。因此，dCO₂可影响到溶解气体本身的积累、渗透压变化、pH值变化，甚至是这三个因素的组合。

Ø  化学影响因素

随着生物反应器体积的增加，混合时间从几秒钟（实验室规模）增加到几分钟（数百立方米）。此外，大型生物反应器内部组件，如喷洒器、挡板和冷却盘管，可能会产生混合、传热和气液传质不良的死区。在大规模生产过程中，混合不完全会导致微环境不均匀，使生物过程各参数形成梯度，比如pH、温度、溶解氧（DO）、dCO2和营养素浓度。这些变化可能会导致暂时或永久性的损伤，如氧化损伤、营养限制和其他应激反应，从而降低微生物的生存能力、稳定性和生产力。

l  系统生物学可以解决规模化带来的问题

在大型发酵罐中，培养液微环境的不均匀可触发微生物的遗传和生理反应。高通量分析（如自动DNA测序和组学技术）以及高通量筛选平台技术，使规模生产的工业条件能够通过缩小实验规模在实验室中来模拟。大型发酵罐的数学模型为设计缩小规模和预测大规模环境提供了重要指导。这种方法提高了关键性能指标（如TRY）从实验室到工厂的全面、快速转化的可能性，从而最大限度地降低启动成本。

气体混合、底物和营养物质的不均一性、以及微生物种群的表型和遗传异质性，都在这方面得到了检验。

系统的讲就是，为扩大工程菌株的规模，首先需要设想出大规模生产的条件，以便用小规模去模拟这些条件，然后筛选出满足相关需求的宿主/途径组合。化学抑制（通过培养基成分、代谢产物和产物）和生产对生长的依赖是两个需要考虑的因素，这些可以通过小规模筛选环境中的系统生物学和合成生物学的方法来解决。

l  BioExplorer可以为系统生物学和合成生物学方法提供数据

由于大型生物反应器的操作成本很高，与实验室规模的平板或烧瓶相比，工艺条件的测试范围非常有限。而且，基于大型生物反应器的工艺开发研究是资源密集型的，这就限制了我们重复多个实验的能力。

H.E.L的BioExplorer具有高通量生长测量板设计，它基于模拟中试规模生物反应器的培养过程控制，既满足实验室规模的低容量测试要求，又满足高通量测试要求，同时还提供了生物反应器规模的多种模拟参数。

把商业规模培养条件小型化，可以使相关的成本降低、效益提高，而且高通量能力可以显著增加实验室规模测试的参数数量。这就使得我们可以在不同规模条件下测试新宿主的性能（表1）。然而，传统的过程开发实验设计（DOE）方法往往受到研究人员对商业规模条件理解的限制，选择用于测试的参数质量也随着被测试参数的数量而受到影响。利用小模型去模拟大规模生产条件，就不会产生此类问题。

      BioExplorer可用于在高达5 bar的压力下进行补料分批培养。通过使用这些1-250mL大小的反应器，研究人员可以在更商业化的条件下进行合理的高通量培养。

l  结束语

在目前的技术水平下，合成生物学和系统生物学越来越多地支持对工业菌株的生理学特性进行表征。高通量测量及小型化的方法，可以高效地将生产工艺从实验室转化为中试和商业规模。

    H.E.L的BioExplorer为更低的研发投资和风险、更快速地引入新产品提供光明的前景。随着我们对生物工程机械理解的越来越深入，我们使用大型系统收集数据的能力也越来越强大，我们就可以为微生物转化为商品、材料、食品、药品和燃料的大规模生物制造提供有力的解决方案。

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