Поиск
Поиск
Распространенный вопрос – когда наступает время переходить с планшетов и колб на биореакторы при разработке нового биопродукта?
Мы постараемся ответить на этот вопрос в следующих статьях, в которых рассмотрим несколько сценариев ранней стадии, где биореакторы могут быть использованы не только для разработки основы проекта, но и для ускорения прогресса на этапах проекта, которые часто считаются слишком ранними для биореакторов.
Часть 1. Определение коммерческой Жизнеспособности
Экономика
Коммерческая жизнеспособность любого биопродукта должна быть оценена с помощью технико-экономического анализа (TЭA) до начала любой крупномасштабной работы. В рамках TЭA разрабатывается финансовая модель, основанная на особенностях процесса, чтобы определить, является ли целевая стоимость продукта возможной с точки зрения технологического процесса и выбранного штамма. Для проведения всестороннего анализа и построения точной модели процесса требуется ряд исходных данных.
Некоторые из исходных данных для ТЭА, такие как скорость роста штамма-продуцента, могут быть определены на основе общедоступных данных или институциональных знаний. Большое значение для точности ТЭА имеет проведение предварительных экспериментов для эмпирической проверки расчетов. Стоимость вывода нового биопродукта на рынок велика, и экспериментальная проверка некоторых ключевых допущений в начале проекта может помочь избежать дорогостоящих ошибок в течение месяцев или даже лет разработки.
Итак, мы определили ряд областей, в которых предварительная работа в биореакторах может быть чрезвычайно ценной. В идеале это должно быть параллельное культивирование в биореакторах небольшого объема.
Выбор штамма-продуцента
Существует несколько различных модельных организмов, используемых в промышленных биопроцессах, включая Saccharomyces cerevisiae, Escherichia coli и Pichia pastoris. Помимо обычных модельных организмов, существует великое множество микробов, которые способны производить различные натуральные продукты в различных условиях. Невероятно, но существует практически бесконечное количество продуктов, которые могут быть произведены микробами с помощью инструментов прогнозирования функций ферментов и современных методов генной инженерии, доступных сегодня.
Идеальный микроорганизм для производства любого биопродукта будет определяться сочетанием физиологии организма, генетических инструментов, доступных для модификации генома, и относительной сложности предлагаемого метаболического пути. Часто существует несколько штаммов-кандидатов для производства нужной молекулы, и несколько факторов могут влиять на то, какой организм лучше всего подходит для конкретного продукта.
Эмпирическое тестирование различных показателей производительности исходного штамма может помочь определить, будет ли клетка работать так, как было смоделировано в первоначальном тестировании. В то время как генная инженерия может изменять фенотипы штаммов, базовая оценка может помочь определить, будет ли организм соответствовать показателям производительности, необходимым для коммерчески жизнеспособного процесса. Эти тесты могут быть выполнены с одним или несколькими штаммами-кандидатами для проверки их пригодности к промышленному культивированию.
Некоторые из факторов, которые могут быть проверены для оценки пригодности штамма для крупномасштабного производства биомолекул, включают:
Темпы роста
Скорость роста потенциального штамма-продуцента может быть проверена в биореакторе, чтобы определить, будет ли фаза роста этого штамма соответствовать смоделированным срокам. Основным фактором, определяющим общую стоимость биопроцесса, является время культивирования, и если штамм дикого типа или ранний производственный штамм не соответствует требуемым показателям удельной скорости роста, то полученный в итоге производственный штамм, скорее всего, также не дотянет до модельной скорости роста.
|
Скорости поглощения субстрата
Производство биомолекулы будет зависеть от скорости поглощения субстрата и того, как этот субстрат превращается микроорганизмом в биомассу, техническое обслуживание ферментера и, в конечном счете, продукт. Исходя из этого и смоделированного метаболического пути, можно определить скорости поглощения субстрата, необходимые для достижения смоделированной производительности. Если скорость поглощения субстрата ниже требуемой производительности при учете других требований, будет трудно достичь желаемой производительности конечного продукта.
|
Пригодность для реакторов промышленного масштаба
Биореакторы производственных масштабов имеют ряд ограничений из-за их огромных размеров. Чтобы определить, осуществим ли предлагаемый процесс с конкретным микроорганизмом с точки зрения масштабируемости, предварительные исследования могут быть проведены в небольших биореакторах. Например, большие реакторы обычно имеют верхние пределы скорости переноса кислорода. Проверка того, соответствуют ли скорости поглощения кислорода в биомассе нормам, стандартным для крупномасштабных реакторов, может помочь определить, будет ли процесс жизнеспособным на крупном масштабе.
Кроме того, микроорганизмы, предназначенные для процессов производственного масштаба, должны демонстрировать уровень надежности процесса, соответствующий условиям, возникающим имеено на производственном масштабе. Тесты на устойчивость, особенно для новых микроорганизмов, для которых имеется мало данных, могут определить, может ли конкретный штамм выдерживать сложные условия, возникающие в большом биореакторе, такие как длительное время культивирования (много поколений) между пересевами, и колебания важнейших параметров процесса. Моделирование этих параметров в небольших биореакторах может помочь определить, хорошо ли выбранный штамм подходит для суровых условий крупномасштабного производства.
Требования к сырью
Одним из существенных факторов, влияющих на просчет ТЭА, являются затраты на сырье, необходимое для культивирования выбранного штамма. Некоторые из этих компонентов, особенно такие как микроэлементы или витамины, могут быть дорогостоящими, и необходимое их количество может существенно повлиять на общую стоимость процесса и экономическую эффективность модели. Эмпирическое определение коэффициентов выхода или количества каждого субстрата, потребляемого для получения определенного количества биомассы, может помочь оценить затраты на производство питательной среды для процесса. Кроме того, многие биопроцессы требуют использования необработанных субстратов, которые относительно не очищены по сравнению с химическими веществами лабораторного класса. Эти субстраты промышленного класса могут содержать примеси или иметь сезонные колебания. Там, где это возможно, стоит определить, может ли выбранный штамм использовать субстраты, прописанные в ТЭА, без какого-либо негативного влияния на рост. Тестирование различных источников или партий предлагаемого субстрата поможет определить, может ли штамм демонстрировать изменчивость производительности в зависимости от источника субстрата.
Токсичность
Многие биопродукты должны производиться в относительно высоких титрах, чтобы достичь коммерческой жизнеспособности. Однако эти концентрации могут оказывать негативное токсическое воздействие на микроорганизмы, которые их производят. Токсичность продукта может устанавливать верхний предел титра продукта, производимого микроорганизмом, или резко снижать скорость производства продукта. И то, и другое влияет на экономику процесса, и важно учитывать токсичность продукта в экономических моделях. В то время как усилия по разработке технологических процессов или новых штаммов могут быть использованы для снижения токсичности продукта, они редко способны полностью устранить воздействие токсичного продукта на клетки. Кроме того, ранние признаки токсичности продукта могут быть использованы в качестве сигнала для включения мер по смягчению последствий в долгосрочные планы проектов.
Несмотря на то, что исследования токсичности могут проводиться в колбах на качалках или микропланшетах, они могут не в полной мере отражать реальное влияние токсичности продукта на клетки в биореакторе. Такие платформы, как правило, поддерживают гораздо более низкие уровни биомассы и имеют ограниченный контроль рН. Кроме того, исследования токсичности на этих платформах чаще всего проводятся в виде точечных исследований с использованием высоких концентраций интересующего продукта. Это не отражает процесс, происходящий в биореакторе, где высокая плотность клеток обычно приводит к более медленному производству продукта в хорошо контролируемой среде. Поэтому для более точной оценки потенциальной токсичности продукта исследования следует проводить в условиях, сопоставимых с реакторами производственного масштаба.
В то время как предварительные исследования раннего производственного штамма или даже микроба дикого типа могут не полностью отражать поведение коммерческого производственного штамма, эксперименты могут предоставить эмпирические данные для информирования о входах в ТЭА и выявить ранние признаки того, что для долгосрочного успеха может потребоваться изменение стратегии. Важно отметить, что внедрение биореакторов на ранних стадиях разработки процесса вполне оправдано, учитывая значительные затраты, необходимые для коммерциализации биопроцесса.
Важно помнить, что относительно высокая доля биопроцессов, которые не масштабируются, обусловлена факторами, которые могут быть выявлены экспериментально полученными данными, используемыми для формирования TЭА.
