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平行生物反应器+PAT如何助力合成生物学走出实验室
来源:https://mp.weixin.qq.com/s/KRLcIDpeVld-OV9nnj9jJw | 作者:T&J | 发布时间: 2023-07-27 | 562 次浏览 | 分享到:
在合成生物学领域中，早期采用的培养皿或摇瓶技术仅仅可以体现高通量的特性，并不能表征放大生产中影响最终产物质量和表达量的过程参数。基于“工业相似性“原则，高通量平行生物反应器（简称平行罐）既能满足类似摇瓶阶段的高通量、低容量特征，又符合工业化生产的过程控制特征，大大提高了研究人员在筛选高性能菌株及工艺优化放大中的工作效率。


SynBio合成生物学

从研发到生产


无论是生物医药，还是合成生物学的研究成果实现从实验室到工业化生产转化通常需要经过两个必要阶段：


No.

01

 大量候选菌（细胞）株的性能测试筛选及优选（生产）株的确定

No.

02

优化生产株的工艺参数及建立放大工艺。


01

高通量平行生物反应器

Bioreactor

在合成生物学领域中，早期采用的培养皿或摇瓶技术仅仅可以体现高通量的特性，并不能表征放大生产中影响最终产物质量和表达量的过程参数。基于“工业相似性“原则，高通量平行生物反应器（简称平行罐）既能满足类似摇瓶阶段的高通量、低容量特征，又符合工业化生产的过程控制特征，大大提高了研究人员在筛选高性能菌株及工艺优化放大中的工作效率。


相对于传统的平行罐，高通量平行罐的单位数量更高，通常12个、24个、甚至上百台都可以使用同一过程控制软件进行批量操作，以保证培养期间多个反应器性能的一致性、参数控制以及检测结果的一致性(图1）。


图1. 高通量平行生物反应器（1.5L × 40）和内置DoE（D2MS Pro过程控制软件）


02

基于QbD的生物工艺开发

QbD

高通量平行罐的推出，给合成生物学利用实验设计（Design of Experiments， DoE）方法高效研究提供了基础。而随着生物工业现代化技术的革新，数据化、智能化、自动化技术也被引入到合成生物学研究中。实现这三种技术的应用，可以借鉴生物药开发原则，利用质量源于设计（Quality-by-Design，QbD）和过程分析技术（Process Analytical Technology, PAT）来指导工业菌株从研发到放大生产过程（图2）。对比传统的质量源于检验（Quality-by-Testing，QbT）或不断试错法，通过QbD的方法可以建立过程和产品属性之间的关联。并且允许对工艺过程中的参数波动进行动态反应，在指定设计空间内执行过程控制变量调整，灵活地维持工艺的最佳状态。


图2. QbD在生物工艺开发中的实施（Rathore, et, al., Life. 2021）


03

过程分析技术

PAT

PAT包括能够测量物理和化学过程参数以及关键属性的分析仪器，其目标是优化过程控制。作为探头或传感器形式的PAT被设计成与生物工艺过程集成，并与计算设备相连，以化学计量建模来解释结果，并对过程进行多层次统计控制。PAT解决方案旨在理解生物过程，并在产品制造的各个阶段实现QbD。PAT实施的目标是促进产品的实时释放，以减少生产周期和成本。


将PAT工具应用于生物过程监测的各种方法（图3）如下：


线上分析（in-line）

将传感器工具置于生物过程中，在反应进行时实时提供数据。例如pH、DO、OD电极，以及尾气分析仪、拉曼光谱等。

离线分析（off-line）

需要从生物过程中取样，并将样品运送到不同的实验室进行手动测量（例如质量控制），数据不能及时反馈至过程控制系统。例如营养成分分析的Nova BioProfile-400、生化检测Cedex Bio等。

在线外分析（at-line）

需要从生物过程中手动取样，并在生物过程现场附近测量样品，以提高获得结果的时间。例如BioProfile Flex、Seg-Flow® Series等。

 在线分析（on-line）

从过程中进行采样循环，并使用分析工具进行实时数据测量。一般需要自动取样设备实现高效高频的样品获取，并用于at-line设备的分析及数据回传过程控制系统。


图3. 生物工艺中常见的测量工具（Zhao, et, al., Engineering in Life Sciences. 2015）


一旦应用于生物工艺，PAT解决方案可以增加对过程的理解和控制，并减轻生产商不合格产品的风险。为了最大程度地优化PAT的效益，必须考虑整个PAT设计，并仔细选择PAT的每个要素，包括传感器、分析技术、数据分析技术、控制策略和过程优化程序。

 

近年来，PAT解决方案的多样性不断增加。有许多不同阶段的PAT技术：有些适用于早期的研究，而其他一些则已经进入了制造领域。便携式和在线PAT工具已经应用于各种生物过程，包括原材料鉴定、发酵过程以及下游过滤和吸收研究。例如简单的化学成分可以通过NIR, MIR, FTIR, NMR, 和 Raman光谱在线检测是非常高效的。


在合成生物学研究中，高通量（微）小型平行反应器受限于体积因素，目前技术条件下的PAT技术很难全面的在小体积、高通量平台上实施，影响了（微）小型平行反应器的使用场景。但在面对中试规模的放大和优化的平行化需求时，可以选择更大体积平行罐结合PAT技术完成中试体积的工艺开发（图4）。体积的增加让PAT技术的应用灵活可行。相信在不远的未来，随着PAT技术的快速发展，工作体积将不再是PAT应用的限制性因素。


图4. PAT技术在平行生物反应器上的应用示意（改编自Zhao, et, al., Engineering in Life Sciences. 2015）


平行生物反应器和PAT技术让QbD理念的贯彻提供可行性，同时，包含了实验设计（DoE）、数据分析、预测模型和设备管理功能的高性能过程控制软件进一步助力合成生物学工业化转移。



07月27日周四19:30，迪必尔生物联合梅特勒托利多推出“合成生物从研发到生产必不可少的利器”主题直播。


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本文来源：迪必尔生物 应用技术与工程研究中心

参考文献：

1. Zhonghu, B. A. I., He, R. E. N., Jiangqi, N. I. E., & Yang, S. U. N. (2023). The recent progresses and applications of in-parallel fermentation technology. Synthetic Biology Journal, 1.

2. Schmidt, A., Helgers, H., Lohmann, L. J., Vetter, F., Juckers, A., Mouellef, M., ... & Strube, J. (2022). Process analytical technology as key‐enabler for digital twins in continuous biomanufacturing. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 97(9), 2336-2346.

3. Rathore, A. S., Mishra, S., Nikita, S., & Priyanka, P. (2021). Bioprocess control: Current progress and future perspectives. Life, 11(6), 557.

4. Gerzon, G., Sheng, Y., & Kirkitadze, M. (2022). Process analytical technologies–advances in bioprocess integration and future perspectives. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 207, 114379.

5. Zhao, L., Fu, H. Y., Zhou, W., & Hu, W. S. (2015). Advances in process monitoring tools for cell culture bioprocesses. Engineering in Life Sciences, 15(5), 459-468.


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