نظرة عامة على هندسة العمليات الحيوية
المعالجة الحيوية هي طريقة تستخدم الكائنات الحية لإنتاج المنتج المستهدف المطلوب. في كثير من الأحيان ، تشير المعالجة الحيوية إلى استخدام المفاعلات الحيو…
هندسة العمليات الحيوية هي مجال يستخدم العديد من التخصصات الهندسية لإنتاج منتج معين من الكائنات الحية. عادة ما تكون الكائنات الحية عبارة عن خلايا معدلة وراثيا تم تصميمها لإنتاج منتج معين أو بروتين أو مادة كيميائية. ثم تزرع الخلايا على نطاق واسع من أجل إنتاج المنتج الذي يتم تنقيته لاحقا باستخدام عمليات المصب ، مثل الكروماتوغرافيا. سيقدم هذا الفيديو مثالا على العمليات الحيوية ، ومراجعة الأساليب البارزة في هذا المجال ، بالإضافة إلى بعض التحديات والتطبيقات الرئيسية للتكنولوجيا.
دعونا نلقي نظرة على مثال على المعالجة الحيوية باستخدام الخلايا لإنتاج بروتين منتج. أولا ، يتم اختيار الكائن الحي ، والذي يمكن أن يكون بكتيريا أو فطريا أو ثدييا ، اعتمادا على قدرته على إنتاج المنتج المطلوب. يتم تعديل الخلايا وراثيا لزيادة قدرتها على إنتاج المنتج وتقليل العمليات الجانبية غير الضرورية. تزرع الخلايا المعدلة على نطاق واسع يسمى عملية المنبع. تقنية المنبع الشائعة هي ثقافة التعليق ، والتي تستخدم مفاعلا حيويا للوعاء لتنمية زراعة الخلايا. يتم توسيع الثقافة وزيادة كثافة الخلايا عن طريق الانتقال إلى أحجام أكبر وأكبر. بمجرد وصول المزرعة إلى الحجم المطلوب ، يتم حصاد بروتين المنتج من الخلايا ، إما عن طريق الإفراز ، حيث تبصق الخلايا البروتين ، أو عن طريق التحلل ، حيث يتم كسر الخلية لإطلاقه. ثم يتم تنقية المنتج في عملية المصب لإزالة الملوثات مثل بقايا الخلايا والبروتينات الأخرى. تستخدم عملية المصب النموذجية أنواعا عديدة من التكنولوجيا على التوالي لتنقية المنتج وتركيزه. غالبا ما يستخدم الترشيح أولا لإزالة بقايا الخلايا والجسيمات الكبيرة. الكروماتوغرافيا هي تقنية أخرى تستخدم لعزل وتركيز البروتين المهم. ثم يتم تجفيف المنتج النهائي المنقى بالتجميد أو تجفيفه بالتجميد لتثبيت البروتين للتخزين. يتم تصميم العمليات الحيوية النموذجية أولا على نطاق المختبر ، ثم يتم توسيع نطاقها إلى نطاق تجريبي ، قبل مزيد من التوسع للتصنيع. الآن بعد أن قدمنا عملية حيوية أساسية ، دعنا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة في هذا المجال.
غالبا ما تستخدم زراعة خلايا الثدييات في الإنتاج الصناعي لعلاجات البروتين المؤتلف. تعد خلايا مبيض الهامستر الصينية، أو خلايا CHO، واحدة من أكثر أنواع الخلايا استخداما. على عكس الخلايا البكتيرية ، فإن خلايا الثدييات قادرة على إجراء تعديلات معقدة بعد الترجمة على البروتينات. هذه التعديلات هي تغييرات هيكلية أو كيميائية يتم إجراؤها على البروتين بعد ترجمته في الريبوسوم. هذا ضروري لإنتاج الهياكل المعقدة الضرورية للبروتينات العلاجية. تتطلب زراعة خلايا الثدييات اعتبارات دقيقة أثناء النمو ، حيث تكون الخلايا أكثر حساسية من الخلايا البكتيرية. مطلوب تهوية فعالة. ومع ذلك ، يجب تقليل ضرر القص. من الضروري أيضا وجود بيئة متجانسة يتم التحكم فيها جيدا ، مع التحكم الصارم في درجة الحموضة ودرجة الحرارة والإزالة السريعة للمنتجات السامة. يتم توسيع نطاق العمليات الصناعية لإنتاج حجم كبير من المنتج. التوسع ليس سهلا مثل زيادة الحجم بشكل متناسب وبالتالي حجم المعدات. يتم استخدام عامل التحجيم ، وهو نسبة التدفق الكتلي للوحدة كاملة الحجم إلى الوحدة التجريبية. تستخدم عوامل القياس لتحديد حجم مفاعلات الخزانات المتشابهة هندسيا. على سبيل المثال ، كمقاييس الحجم ، مع عامل القياس S ، يتدرج قطر الخزان مع S إلى 1/3. هذا بسبب قيود نقل الكتلة والحرارة مع حجم الخزان الأكبر.
يستخدم تصنيع المنتجات البيولوجية الكائنات الحية المعرضة للتلوث. يمكن أن تكون الكائنات الملوثة بكتيريا أو فطريات أو فيروسات ، ويمكن أن تنشأ من الموظفين أو المواد أو المعدات المستخدمة في التصنيع. يؤدي التلوث الميكروبي إلى تقلب المنتج ويمكن أن يتسبب في تدهور بروتين المنتج. تستخدم العديد من العمليات الحيوية لإنتاج منتجات الأدوية ، والتي يتم تنظيمها بشدة من قبل الوكالات الحكومية لضمان أنها آمنة وفعالة. يخضع الدواء نفسه أولا لاختبارات معملية صارمة وتجارب سريرية. بمجرد الموافقة على الدواء ، يجب أن تخضع عملية التصنيع أيضا للفحص والموافقة. التنظيم ، على الرغم من أنه ضروري لضمان منتج نهائي آمن ، إلا أنه يؤدي إلى قيود إضافية على العملية الهندسية. يتم وضع قيود صارمة على المعلمات ، مثل الكواشف المسموح بها والملوثات والتركيزات.
الآن بعد أن رأيت بعض التقنيات والتحديات الشائعة في المعالجة الحيوية ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات العالم الحقيقي. على عكس الأدوية الجزيئية الصغيرة مثل الأسبرين والأسيتامينوفين ، فإن العديد من الأدوية المعقدة عبارة عن بروتينات مؤتلفة ويتم تصنيعها عن طريق المعالجة الحيوية. زادت علاجات البروتين المؤتلف بسرعة في السنوات ال 25 الماضية ، مع العشرات من العلاجات المستهدفة. الإيدز والسرطان والأمراض المعدية والتئام الجروح واضطرابات التغذية والسكتة الدماغية والصدمة الإنتانية ليست سوى عدد قليل من المجالات التي يتم فيها تقديم علاجات البروتين كعلاج. تستخدم المعالجة الحيوية أيضا لصنع الوقود الحيوي ، مثل الإيثانول. يتم إنتاج الإيثانول من مادة السليلوزية ، مثل قصب السكر أو الذرة. تبدأ العملية بعزل السليلوز من المواد الأولية ، يليه التحلل المائي الأنزيمي والتخمير بالخميرة. يتم تنفيذ هذه العملية الحيوية على نطاق التصنيع من أجل إنتاج كميات كبيرة من الإيثانول للطاقة البديلة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمعالجة الحيوية. يجب أن تفهم الآن العملية الحيوية الأساسية ، وبعض الأساليب والتحديات الشائعة ، بالإضافة إلى تطبيقات التكنولوجيا. شكرا للمشاهدة.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
هندسة العمليات الحيوية هي مجال يستخدم العديد من التخصصات الهندسية لإنتاج منتج معين من الكائنات الحية. عادة ما تكون الكائنات الحية عبارة عن خلايا معدلة وراثيا تم تصميمها لإنتاج منتج معين أو بروتين أو مادة كيميائية. ثم تزرع الخلايا على نطاق واسع من أجل إنتاج المنتج الذي يتم تنقيته لاحقا باستخدام عمليات المصب ، مثل الكروماتوغرافيا. سيقدم هذا الفيديو مثالا على العمليات الحيوية ، ومراجعة الأساليب البارزة في هذا المجال ، بالإضافة إلى بعض التحديات والتطبيقات الرئيسية للتكنولوجيا.
دعونا نلقي نظرة على مثال على المعالجة الحيوية باستخدام الخلايا لإنتاج بروتين منتج. أولا ، يتم اختيار الكائن الحي ، والذي يمكن أن يكون بكتيريا أو فطريا أو ثدييا ، اعتمادا على قدرته على إنتاج المنتج المطلوب. يتم تعديل الخلايا وراثيا لزيادة قدرتها على إنتاج المنتج وتقليل العمليات الجانبية غير الضرورية. تزرع الخلايا المعدلة على نطاق واسع يسمى عملية المنبع. تقنية المنبع الشائعة هي ثقافة التعليق ، والتي تستخدم مفاعلا حيويا للوعاء لتنمية زراعة الخلايا. يتم توسيع الثقافة وزيادة كثافة الخلايا عن طريق الانتقال إلى أحجام أكبر وأكبر. بمجرد وصول المزرعة إلى الحجم المطلوب ، يتم حصاد بروتين المنتج من الخلايا ، إما عن طريق الإفراز ، حيث تبصق الخلايا البروتين ، أو عن طريق التحلل ، حيث يتم كسر الخلية لإطلاقه. ثم يتم تنقية المنتج في عملية المصب لإزالة الملوثات مثل بقايا الخلايا والبروتينات الأخرى. تستخدم عملية المصب النموذجية أنواعا عديدة من التكنولوجيا على التوالي لتنقية المنتج وتركيزه. غالبا ما يستخدم الترشيح أولا لإزالة بقايا الخلايا والجسيمات الكبيرة. الكروماتوغرافيا هي تقنية أخرى تستخدم لعزل وتركيز البروتين المهم. ثم يتم تجفيف المنتج النهائي المنقى بالتجميد أو تجفيفه بالتجميد لتثبيت البروتين للتخزين. يتم تصميم العمليات الحيوية النموذجية أولا على نطاق المختبر ، ثم يتم توسيع نطاقها إلى نطاق تجريبي ، قبل مزيد من التوسع للتصنيع. الآن بعد أن قدمنا عملية حيوية أساسية ، دعنا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة في هذا المجال.
غالبا ما تستخدم زراعة خلايا الثدييات في الإنتاج الصناعي لعلاجات البروتين المؤتلف. تعد خلايا مبيض الهامستر الصينية، أو خلايا CHO، واحدة من أكثر أنواع الخلايا استخداما. على عكس الخلايا البكتيرية ، فإن خلايا الثدييات قادرة على إجراء تعديلات معقدة بعد الترجمة على البروتينات. هذه التعديلات هي تغييرات هيكلية أو كيميائية يتم إجراؤها على البروتين بعد ترجمته في الريبوسوم. هذا ضروري لإنتاج الهياكل المعقدة الضرورية للبروتينات العلاجية. تتطلب زراعة خلايا الثدييات اعتبارات دقيقة أثناء النمو ، حيث تكون الخلايا أكثر حساسية من الخلايا البكتيرية. مطلوب تهوية فعالة. ومع ذلك ، يجب تقليل ضرر القص. من الضروري أيضا وجود بيئة متجانسة يتم التحكم فيها جيدا ، مع التحكم الصارم في درجة الحموضة ودرجة الحرارة والإزالة السريعة للمنتجات السامة. يتم توسيع نطاق العمليات الصناعية لإنتاج حجم كبير من المنتج. التوسع ليس سهلا مثل زيادة الحجم بشكل متناسب وبالتالي حجم المعدات. يتم استخدام عامل التحجيم ، وهو نسبة التدفق الكتلي للوحدة كاملة الحجم إلى الوحدة التجريبية. تستخدم عوامل القياس لتحديد حجم مفاعلات الخزانات المتشابهة هندسيا. على سبيل المثال ، كمقاييس الحجم ، مع عامل القياس S ، يتدرج قطر الخزان مع S إلى 1/3. هذا بسبب قيود نقل الكتلة والحرارة مع حجم الخزان الأكبر.
يستخدم تصنيع المنتجات البيولوجية الكائنات الحية المعرضة للتلوث. يمكن أن تكون الكائنات الملوثة بكتيريا أو فطريات أو فيروسات ، ويمكن أن تنشأ من الموظفين أو المواد أو المعدات المستخدمة في التصنيع. يؤدي التلوث الميكروبي إلى تقلب المنتج ويمكن أن يتسبب في تدهور بروتين المنتج. تستخدم العديد من العمليات الحيوية لإنتاج منتجات الأدوية ، والتي يتم تنظيمها بشدة من قبل الوكالات الحكومية لضمان أنها آمنة وفعالة. يخضع الدواء نفسه أولا لاختبارات معملية صارمة وتجارب سريرية. بمجرد الموافقة على الدواء ، يجب أن تخضع عملية التصنيع أيضا للفحص والموافقة. التنظيم ، على الرغم من أنه ضروري لضمان منتج نهائي آمن ، إلا أنه يؤدي إلى قيود إضافية على العملية الهندسية. يتم وضع قيود صارمة على المعلمات ، مثل الكواشف المسموح بها والملوثات والتركيزات.
الآن بعد أن رأيت بعض التقنيات والتحديات الشائعة في المعالجة الحيوية ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات العالم الحقيقي. على عكس الأدوية الجزيئية الصغيرة مثل الأسبرين والأسيتامينوفين ، فإن العديد من الأدوية المعقدة عبارة عن بروتينات مؤتلفة ويتم تصنيعها عن طريق المعالجة الحيوية. زادت علاجات البروتين المؤتلف بسرعة في السنوات ال 25 الماضية ، مع العشرات من العلاجات المستهدفة. الإيدز والسرطان والأمراض المعدية والتئام الجروح واضطرابات التغذية والسكتة الدماغية والصدمة الإنتانية ليست سوى عدد قليل من المجالات التي يتم فيها تقديم علاجات البروتين كعلاج. تستخدم المعالجة الحيوية أيضا لصنع الوقود الحيوي ، مثل الإيثانول. يتم إنتاج الإيثانول من مادة السليلوزية ، مثل قصب السكر أو الذرة. تبدأ العملية بعزل السليلوز من المواد الأولية ، يليه التحلل المائي الأنزيمي والتخمير بالخميرة. يتم تنفيذ هذه العملية الحيوية على نطاق التصنيع من أجل إنتاج كميات كبيرة من الإيثانول للطاقة البديلة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمعالجة الحيوية. يجب أن تفهم الآن العملية الحيوية الأساسية ، وبعض الأساليب والتحديات الشائعة ، بالإضافة إلى تطبيقات التكنولوجيا. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main stages of a bioprocess?
A bioprocess consists of three main stages: organism selection and genetic modification to maximize product production, upstream processing where modified cells are grown at large scale in bioreactors, and downstream processing where the product is purified and concentrated using filtration and chromatography. The purified product is then lyophilized for storage stability.
Q2: Why are mammalian cells preferred for producing therapeutic proteins?
Mammalian cells, particularly Chinese hamster ovary cells, perform complex post-translational modifications—structural and chemical changes made to proteins after translation. These modifications are essential for creating the complex protein structures required for therapeutic effectiveness. Unlike bacterial cells, mammalian cells can produce proteins with the necessary biological activity for drug applications.
Q3: What challenges arise when scaling up bioprocesses from pilot to manufacturing scale?
Scaling up bioprocesses is complex because simply increasing volume proportionally doesn't work. Scaling factors account for mass and heat transfer limitations in larger tanks. For example, when volume scales by factor S, tank diameter scales by S to the 1/3 power. Additionally, mammalian cells require careful control of aeration, shear stress, pH, temperature, and toxic product removal to maintain viability and productivity.
Q4: How does microbial contamination affect bioprocess manufacturing?
Microbial contamination from bacteria, fungi, or viruses introduces product variability and causes protein degradation. Contaminants can originate from personnel, materials, or equipment. Since drug manufacturing is heavily regulated, strict limitations are placed on permissible reagents, contaminants, and concentrations. Contamination control is critical for ensuring safe, effective final products that meet regulatory approval standards.
Q5: What methods are used to harvest and purify product proteins in bioprocessing?
Product proteins are harvested through secretion, where cells release the protein, or lysis, where cells are broken to release it. Downstream purification uses multiple technologies in series: filtration removes cell debris and large particles, chromatography isolates and concentrates the protein of interest, and lyophilization freeze-dries the final product for storage and stability.
Q6: What are the main applications of bioprocessing technology?
Bioprocessing produces recombinant protein therapeutics for complex diseases including AIDS, cancer, infectious diseases, wound healing, and stroke. Unlike small molecule drugs, many modern therapeutics are proteins made via bioprocessing. Additionally, bioprocessing manufactures biofuels like ethanol from cellulosic materials through enzymatic hydrolysis and fermentation with yeast at manufacturing scale.
Q7: How does the bioprocess design process progress from laboratory to manufacturing?
Bioprocesses are first designed and tested at laboratory scale to establish feasibility and optimize conditions. The successful process is then scaled up to pilot scale for validation and refinement. Once pilot-scale performance meets requirements, the process undergoes further scaling for full manufacturing production, with each stage informing design parameters for the next level.