Przegląd inżynierii bioprocesowej

Inżynieria bioprocesowa to dziedzina, która wykorzystuje wiele dyscyplin inżynierskich do wytworzenia określonego produktu z organizmów żywych. Zazwyczaj organizmy są genetycznie zmodyfikowanymi komórkami, które są modyfikowane w celu wytworzenia określonego produktu, białka lub substancji chemicznej. Komórki są następnie hodowane na dużą skalę w celu wytworzenia produktu, który jest następnie oczyszczany za pomocą dalszych procesów, takich jak chromatografia. W tym filmie przedstawimy przykładowy proces biologiczny, dokonamy przeglądu najważniejszych metod w tej dziedzinie, a także niektórych kluczowych wyzwań i zastosowań tej technologii.

Przyjrzyjmy się przykładowemu procesowi biologicznemu wykorzystującemu komórki do produkcji białka produktu. Najpierw wybierany jest organizm, który może być bakteryjny, grzybiczy lub ssaczy, w zależności od jego zdolności do wytwarzania pożądanego produktu. Komórki są modyfikowane genetycznie, aby zmaksymalizować ich zdolność do wytwarzania produktu i zminimalizować niepotrzebne procesy uboczne. Zmodyfikowane komórki są hodowane na dużą skalę, co nazywa się procesem upstream. Powszechną techniką poprzedzającą jest hodowla zawiesinowa, która wykorzystuje bioreaktor naczyniowy do hodowli komórkowej. Hodowla jest rozszerzana, a gęstość komórek wzrasta poprzez przechodzenie do coraz większych objętości. Gdy hodowla osiągnie pożądaną objętość, białko produktu jest zbierane z komórek, albo poprzez wydzielanie, w którym komórki wypluwają białko, albo przez lizę, gdzie komórka jest rozbijana, aby je uwolnić. Produkt jest następnie oczyszczany w dalszym procesie w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak resztki komórek i inne białka. Typowy proces końcowy wykorzystuje wiele rodzajów technologii połączonych szeregowo w celu oczyszczenia i zagęszczenia produktu. Filtracja jest często stosowana w pierwszej kolejności w celu usunięcia resztek komórek i dużych cząstek. Chromatografia to kolejna technologia stosowana do izolowania i zagęszczania białka będącego przedmiotem zainteresowania. Oczyszczony produkt końcowy jest następnie liofilizowany lub liofilizowany, aby ustabilizować białko do przechowywania. Typowe bioprocesy są najpierw projektowane w skali laboratoryjnej, następnie skalowane do skali pilotażowej, a następnie dalej skalowane na potrzeby produkcji. Teraz, gdy przedstawiliśmy podstawowy bioproces, przyjrzyjmy się kilku wybitnym metodom w tej dziedzinie.

Hodowla komórek ssaków jest najczęściej stosowana w przemysłowej produkcji rekombinowanych leków białkowych. Komórki jajnika chomika chińskiego lub komórki CHO są jednym z najczęściej używanych typów komórek. W przeciwieństwie do komórek bakteryjnych, komórki ssaków są zdolne do dokonywania złożonych modyfikacji potranslacyjnych białek. Modyfikacje te są zmianami strukturalnymi lub chemicznymi dokonywanymi w białku po jego translacji w rybosomie. Jest to niezbędne do wytwarzania złożonych struktur, które są niezbędne dla białek terapeutycznych. Hodowla komórek ssaków wymaga starannego rozważenia podczas wzrostu, ponieważ komórki są bardziej wrażliwe niż komórki bakteryjne. Wymagane jest skuteczne napowietrzanie. Należy jednak zminimalizować uszkodzenia spowodowane ścinaniem. Konieczne jest również dobrze kontrolowane, jednorodne środowisko, ze ścisłą kontrolą pH i temperatury oraz szybkim usuwaniem toksycznych produktów. Procesy przemysłowe są skalowane w celu wytworzenia dużej ilości produktu. Skalowanie nie jest tak proste, jak po prostu proporcjonalne zwiększanie głośności, a tym samym rozmiaru sprzętu. Stosowany jest współczynnik skalowania, który jest stosunkiem przepływu masowego jednostki pełnoskalowej do jednostki pilotowej. Współczynniki skalowania służą do określenia wielkości geometrycznie podobnych reaktorów zbiornikowych. Na przykład, jako skale objętościowe, ze współczynnikiem skalowania S, średnica zbiornika skaluje się z S do 1/3. Wynika to z ograniczeń masy i wymiany ciepła przy większej pojemności zbiornika.

Do produkcji produktów biologicznych wykorzystuje się organizmy żywe, które są podatne na zanieczyszczenie. Organizmy zanieczyszczające mogą być bakteriami, grzybami lub wirusami i mogą powstawać z personelu, materiałów lub sprzętu używanego w produkcji. Zanieczyszczenie mikrobiologiczne wprowadza zmienność produktu i może powodować degradację białka produktu. Wiele procesów biologicznych jest wykorzystywanych do wytwarzania produktów leczniczych, które są ściśle regulowane przez agencje rządowe, aby zapewnić, że są bezpieczne i skuteczne. Sam lek najpierw przechodzi rygorystyczne testy laboratoryjne i badania kliniczne. Po zatwierdzeniu leku, proces produkcyjny musi również przejść badanie i zatwierdzenie. Regulacje, choć mają zasadnicze znaczenie dla zapewnienia bezpiecznego produktu końcowego, powodują dodatkowe ograniczenia w procesie inżynieryjnym. Nałożono ścisłe ograniczenia na parametry, takie jak dopuszczalne odczynniki, zanieczyszczenia i stężenia.

Teraz, gdy znasz już niektóre z typowych technik i wyzwań związanych z bioprzetwarzaniem, przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom w świecie rzeczywistym. W przeciwieństwie do leków małocząsteczkowych, takich jak aspiryna i paracetamol, wiele złożonych leków to białka rekombinowane i są wytwarzane w procesie bioprzetwarzania. W ciągu ostatnich 25 lat nastąpił gwałtowny wzrost liczby terapii rekombinowanych białek, z dziesiątkami terapii celowanych. AIDS, rak, choroby zakaźne, gojenie się ran, zaburzenia odżywiania, udar mózgu i wstrząs septyczny to tylko niektóre z obszarów, w których terapia białkowa jest oferowana jako terapia. Bioprzetwarzanie jest również wykorzystywane do produkcji biopaliw, takich jak etanol. Etanol jest produkowany z materiału celulozowego, takiego jak trzcina cukrowa lub kukurydza. Proces rozpoczyna się od wyizolowania celulozy z surowców, po której następuje hydroliza enzymatyczna i fermentacja z drożdżami. Ten bioproces jest przeprowadzany na skalę produkcyjną w celu wytworzenia dużych ilości etanolu do alternatywnej energii.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do bioprzetwarzania. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowy proces biologiczny, niektóre typowe metody i wyzwania, a także zastosowania tej technologii. Dzięki za oglądanie.