Обзор биотехнологической инженерии

Биотехнологическая инженерия — это область, которая использует множество инженерных дисциплин для производства определенного продукта из живых организмов. Как правило, организмы представляют собой генетически модифицированные клетки, которые спроектированы для производства определенного продукта, белка или химического вещества. Затем клетки выращиваются в больших масштабах для производства продукта, который затем очищается с помощью последующих процессов, таких как хроматография. В этом видео будет представлен пример биопроцесса, рассмотрены основные методы в этой области, а также некоторые ключевые проблемы и применения технологии.

Давайте рассмотрим пример биопроцесса с использованием клеток для производства белка продукта. Сначала подбирается организм, который может быть бактериальным, грибковым или млекопитающим, в зависимости от его способности производить нужный продукт. Клетки генетически модифицируются, чтобы максимизировать их способность производить продукт и свести к минимуму ненужные побочные процессы. Модифицированные клетки выращиваются в больших масштабах, называемых восходящим процессом. Распространенным методом подготовки является суспензионная культура, в которой для выращивания клеточной культуры используется сосудистый биореактор. Культура расширяется, а плотность клеток увеличивается за счет перехода во все большие объемы. Как только культура достигает желаемого объема, белок продукта собирается из клеток либо путем секреции, где клетки выплевывают белок, либо путем лизиса, где клетка разбивается для его высвобождения. Затем продукт очищается в последующем процессе для удаления загрязняющих веществ, таких как клеточный мусор и другие белки. В типичном последующем процессе используется множество типов технологий для последовательной очистки и концентрирования продукта. Фильтрация часто используется в первую очередь для удаления клеточного мусора и крупных частиц. Хроматография является еще одной технологией, используемой для выделения и концентрации интересующего белка. Очищенный конечный продукт затем лиофилизируется или лиофилизируется, чтобы стабилизировать белок для хранения. Типичные биопроцессы сначала разрабатываются в лабораторном масштабе, затем масштабируются до пилотного масштаба, а затем масштабируются для производства. Теперь, когда мы представили базовый биопроцесс, давайте рассмотрим некоторые известные методы в этой области.

Культура клеток млекопитающих чаще всего используется в промышленном производстве рекомбинантных белковых терапевтических средств. Клетки яичников китайского хомяка, или клетки CHO, являются одним из наиболее распространенных типов используемых клеток. В отличие от бактериальных клеток, клетки млекопитающих способны выполнять сложные посттрансляционные модификации белков. Эти модификации представляют собой структурные или химические изменения, вносимые в белок после его трансляции в рибосоме. Это важно для создания сложных структур, которые необходимы для терапевтических белков. Культура клеток млекопитающих требует тщательного рассмотрения во время роста, так как клетки более чувствительны, чем бактериальные. Требуется эффективная аэрация. Тем не менее, повреждения от сдвига должны быть сведены к минимуму. Также необходима хорошо контролируемая однородная среда со строгим контролем pH и температуры, а также быстрым удалением токсичных продуктов. Промышленные процессы масштабируются для производства большого объема продукции. Масштабирование не так просто, как простое пропорциональное увеличение объема и, следовательно, размера оборудования. Используется коэффициент масштабирования, который представляет собой отношение массового расхода полномасштабной установки к пилотной установке. Коэффициенты масштабирования используются для определения размеров геометрически подобных танковых реакторов. Например, в качестве объемных шкал с коэффициентом масштабирования S диаметр резервуара масштабируется с S до 1/3. Это связано с ограничениями по массе и теплопередаче при большем объеме бака.

При производстве биопрепаратов используются живые организмы, которые подвержены загрязнению. Загрязняющими организмами могут быть бактерии, грибки или вирусы, которые могут возникать у персонала, материалов или оборудования, используемого в производстве. Микробное загрязнение приводит к изменчивости продукта и может привести к деградации белка продукта. Многие биопроцессы используются для производства лекарственных препаратов, которые жестко регулируются государственными органами, чтобы гарантировать их безопасность и эффективность. Сам препарат сначала проходит строгие лабораторные испытания и клинические испытания. После того, как препарат одобрен, процесс производства также должен пройти экспертизу и одобрение. Регулирование, хотя и имеет важное значение для обеспечения безопасности конечного продукта, приводит к дополнительным ограничениям в процессе проектирования. Строгие ограничения накладываются на такие параметры, как допустимые реагенты, загрязняющие вещества и концентрации.

Теперь, когда вы рассмотрели некоторые распространенные методы и проблемы в биопроцессах, давайте взглянем на некоторые реальные приложения. В отличие от низкомолекулярных препаратов, таких как аспирин и ацетаминофен, многие сложные препараты являются рекомбинантными белками и производятся с помощью биообработки. За последние 25 лет рекомбинантная белковая терапия быстро развивалась, и были разработаны десятки таргетных терапий. СПИД, рак, инфекционные заболевания, заживление ран, расстройства питания, инсульт и септический шок – это лишь некоторые из областей, где белковая терапия предлагается в качестве терапии. Биопереработка также используется для производства биотоплива, такого как этанол. Этанол производится из целлюлозного материала, такого как сахарный тростник или кукуруза. Процесс начинается с выделения целлюлозы из исходного сырья, за которым следует ферментативный гидролиз и ферментация дрожжами. Этот биопроцесс выполняется в производственных масштабах с целью получения большого количества этанола для альтернативной энергетики.

Вы только что посмотрели введение JoVE в биопроцессы. Теперь вы должны понять основные биопроцессы, некоторые общие методы и проблемы, а также применение технологии. Спасибо за просмотр.