無論是生物醫藥，還是合成生物學的研究成果實現從實驗室到工業化生產轉化通常需要經過兩個必要階段：

No.01  大量候選菌（細胞）株的性能測試篩選及優選（生產）株的確定

No.02  優化生產株的工藝參數及建立放大工藝。

01  高通量平行生物反應器  Bioreactor

在合成生物學領域中，早期采用的培養皿或搖瓶技術僅僅可以體現高通量的特性，并不能表征放大生產中影響最終產物質量和表達量的過程參數。基于“工業相似性“原則，高通量平行生物反應器（簡稱平行罐）既能滿足類似搖瓶階段的高通量、低容量特征，又符合工業化生產的過程控制特征，大大提高了研究人員在篩選高性能菌株及工藝優化放大中的工作效率。

 

相對于傳統的平行罐，高通量平行罐的單位數量更高，通常12個、24個、甚至上百臺都可以使用同一過程控制軟件進行批量操作，以保證培養期間多個反應器性能的一致性、參數控制以及檢測結果的一致性(圖1）。

 

圖1. 高通量平行生物反應器（1.5L × 40）和內置DoE（D2MS Pro過程控制軟件）

 

02  基于QbD的生物工藝開發 QbD

高通量平行罐的推出，給合成生物學利用實驗設計（Design of Experiments， DoE）方法高效研究提供了基礎。而隨著生物工業現代化技術的革新，數據化、智能化、自動化技術也被引入到合成生物學研究中。實現這三種技術的應用，可以借鑒生物藥開發原則，利用質量源于設計（Quality-by-Design，QbD）和過程分析技術（Process Analytical Technology, PAT）來指導工業菌株從研發到放大生產過程（圖2）。對比傳統的質量源于檢驗（Quality-by-Testing，QbT）或不斷試錯法，通過QbD的方法可以建立過程和產品屬性之間的關聯。并且允許對工藝過程中的參數波動進行動態反應，在指定設計空間內執行過程控制變量調整，靈活地維持工藝的最佳狀態。

 

圖2. QbD在生物工藝開發中的實施（Rathore, et, al., Life. 2021）

 

03  過程分析技術  PAT

PAT包括能夠測量物理和化學過程參數以及關鍵屬性的分析儀器，其目標是優化過程控制。作為探頭或傳感器形式的PAT被設計成與生物工藝過程集成，并與計算設備相連，以化學計量建模來解釋結果，并對過程進行多層次統計控制。PAT解決方案旨在理解生物過程，并在產品制造的各個階段實現QbD。PAT實施的目標是促進產品的實時釋放，以減少生產周期和成本。

 

將PAT工具應用于生物過程監測的各種方法（圖3）如下：

 

線上分析（in-line）

將傳感器工具置于生物過程中，在反應進行時實時提供數據。例如pH、DO、OD電極，以及尾氣分析儀、拉曼光譜等。

離線分析（off-line）

需要從生物過程中取樣，并將樣品運送到不同的實驗室進行手動測量（例如質量控制），數據不能及時反饋至過程控制系統。例如營養成分分析的Nova BioProfile-400、生化檢測Cedex Bio等。

在線外分析（at-line）

需要從生物過程中手動取樣，并在生物過程現場附近測量樣品，以提高獲得結果的時間。例如BioProfile Flex、Seg-Flow® Series等。

在線分析（on-line）

從過程中進行采樣循環，并使用分析工具進行實時數據測量。一般需要自動取樣設備實現高效高頻的樣品獲取，并用于at-line設備的分析及數據回傳過程控制系統。
 

圖3. 生物工藝中常見的測量工具（Zhao, et, al., Engineering in Life Sciences. 2015）

 

一旦應用于生物工藝，PAT解決方案可以增加對過程的理解和控制，并減輕生產商不合格產品的風險。為了最大程度地優化PAT的效益，必須考慮整個PAT設計，并仔細選擇PAT的每個要素，包括傳感器、分析技術、數據分析技術、控制策略和過程優化程序。

 

近年來，PAT解決方案的多樣性不斷增加。有許多不同階段的PAT技術：有些適用于早期的研究，而其他一些則已經進入了制造領域。便攜式和在線PAT工具已經應用于各種生物過程，包括原材料鑒定、發酵過程以及下游過濾和吸收研究。例如簡單的化學成分可以通過NIR, MIR, FTIR, NMR, 和 Raman光譜在線檢測是非常高效的。

 

在合成生物學研究中，高通量（微）小型平行反應器受限于體積因素，目前技術條件下的PAT技術很難全面的在小體積、高通量平臺上實施，影響了（微）小型平行反應器的使用場景。但在面對中試規模的放大和優化的平行化需求時，可以選擇更大體積平行罐結合PAT技術完成中試體積的工藝開發（圖4）。體積的增加讓PAT技術的應用靈活可行。相信在不遠的未來，隨著PAT技術的快速發展，工作體積將不再是PAT應用的限制性因素。

 

圖4. PAT技術在平行生物反應器上的應用示意（改編自Zhao, et, al., Engineering in Life Sciences. 2015）

 

平行生物反應器和PAT技術讓QbD理念的貫徹提供可行性，同時，包含了實驗設計（DoE）、數據分析、預測模型和設備管理功能的高性能過程控制軟件進一步助力合成生物學工業化轉移。

 

本文來源：迪必爾生物 應用技術與工程研究中心

參考文獻：

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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