Жаңалықтар - Биологиялық фармацевтикалық ферментация процесінде еріген оттегі деңгейін бақылау

Еріген оттегі дегеніміз не?

Еріген оттегі (DO) молекулалық оттегіні (O) білдіреді._₂) суда ериді. Ол су молекулаларындағы оттегі атомдарынан (H2O) ерекшеленеді._₂O), өйткені ол суда атмосферадан пайда болатын немесе су өсімдіктерінің фотосинтезі арқылы түзілетін тәуелсіз оттегі молекулалары түрінде болады. DO концентрациясына температура, тұздылық, су ағыны және биологиялық белсенділік сияқты әртүрлі факторлар әсер етеді. Осылайша, ол су ортасының денсаулығы мен ластану жағдайын бағалаудың маңызды көрсеткіші болып табылады.

Еріген оттегі микробтық метаболизмді ынталандыруда, жасушалық тыныс алуға, өсуге және метаболикалық өнімдердің биосинтезіне әсер етуде маңызды рөл атқарады. Дегенмен, еріген оттегінің жоғары деңгейі әрқашан пайдалы бола бермейді. Артық оттегі жинақталған өнімдердің одан әрі метаболизміне әкелуі және улы реакцияларды тудыруы мүмкін. DO оңтайлы деңгейлері әртүрлі бактерия түрлерінде әртүрлі болады. Мысалы, пенициллин биосинтезі кезінде DO әдетте шамамен 30% ауа қанықтылығында сақталады. Егер DO нөлге дейін төмендеп, бес минут бойы сол деңгейде қалса, өнімнің түзілуі айтарлықтай бұзылуы мүмкін. Егер бұл жағдай 20 минутқа созылса, қайтымсыз зақым келуі мүмкін.

Қазіргі уақытта ең көп қолданылатын DO сенсорлары еріген оттегінің абсолютті концентрациясын емес, тек салыстырмалы ауа қанығуын өлшей алады. Қоректік ортаны зарарсыздандырғаннан кейін, сенсор көрсеткіші тұрақтанғанша аэрация және араластыру орындалады, бұл кезде мән 100% ауа қанығуына орнатылады. Ашыту процесі кезіндегі кейінгі өлшеулер осы анықтамаға негізделген. Абсолютті DO мәндерін стандартты сенсорларды пайдаланып анықтау мүмкін емес және полярография сияқты озық әдістерді қажет етеді. Дегенмен, ауа қанығуын өлшеу әдетте ашыту процестерін бақылау және басқару үшін жеткілікті.

Ферментер ішінде DO деңгейлері әртүрлі аймақтарда өзгеруі мүмкін. Бір нүктеде тұрақты көрсеткіш алынғанның өзінде, белгілі бір қоректік орталарда ауытқулар болуы мүмкін. Ірі ферменттер DO деңгейлерінде кеңістіктік ауытқуларды көрсетеді, бұл микробтардың өсуі мен өнімділігіне айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Тәжірибелік дәлелдер орташа DO деңгейі 30% болуы мүмкін болса да, ауытқу жағдайларындағы ашыту өнімділігі тұрақты жағдайларға қарағанда айтарлықтай төмен екенін көрсетті. Сондықтан, ферментерлерді масштабтау кезінде - геометриялық және қуат ұқсастығын ескеруден басқа - кеңістіктік DO ауытқуларын азайту негізгі зерттеу мақсаты болып қала береді.

Биофармацевтикалық ферментацияда еріген оттегіні бақылау неліктен маңызды?

1. Микроорганизмдер немесе жасушалар үшін оңтайлы өсу ортасын сақтау
Өнеркәсіптік ашыту әдетте Escherichia coli және ашытқы сияқты аэробты микроорганизмдерді немесе қытай хомяк аналық безі (CHO) жасушалары сияқты сүтқоректілердің жасушаларын қамтиды. Бұл жасушалар ашыту жүйесінде «жұмысшылар» ретінде жұмыс істейді, тыныс алу және метаболикалық белсенділік үшін оттегі қажет. Оттегі аэробты тыныс алуда электронды акцептор ретінде қызмет етеді, бұл АТФ түрінде энергия өндіруге мүмкіндік береді. Оттегінің жеткіліксіз жеткізілуі жасушалардың тұншығуына, өсуінің тоқтауына немесе тіпті жасушалардың өліміне әкелуі мүмкін, бұл сайып келгенде ашытудың сәтсіздігіне әкеледі. DO деңгейлерін бақылау оттегі концентрациясының жасушалардың тұрақты өсуі мен тіршілік етуі үшін оңтайлы диапазонда болуын қамтамасыз етеді.

2. Мақсатты өнімдердің тиімді синтезін қамтамасыз ету
Биофармацевтикалық ашытудың мақсаты тек жасушалардың көбеюін ынталандыру ғана емес, сонымен қатар инсулин, моноклоналды антиденелер, вакциналар және ферменттер сияқты қажетті мақсатты өнімдердің тиімді синтезін жеңілдету болып табылады. Бұл биосинтетикалық жолдар көбінесе айтарлықтай энергия шығынын қажет етеді, негізінен аэробты тыныс алудан алынады. Сонымен қатар, өнім синтезіне қатысатын көптеген ферментативті жүйелер тікелей оттегіге тәуелді. Оттегінің жетіспеушілігі бұл жолдардың тиімділігін бұзуы немесе төмендетуі мүмкін.

Сонымен қатар, DO деңгейлері реттеуші сигнал ретінде әрекет етеді. DO концентрациясының тым жоғары және төмен болуы келесідей болуы мүмкін:
- Жасушалық метаболикалық жолдарды өзгерту, мысалы, аэробты тыныс алудан анаэробты ферментацияның тиімділігі төменге ауысу.
- Жасушалық стресстік реакцияларды тудырады, бұл жағымсыз жанама өнімдердің пайда болуына әкеледі.
- Экзогендік ақуыздардың экспрессия деңгейіне әсер ету.

Ашытудың әртүрлі кезеңдерінде DO деңгейлерін дәл бақылау арқылы жасушалық метаболизмді мақсатты өнім синтезін максималды деңгейге бағыттауға, осылайша жоғары тығыздықтағы және жоғары өнімді ашытуға қол жеткізуге болады.

Биологиялық фармацевтикалық препараттарға арналған су ағынының кестесіне кіріспе

3. Оттегінің жетіспеушілігін немесе артық болуын болдырмау үшін
Оттегінің жетіспеушілігі (гипоксия) ауыр зардаптарға әкелуі мүмкін:
- Жасуша өсуі және өнім синтезі тоқтайды.
- Метаболизм анаэробты жолдарға ауысады, нәтижесінде сүт қышқылы және сірке қышқылы сияқты органикалық қышқылдар жиналады, олар қоректік ортаның рН мәнін төмендетеді және жасушаларды уландыруы мүмкін.
- Ұзақ уақытқа созылған гипоксия қайтымсыз зақым келтіруі мүмкін, тіпті оттегімен қамтамасыз ету қалпына келтірілгеннен кейін де қалпына келу толық болмайды.

Артық оттегі (асқын қанығу) келесі қауіптерді тудырады:
- Ол тотығу стрессін және жасуша мембраналары мен биомолекулаларды зақымдайтын реактивті оттегі түрлерінің (ROS) түзілуін тудыруы мүмкін.
- Шамадан тыс аэрация және араластыру энергия тұтынуды және пайдалану шығындарын арттырады, бұл қажетсіз ресурстарды ысырап етуге әкеледі.

4. Нақты уақыт режимінде мониторинг және кері байланысты басқару үшін маңызды параметр ретінде

DO – ашыту жүйесінің ішкі жағдайларын көрсететін нақты уақыт режиміндегі, үздіксіз және кешенді параметр. DO деңгейлерінің өзгеруі әртүрлі физиологиялық және жұмыс күйлерін сезімтал түрде көрсетуі мүмкін:
- Жасушалардың тез өсуі оттегі тұтынуын арттырады, бұл DO деңгейінің төмендеуіне әкеледі.
- Субстраттың сарқылуы немесе тежелуі метаболизмді баяулатады, оттегінің тұтынылуын азайтады және DO деңгейінің жоғарылауына әкеледі.
- Бөгде микроорганизмдермен ластану оттегіні тұтыну режимін өзгертеді, бұл DO ауытқуларының қалыптан тыс болуына әкеледі және ерте ескерту сигналы ретінде қызмет етеді.
- Жабдықтың ақаулары, мысалы, араластырғыштың істен шығуы, желдету құбырының бітелуі немесе сүзгінің ластануы да DO-ның қалыптан тыс әрекетіне әкелуі мүмкін.

Нақты уақыттағы DO мониторингін автоматтандырылған кері байланысты басқару жүйесіне біріктіру арқылы DO деңгейлерін дәл реттеуге келесі параметрлерді динамикалық реттеу арқылы қол жеткізуге болады:
- Араластыру жылдамдығы: Жылдамдықты арттыру көпіршіктерді ыдырату арқылы газ бен сұйықтықтың жанасуын күшейтеді, осылайша оттегінің тасымалдану тиімділігін арттырады. Бұл ең жиі қолданылатын және тиімді әдіс.
- Аэрация жылдамдығы: Кіріс газының ағын жылдамдығын немесе құрамын реттеу (мысалы, ауаның немесе таза оттегінің үлесін арттыру).
- Бак қысымы: Қысымды көтеру оттегінің парциалды қысымын арттырады, осылайша ерігіштігін арттырады.
- Температура: Температураны төмендету қоректік ортадағы оттегінің ерігіштігін арттырады.

Биологиялық ашытуды онлайн бақылауға арналған BOQU өнімінің ұсыныстары: