معلومة

ما نطاقات الأس الهيدروجيني المستخدمة في التخمير على نطاق صناعي؟


عند القراءة

هانز بيتر ماير وولفجانج ميناس ودييجو شميدهالتر (2017) التخمير على نطاق صناعي. التكنولوجيا الحيوية الصناعية: المنتجات والعمليات ، الإصدار الأول. حرره كريستوف ويتمان وجيمس سي لياو. © 2017 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. تم النشر عام 2017 بواسطة Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

صادفت المقطع التالي الذي يصف الارتقاء الصناعي لعمليات التخمير (بشكل عام):

1.3.1

تطوير العملية - يبدأ توسيع النطاق على نطاق المختبر

يجب النظر في توسيع نطاق العملية مبكرًا بينما لا يزال نظام التعبير البيولوجي قيد التطوير. يجب تقييم عوامل مثل الاستقرار الجيني لعدد الأجيال اللازمة على الأقل لزيادة الإنتاج ، والحاجة والتأثير على البيئة لعلامات الاختيار ، قبل بدء تطوير العملية. يجب تجنب استخدام المضادات الحيوية كواسمات انتقائية في وسط الإنتاج. خلال تطوير الوسائط وظروف الزراعة ، من المهم أن تظل إعدادات المعلمات واقعية وقابلة للتطوير ، ويشار إليها دائمًا بحدود عليا وسفلية تعكس نطاق التشغيل الآمن (مساحة تصميم العملية) ، على سبيل المثال ، الرقم الهيدروجيني 7 ± 0.3.

أنا مندهش تمامًا من نطاق الأس الهيدروجيني الضيق المحدد (pH 7 دولارات مساءً 0.3 دولار). افترضت أن نطاق الأس الهيدروجيني سيكون أوسع بكثير ، على غرار مقياس المختبر. هل هذه حقا ممارسة شائعة؟


تختلف درجة حموضة التخمير بشكل كبير اعتمادًا على البكتيريا أو الفطريات المستخدمة والعملية. ولكن ليس من غير المألوف أن يكون لديك نطاق ضيق نسبيًا من الرقم الهيدروجيني كهدف. تذكر أن الرقم الهيدروجيني هو -log [H +] لذا فإن مقياس الأس الهيدروجيني ليس خطيًا. كما أن بعض تفاعلات التخمير تنطوي على مواد صيدلانية أو مواد وسيطة باهظة الثمن ، وقد يكون لدفعة تخمير واحدة قيمة بمئات الآلاف من الدولارات ، لذا فإن الاحتفاظ بنطاق +/- 0.3 في الرقم الهيدروجيني أمر تافه.


التكنولوجيا الحيوية الصناعية ومنتجات السلع

3.05.4.3.1 التخمر دفعة واحدة

التخمير الدُفعي هو عملية يتم فيها إضافة كل الركيزة والمغذيات في وقت صفر أو بعد وقت قصير من حدوث التلقيح ، ويسمح للوعاء في ظل بيئة خاضعة للرقابة بالمضي قدمًا حتى الوصول إلى أقصى تركيز للمنتج النهائي. يتم تصنيع أكثر من 84٪ من إجمالي الكحول في أمريكا الشمالية عن طريق التخمر على دفعات - ويرجع ذلك أساسًا إلى المرونة في مصنع الخلطة ، وتركيزات المنتج الأعلى الممكنة ، وقدرة الصناعة على تقليل العدوى / فقدان الغلة ، وسهولة الممارسة ، وانخفاض تكاليف الصيانة. على الرغم من المزايا المذكورة أعلاه ، يتطلب تخمير الدُفعات التنظيف المتكرر والتعقيم وملء المخمرات ، مما يؤدي إلى فقدان الإنتاجية. للحفاظ على نفس الإنتاجية ، يكون الاستثمار الأولي (أي رأس المال) لتخمير الدُفعات أعلى من نظيره المستمر.


التطورات في استخدام أنواع العصيات للإنتاج الصناعي

لا تزال أنواع العصيات هي خيول العمل البكتيرية المهيمنة في التخمر الميكروبي. Bacillus subtilis (natto) هو المشارك الميكروبي الرئيسي في الإنتاج المستمر لتخمير الناتو التقليدي القائم على فول الصويا ، وبعض أنواع Bacillus مدرجة في قائمة GRAS لإدارة الغذاء والدواء (تعتبر بشكل عام آمنة). إن قدرة سلالات العصيات المختارة على إنتاج وإفراز كميات كبيرة (20-25 جم / لتر) من الإنزيمات خارج الخلية جعلتها من بين أهم منتجي الإنزيمات الصناعية. أدت قدرة الأنواع المختلفة على التخمر في نطاقات الأس الهيدروجيني الحمضية والمحايدة والقلوية ، جنبًا إلى جنب مع وجود الحرارة في الجنس ، إلى تطوير مجموعة متنوعة من منتجات الإنزيمات التجارية الجديدة مع درجة الحرارة المطلوبة ، ونشاط الأس الهيدروجيني ، و خصائص الاستقرار لمعالجة مجموعة متنوعة من التطبيقات المحددة. تم استغلال الطفرات الكلاسيكية و (أو) تقنيات الاختيار ، جنبًا إلى جنب مع استراتيجيات الاستنساخ وهندسة البروتين المتقدمة ، لتطوير هذه المنتجات. بدا في البداية أن الجهود المبذولة لإنتاج وإفراز عوائد عالية من البروتينات المؤتلفة الأجنبية في مضيفات العصيات Bacillus تعيقها تحلل المنتجات من قبل البروتياز المضيف. كشفت الدراسات الحديثة أن الطي البطيء للبروتينات غير المتجانسة في واجهة جدار الخلية الغشائية للبكتيريا إيجابية الجرام يجعلها عرضة للهجوم من قبل البروتياز المرتبط بالجدار. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون وجود أوكسيدوروكتازات ثيول - ثاني كبريتيد في العصيات الرقيقة مفيدًا في إفراز البروتينات المحتوية على رابطة ثاني كبريتيد. مثل هذه التطورات من فهمنا لآلية نقل البروتين المعقدة للبكتيريا موجبة الجرام يجب أن تسمح بحل تحديات الإفراز الحالية وتجعل أنواع العصيات مضيفًا بارزًا لإنتاج البروتين غير المتجانسة. كما تم تطوير سلالات العصيات وهندستها كمنتجين صناعيين للنيوكليوتيدات وفيتامين ريبوفلافين وعامل نكهة ريبوز ومكمل حمض غاما جلوتاميك. مع التوصيف الأخير لجينوم B. subtilis 168 وبعض السلالات ذات الصلة ، تستعد أنواع Bacillus لتصبح المضيف المفضل لإنتاج العديد من المنتجات الجديدة والمحسّنة بينما نتحرك خلال العصر الجينومي والبروتيومي.


تؤثر ظروف التخمير على نمو البكتيريا وإنتاج عديدات السكاريد الخارجية بواسطة Streptococcus thermophilus ST 111 في وسط قائم على الحليب

الأهداف: دراسة تأثير ظروف التخمير المختلفة ونمذجة تأثير درجة الحرارة ودرجة الحموضة على مختلف العوامل الحركية للنمو البكتيري وإنتاج السكريات الخارجية (EPS) للمكورات العقدية الحرارية ST 111 في الوسط المعتمد على الحليب.

الطرق والنتائج: تمت دراسة تأثير درجة الحرارة ودرجة الحموضة من خلال التخمير والنمذجة. أشارت التخمير في ظروف غير مضبوطة الأس الهيدروجيني باستخدام S. thermophilus ST 111 إلى أن إنتاج EPS كان منخفضًا في وسط الحليب ، حتى لو تم إضافة مصادر النيتروجين الإضافية. في ظل ظروف التحكم في درجة الحموضة ، أدت إضافة تحلل بروتين مصل اللبن إلى وسط الحليب إلى زيادة خمسة أضعاف في إنتاج EPS. لا يحتوي هذا الوسيط على عديد السكاريد الذي يتداخل مع عزل EPS. كشفت النمذجة الأولية والثانوية للتخمير المختلفة عن درجة حرارة ودرجة حموضة مثالية تبلغ 40 درجة مئوية ودرجة حموضة ثابتة 6.2 ، على التوالي ، للنمو في وسط الحليب المضاف إليه بروتين مصل اللبن المائي. لوحظ الحد الأقصى لإنتاج EPS في حدود 32-42 درجة مئوية وثابت درجة الحموضة 5.5-6.6. في حين أن النمو والإنتاج الأقصى لـ EPS يتأثران بشكل واضح بدرجة الحرارة ودرجة الحموضة ، فإن إنتاج EPS المحدد تأثر فقط بظروف الإجهاد (T = 49 درجة مئوية).

الاستنتاجات: أدت إضافة تحلل بروتين مصل اللبن إلى وسط الحليب إلى زيادة النمو وإنتاج EPS من S. thermophilus ST 111 تحت ظروف التحكم في درجة الحموضة. سمح نهج النمذجة بدراسة تأثير درجة الحرارة ودرجة الحموضة على حركية كل من النمو وإنتاج EPS.

أهمية الدراسة وتأثيرها: يمكن أن يكون استخدام وسيط مناسب قائم على الحليب ونموذج مشترك لدرجة الحرارة ودرجة الحموضة ذا أهمية عملية لإنتاج الزبادي أو غيرها من الألبان المخمرة وكذلك لتحسين عملية الإنتاج على نطاق واسع لسلالات البداية لاستخدامها في إنتاج EPS الخاصة بهم.


تاريخ علم التخمير

تم توثيق تخمير النبيذ منذ عام 7000 قبل الميلاد. في الماضي ، كان منتجو النبيذ يسحقون الفاكهة بأقدامهم قبل تركها للجلوس في أوعية. تم افتراض أن نقل الكائنات الحية الدقيقة من أقدام منتجي النبيذ إلى الفواكه المسحوقة يسبب التخمير. في القرن السابع عشر ، تم التحقق من صحة الفرضية عندما سمح اختراع العدسة البصرية عالية الجودة بتصور الكائنات الدقيقة أحادية الخلية لأول مرة. من خلال سلسلة من التجارب ، أظهر لويس باستور ، عالم الأحياء الدقيقة الفرنسي ، أن تخمير النبيذ ناتج عن نوع من الفطريات المعروفة باسم الخمائر (ولدينا الكثير منها على أقدامنا ، يا بلع!)

في عام 1856 ، أدى حادث في معمل تقطير الشمندر السكري إلى اكتشاف رائد كان محوريًا في الإنتاج اللاحق للجبن والزبادي. تم تكليف باستير بالتحقيق في المشكلة ووجد أنه بدلاً من الكحول ، احتوى خليط الشمندر & ldquospoiled & rdquo على حمض اللاكتيك في الغالب ، مما تسبب في طعم حامض. يحتوي خليط الشمندر الحامض أيضًا على العديد من الأشياء الأصغر من الخمائر. تم تأكيد هذه الأجسام لاحقًا على أنها بكتيريا حمض اللاكتيك. كان هذا الحادث الصدفي دورًا أساسيًا في فهمنا المعاصر أن الفطريات والبكتيريا تؤديان عملية التخمير بشكل مختلف.

لم يكن حتى أوائل القرن العشرين عندما اكتشف إدوارد بوشنر الحائز على جائزة نوبل أن التخمر يمكن أن يحدث مع مستخلصات الخميرة الخالية من الخلايا التي تتكون فقط من الإنزيمات ، على عكس ما اقترحه باستير. منذ ذلك الحين ، أنتجنا مجموعة متنوعة من الأطعمة المخمرة بما في ذلك كومبوتشا الشهيرة. على الرغم من أن قدرتنا على التحكم في التخمير مفهومة بشكل معقول ، لا تزال هناك طرق عديدة يمكن من خلالها تحسين التخمير الصناعي. على سبيل المثال ، التسلسل الجيني الحديث ، والهندسة الوراثية ، والموائع الدقيقة ، والتقنيات الإلكترونية و ldquonose & rdquo يمكن أن تجعل الأطعمة المخمرة المفضلة لدينا أكثر ذوقًا.


تحسين عمليات التخمير الصناعية وتوسيع نطاقها

لزيادة إنتاجية المنتج ولضمان جودة المنتج المتسقة ، تهدف القضايا الرئيسية للتخمير الصناعي وتحسين العملية وتوسيع نطاقها إلى الحفاظ على ظروف التفاعل المثلى والمتجانسة لتقليل التعرض للإجهاد الجرثومي وتعزيز دقة التمثيل الغذائي. لكل منتج وعملية ومنشأة على حدة ، يجب وضع استراتيجيات مناسبة من خلال توصيف شامل ومفصل للعملية ، وتحديد معلمات العملية الأكثر صلة التي تؤثر على إنتاجية المنتج وجودته ، وإنشاءها كمعلمات توسيع حتى تظل ثابتة بقدر ما المستطاع. يمكن دمج المتغيرات المادية ، التي لا يمكن الاحتفاظ بها ثابتة إلا بشكل محدود كمعلمات فردية ، مع معلمات أخرى ذات صلة بمجموعات رياضية مناسبة أو مصطلحات بلا أبعاد. يُفضل أن يعتمد توصيف العملية على البيانات في الوقت الفعلي أو شبه في الوقت الفعلي التي تم جمعها بواسطة القياسات في الموقع وعلى الإنترنت ويمكن تسهيلها من خلال الأساليب والأدوات الداعمة مثل تحليل البيانات الكيميائية القائمة على الشبكة العصبية والنمذجة ، وتوضيح الاختلاط وظروف التدفق من خلال ديناميات الموائع الحسابية وعمليات المحاكاة المصغرة. ومع ذلك ، نظرًا لأن مرافق التخمير عادةً لا يتم تصميمها بشكل صارم وفقًا لمعايير التوسع وقد تختلف ظروف العملية في أوعية الاستزراع بشكل كبير ، وبما أن أي استراتيجية ونموذج لا يمكن إلا بشكل غير كافٍ أن ينظر ويعكس الترابط شديد التعقيد والتفاعل المتبادل لمعلمات التخمير ، فإن التوسع الناجح في معظم الحالات ليس نتيجة إستراتيجية تجريبية قاطعة ومباشرة ، بل سيكون نتيجة لتطوير عملية منفصلة وتحسينها على كل مقياس. تقدم هذه المقالة نظرة عامة على المشكلات التي تأتي عادةً مع تحسين عملية التخمير وتوسيع نطاقها ، وتقدم استراتيجيات التوسع المطبقة حاليًا أثناء النظر في التقنيات المستقبلية ، مع التركيز على الإشريكية القولونية كواحد من أكثر الكائنات الحية المخمرة شيوعًا.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


أفضل الممارسات في تطوير العمليات الحيوية للتخمير

الثقافة: هل يمكن أن تخبرني المزيد عن خلفيتك في مجال التصنيع الحيوي للبحث والتطوير؟

ستيفان: تلقيت معظم تعليمي في TU Delft حيث حصلت على البكالوريوس والماجستير والدكتوراه. قدم برنامج البكالوريوس ، المسمى Life Science & amp Technology ، تغطية واسعة من علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية وصولاً إلى التخمير والتوسع. ركز برنامج الماجستير بشكل أكبر على الهندسة الأيضية ، وعلم وظائف الأعضاء الميكروبي ، وتصميم العمليات الحيوية ، وركزت درجة الدكتوراه على هندسة التمثيل الغذائي للخميرة وتكنولوجيا التخمير. معًا ، كان هذا بمثابة نقطة انطلاق جيدة جدًا لفهم التصنيع الحيوي ككل.

كانت تجربتي الصناعية الأولى في Amyris ، حيث عملنا على تطوير طرق محسنة لتجميع الحمض النووي عالي الإنتاجية - وهو شيء جديد تمامًا بالنسبة لي. لقد شاركت أيضًا في مشروع إنتاج الفرنسيني الصناعي واكتسبت الكثير من الخبرة الواقعية منه. انضممت بعد ذلك إلى Zymergen منذ حوالي خمس سنوات لقيادة مشروع DARPA Living Foundries: 1000 Molecules. بعد حوالي 2.5 عام في هذا المشروع ، انتقلت إلى فريق التخمير في Zymergen.

حضاره: هل يمكن أن تخبرني المزيد عن مشروع داربا؟

ستيفان: استثمرت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة DARPA في وزارة الدفاع ، في برنامج بحثي مخصص لتطوير القدرات للتصنيع الحيوي للجزيئات والمواد بأداء فريد لا يمكن تحقيقه بالوسائل التقليدية. Hyaline ، الفيلم عالي الأداء لتطبيقات الإلكترونيات الذي أطلقته Zymergen للتو ، هو مثال على هذه المادة الجديدة. شارك Zymergen في البرنامج ، وعمل فريق علم الأحياء على تصميم وبناء واختبار وتحليل سلالات جديدة لإنتاج هذه الجزيئات بالإضافة إلى بناء البنية التحتية الأساسية للعمل.

الثقافة: ما الذي استلزمه بناء البنية التحتية؟

ستيفان: كان نموذج الأعمال الأساسي لشركة Zymergen حتى تلك النقطة يركز على زيادة العائد أو إنتاجية السلالات الحالية المستخدمة في عمليات التخمير الصناعية. تقع هذه المشاريع في الجزء العلوي من "منحنى S لأداء الإجهاد" (في الصورة أدناه). كان مشروع DARPA أول غزوة لنا في الجزء السفلي من منحنى S: تصميم المسارات الأيضية ، واختيار الإنزيمات غير المتجانسة ، وتجميع وتسلسل تراكيب الحمض النووي الكبيرة ذات الجينات المتعددة ، وإدخالها في مضيفين متعددين ، والتحقق من الإدخال الجيني الصحيح ، واختبار إنتاج الجزيئات في فحوصات لوحة microtiter عالية الإنتاجية ، وتطوير عمليات التخمير الأساسية ، وتوسيع نطاق بعضها إلى نطاق تجريبي.

الثقافة: هل يمكنك إرشادي عبر هذا "منحنى S لأداء الإجهاد؟"

ستيفان: يصف منحنى مع الوقت أو الجهد على المحور الأفقي وأداء الإجهاد (يقاس بالعيار ، المعدل ، العائد ، إلخ) على المحور الرأسي ، بثلاث مراحل. الهدف من المرحلة الأولى هو الانتقال من "صفر إلى مليغرام" ، للانتقال من فكرة إلى إنتاج جزيء لإثبات صحة المفهوم. هذا عندما تقوم بتصميم وإدخال مسارات التمثيل الغذائي وتطوير طرق أولية لقياس الإنتاج ، ويستغرق الأمر بعض الوقت لتحقيق هذا الدليل على المفهوم. بعد ذلك ، بمجرد أن تصل إلى الإنتاج الأولي ، تدخل المرحلة الثانية من "مليغرام إلى كيلوغرام" ، حيث أنت - من بين أمور أخرى - تحسين التدفق في المسارات الأيضية ، وتقليل المنتجات الثانوية ، وتخفيف السمية. نظرًا لوجود الكثير من الفاكهة المتدلية هنا ، غالبًا ما يتم إحراز تقدم سريع في هذه المرحلة.

بعد الاقتراب من الكمال النظري ، تدخل المرحلة الثالثة من "الكيلوغرامات إلى السلعة". في هذه المرحلة ، يتباطأ التقدم عادةً ، لأنه يتطلب المزيد والمزيد من التغييرات الدقيقة لإجراء تحسينات أصغر وأصغر. من خلال النظام الأساسي Design-Build-Test-Analyze-Learn عالي الإنتاجية من Zymergen وتحليل البيانات المتقدم ، نحاول زيادة انحدار الأجزاء الأولية من المنحنى للاقتراب من الكمال النظري في وقت أقرب.

الثقافة: كيف تقيم الكمال النظري للعملية الحيوية؟ ربما ينبغي علي إجراء نسخ احتياطي أكثر: كيف تبدأ في تطوير التصنيع الحيوي لجزيء جديد؟

ستيفان: يبدأ كل شيء بدراسة الجدوى والتحليل التقني الاقتصادي. قبل الذهاب إلى المختبر وإجراء أي تجارب ، من المهم التأكد من وجود سوق للجزيء والحصول على فهم أولي لاقتصاديات الإنتاج وأهداف أداء الإجهاد والعملية. في Zymergen ، نقوم بشكل روتيني بإجراء تحليلات تقنية اقتصادية تستفيد من نماذج التمثيل الغذائي الخلوي ومعلمات عملية التخمير وخطوات الاسترداد والتنقية المتوقعة. يوضح هذا التحليل ما إذا كان المنتج يمكن أن يكون قابلاً للتطبيق تجاريًا: ما إذا كان يمكن تصنيعه بأقل من قيمته المتوقعة. يمكن أن يساعد أيضًا في إعلام العديد من معلمات التخمير ، على سبيل المثال: ما هو مصدر الكربون الذي يجب استخدامه ، ومقدار التهوية الذي يتطلبه الإنتاج ، وما إذا كان من المفيد التشغيل عند درجة حموضة منخفضة أو محايدة ، ونوع الميكروب الذي يجب استخدامه. يوفر النموذج أيضًا إطارًا لتقييم أداء الإجهاد والعملية ، مما يتيح تحديد المعالم على طول عملية البحث و أمبير ؛ أمبير. تتطلب النمذجة الاقتصادية التقنية المبكرة وضع العديد من الافتراضات ، ولكن مع تقدم الإجهاد وتطوير العملية ، يمكن للمرء التحقق من صحة هذه الافتراضات أو مراجعتها لتحسين النموذج بشكل أكبر.

الثقافة: هل يمكنك إرشادي خلال الأنشطة التي تم القيام بها في كل مرحلة من هذه المراحل؟ لنبدأ بالمرحلة الأولى ، بافتراض أنك أنشأت نموذجًا اقتصاديًا تقنيًا وتعرف العيار والإنتاجية والعائد الذي تحتاج إلى تحقيقه لصنع منتج قابل للتطبيق تجاريًا.

ستيفان: اسمحوا لي أن أستهل بالتشديد بشكل قاطع على أهمية دمج خبرة التخمير من البداية. بالإضافة إلى الحاجة إلى هذه المعرفة لبناء نموذج اقتصادي تقني قابل للتطبيق في المقام الأول ، فإن خبرة التخمير مهمة بنفس القدر لإعلام نهج هندسة الإجهاد منذ البداية. على سبيل المثال ، فهم ما إذا كان من الممكن استخدام المضادات الحيوية والمحرضات (باهظة الثمن) في مخمر واسع النطاق يمكن أن يساعد في معرفة - في وقت مبكر - ما هو نظام التعبير الذي يجب استخدامه وما إذا كان يجب استخدام البلازميدات أو دمج الجينات في الجينوم بدلاً من ذلك. يمكن أن يؤدي "وضع النهاية في الاعتبار" من البداية إلى تجنب إعادة العمل على طول الطريق وتسريع الجداول الزمنية الإجمالية.

بعيدًا عن هذه الأمثلة المحددة ، من المهم تبني وجهة نظر أكثر ديناميكية للتفاعل بين تطوير العملية وفحص الإجهاد. غالبًا ما يُنظر إليها على أنها خطية أو متسلسلة ، حيث يبدأ تطوير العملية فقط بمجرد الوصول إلى معلم معياري معين من خلال هندسة الإجهاد. يعد تطوير عملية التصنيع الحيوي تكراريًا وغير متسلسل ، وهي عملية مثالية قابلة للتطوير تتطلب أفضل إجهاد في أفضل عملية ، حيث يكون الاثنان مترابطين وبالتالي يحتاجان إلى التطوير جنبًا إلى جنب.

حضاره: يبدو هذا منطقيًا بالنسبة لي عندما تكون في "المرحلة الثانية" ، ولكن لماذا تكون اعتبارات عملية التخمير بالغة الأهمية عند بناء السلالات واختبارها في البداية؟

ستيفان: إن وجود رؤية لعملية التخمير النهائية يساعد على تطوير شاشة إجهاد عالية الإنتاجية تلتقط السلالات الصحيحة. سيضمن محاكاة ظروف التخمير في بروتوكولات فحص الإجهاد في 96 طبقًا جيدًا تحديد السلالات التي تعمل بشكل جيد في ظروف التخمير ، نظرًا لأنك "تحصل على ما تبحث عنه". قد يؤدي إهمال مراعاة عملية التخمير في الاعتبار عند تطوير شاشة إجهاد عالية الإنتاجية إلى تعزيز السلالات التي لا تؤدي أداءً جيدًا في المفاعلات الحيوية وتفويت تلك التي ربما كانت الأفضل حقًا.

الثقافة: ماذا تقصد برؤية عملية التخمير؟ كيف تعرف ذلك قبل أن تقوم بأي عمل على إجهاد؟

ستيفان: هذا هو السبب في أن وجود شخص لديه خبرة في التخمير في الفريق في وقت مبكر أمر مفيد ، لأنهم سيعرفون من التجربة بعض التقريب لكيفية ظهور عملية التخمير. من فهم الكائن الحي والمنتج المعني ، بالإضافة إلى الظروف المثلى من النموذج الاقتصادي التقني ، يمكن للمرء أن يتنبأ على الأقل بنطاق كرة قدم حيث ستهبط معلمات العملية في النهاية. على سبيل المثال ، إذا كانت عملية التخمير المتصورة عبارة عن عملية هوائية بدُفعات التغذية عند درجة الحموضة 3 و 30 التي تستخدم مكونات وسطى معينة ، فيجب على المرء أن يحاول تقليد ذلك في فحوصات لوحة ميكروتير من البداية.

قد يكون من المفيد أيضًا القيام ببعض الأعمال الخفيفة في المفاعلات الحيوية مع سلالة من النوع البري لفهم خصائص نموها مثل الرقم الهيدروجيني الأمثل ، ومعدل النمو ، وإنتاجية الكتلة الحيوية ، ومتطلبات المغذيات ، والاستجابة الأيضية للركيزة الزائدة أو الحد من الأكسجين. بناءً على هذه المعلومات ، يمكنك بعد ذلك البدء في تطوير مخطط التغذية الأساسي وتكوين العناصر الغذائية للوسائط الخاصة بك ، وإقران هذه المعلومات مرة أخرى في تطوير سير عمل شاشة اللوحة المكونة من 96 بئراً. عند العمل مع بكتريا قولونية أو S. cerevisiae حيث يكون الكثير من هذا معروفًا بالفعل ، يمكن أن يكون هذا التمرين مباشرًا جدًا. ومع ذلك ، عند العمل مع ميكروب أكثر غرابة ، فإن فهم المعلمات الأيضية والفسيولوجية في وقت مبكر هو نشاط حاسم.

أخيرًا ، يجب أيضًا تقييم سمية المنتج في وقت مبكر جدًا - حتى قبل أن تبدأ في هندسة السلالة. كيف تتسامح الإصدارات البرية من الكائنات المضيفة المرشحة مع تركيزات عالية من المنتج؟ يمكن تقييم ذلك في أطباق أو قوارير ثم تأكيده في المفاعلات الحيوية. في Zymergen ، غالبًا ما نقوم بتقييم مضيفين متعددين لتحمل المنتج من أجل اختيار مضيف جيد.

كل هذا العمل هو جزء من "المرحلة 0": ضمان اختيار مضيف يتسامح مع المنتج ، وأن المضيف يمكن أن ينمو في عملية التخمير المتصورة في مفاعل حيوي ، وأن هذه الظروف يمكن أن تنعكس في لوحة microtiter فحص. يمكن لهذا العمل تجنب السير في المسار الخطأ والاضطرار إلى القيام بالكثير من إعادة العمل على الطريق من خلال تبديل ظروف المضيف والعملية.

الثقافة: بمجرد صنع تلك السلالات الأولى ، هل تختبرها باستخدام ألواح ميكروترية أم في مفاعلات حيوية؟

ستيفان: في Zymergen ، عادة ما نبني المزيد من السلالات ثم يمكننا اختبارها في المفاعلات الحيوية ، حتى مع وجود جميع مفاعلات Culture تحت تصرفنا. وفقًا لذلك ، نقوم دائمًا باختبار سلالاتنا أولاً في ألواح ميكروتيتر ثم نقوم بترقية أكثر السلالات الواعدة للمفاعلات الحيوية. عادةً ، أكثر من 90٪ من سلالاتنا لن تصل أبدًا إلى المفاعلات الحيوية ، لذلك نحتاج إلى التأكد من أن صفائحنا المكونة من 96 بئراً تنبئ بأداء المفاعلات الحيوية.

في Zymergen ، نركز بشدة على تطوير وتحسين سير عمل الألواح لدينا ، وهذه ليست مهمة سهلة ، لأن اللوحات ليست مفاعلات حيوية ، ولن تكون الألواح مفاعلات حيوية أبدًا ولن تكون أبدًا. على سبيل المثال ، تكون الألواح محدودة في معدل نقل الأكسجين ، بسبب عدم القدرة على التحكم في الرقم الهيدروجيني ، وعدم وجود ركيزة مضبوطة أو تغذية مغذية. من ناحية أخرى ، لا يجب أن تكون شاشة اللوحة قابلة للتنبؤ تمامًا ، بل يجب أن تكون نموذجًا جيدًا بما يكفي لالتقاط سلالات محسّنة. لذلك من الأهمية بمكان (خاصة عندما يتم تنقيح عملية التخمير) أن تراقب باستمرار ارتباط اللوح إلى المفاعل الحيوي وتحسين شاشة اللوحة إذا كانت قدرتها التنبؤية تنجرف.

حضاره: متى ستبدأ أعمال تطوير عملية إضافية في المفاعلات الحيوية؟

ستيفان: كما ذكرنا سابقًا ، غالبًا ما نقوم بالفعل ببعض أعمال التطوير المبكر للعملية باستخدام سلالة من النوع البري لتقليل المعلمات الفسيولوجية الأساسية. بعد ذلك ، بمجرد أن ننتج سلالة بمستوى إنتاج لائق ، يمكننا البدء في تحسين عملية التخمير عن طريق تغيير نظام التغذية ، وتوافر المغذيات ، ودرجة الحموضة ، ودرجة الحرارة ، وما إلى ذلك. بدء عمل تطوير العملية ليس مفيدًا جدًا عندما تقوم فقط بإنتاج ميكروغرام أو ملليغرام لكل لتر ، لأن تدفق المسار لا يزال محدودًا للغاية في تلك المرحلة. لكنك أيضًا لا ترغب في بدء تطوير العملية بعد فوات الأوان في حالة ما إذا أدت هندسة الإجهاد إلى تحسين أداء الإجهاد بسرعة.

غالبًا ما تبدأ تجارب التخمير الأولية هذه باختبار أحادي المتغير لمعلمات العملية لتحديد أكثر المعلمات حساسية والنطاقات المناسبة. ثم ستجري دراسات تصميم التجربة متعددة المتغيرات (DoE) للعثور على المجموعات المثلى لتلك المعلمات. يجب إعادة نتائج تجارب المفاعلات الحيوية هذه مرة أخرى في أعمال هندسة الإجهاد: إذا كان هناك منتج وسيط أو منتج ثانوي تم تحديده يتراكم أثناء عمليات التخمير ، فيمكن لمهندسي الإجهاد بعد ذلك العمل على تحسين المسار وفقًا لذلك. على هذا النحو ، فإن بيانات التخمير من المفاعلات الحيوية تساعد في تحديد أولويات التعديلات الجينية التي يجب إجراؤها.

حضاره: كم عدد عمليات تشغيل المفاعلات الحيوية المختلفة التي يتم إجراؤها عادةً كجزء من عملية تطوير العملية الأولية هذه؟

ستيفان: يعتمد ذلك على مدى جودة خصائص الميكروبات والمسارات الأيضية المعنية ، ولكنه عادة ما يتضمن اختبار حوالي 10 من الحالات واستخدام 2-3 مكررات لكل حالة مع بضع سلالات مختلفة ، والتي من شأنها أن تضيف ما يصل إلى 100 مفاعل حيوي. المجموع.

الثقافة: هل تنصح دائمًا بتشغيل النسخ المكررة؟ كيف تعرف عدد التكرارات المراد تشغيلها؟

ستيفان: إنها بالتأكيد أفضل ممارسة في Zymergen. يعتمد عدد التكرارات المراد تشغيلها على ثلاثة عوامل: مستوى الضوضاء الملحوظ في عمليتك ، والفرق الذي تحتاج إلى اكتشافه ، ومستوى الثقة المطلوب. في البداية ، ربما تتطلع إلى مضاعفة العيار بحيث يمكن تحمل مستوى ضوضاء أعلى ويمكن أن يكون عدد أقل من التكرارات كافياً - إما مكررة أو ثلاث نسخ. في "الجزء العلوي" من منحنى S عند النظر إلى الضغط على سبيل المثال 5-10٪ في أداء الإجهاد ، مطلوب مستوى ضوضاء منخفض - أحيانًا - عدد أكبر من التكرارات. عندما تشحن Zymergen سلالة محسّنة إلى عميل ، فإننا نريد أن نكون واثقين جدًا من أن السلالة قد تحسنت حقًا مقارنة بالسلالة السابقة ، ولذا فإننا نقوم بتشغيل عدد غير قليل من التكرارات لكلا السلالتين عبر أسابيع مختلفة لتأكيد الأداء.

الثقافة: حسنًا ، للتلخيص ، نحن الآن في النقطة التي نستخدم فيها نموذج لوحة ميكروتيتر لفحص الإجهاد ثم تأكيد أداء أفضل السلالات من خلال تشغيلها في عملية مفاعل حيوي أساسي. لا تقوم بيانات المفاعل الحيوي بإعلام التحسينات على نموذج لوحة microtiter فحسب ، بل تساعد أيضًا في تحديد أولويات تعديلات الجينات. متى تبدأ عملية التطوير والتحسين المكثفة؟

ستيفان: يعتمد ذلك على معالم المشروع وتأخذ في الاعتبار الأهداف النهائية من حيث التوقيت والميزانية. في البداية ، قد تحتاج فقط إلى التوسع في الخزان التجريبي لإنشاء بعض المواد للاختبار التنظيمي أو اختبار العميل أو لإعطاء فريق المصب مزيدًا من المرق لعملهم. إذا كان هذا هو الحال ، فإن معرفة كمية المواد المطلوبة يوضح مقدار عمل تطوير العملية المطلوب للوصول إلى تلك التتر. عند العمل على توسيع نطاق الإنتاج التجاري ، يتم تنفيذ المزيد من أعمال تطوير العملية لتحسين اقتصاديات الإنتاج وفهم كيفية استجابة العملية للاضطرابات التي يمكن أن تحدث على نطاق أوسع.

الثقافة: كم عدد المفاعلات الحيوية التي نتحدث عنها في كل مرحلة من تلك المراحل؟

ستيفان: يعتمد ذلك على السلالة والمنتج ، لكننا نتحدث بسهولة عن مئات الدورات على "الجزء السفلي" من المنحنى S للوصول إلى نقطة إنتاج كيلوغرامات من المنتج. عند الانتقال إلى "الجزء العلوي" من المنحنى والتطلع إلى الاقتراب من الحد الأقصى النظري ، فقد يتطلب الأمر مئات إلى آلاف عمليات تشغيل المفاعلات الحيوية لتطوير العملية بالإضافة إلى التحقق من صحة أداء السلالات التي تم التقاطها بواسطة شاشة الإنتاجية العالية. في هذه المرحلة ، من المناسب البدء في القيام بمهام تشغيل أكبر ، وتحسين ظروف العملية مثل ملف التغذية ، وتكوين الوسائط ، وتوافر الأكسجين ، ودرجة الحموضة لتقليل تكلفة الإنتاج وضمان أداء العملية بشكل متكرر.

الثقافة: ما الذي يشتمل عليه عمل توسيع نطاق العملية؟ كثيرًا ما أسمع أن هذا العمل صعب للغاية ومعرض للفشل ، والطريقة لتخفيف المخاطر هي دمج اعتبارات التوسع في وقت مبكر في تطوير العملية.

ستيفان: التوسع ليس بالأمر الهين لأن المخمرات الصناعية تختلف عن المفاعلات ذات المقياس البدلاء في عدة طرق رئيسية. ومع ذلك ، فإن وضع هذه الاختلافات في الاعتبار يمكن أن يساعد في تجنب العديد من تحديات التوسع.

أولاً ، معدل نقل الأكسجين (OTR) الذي يمكن تحقيقه في المفاعلات الكبيرة يكون عادةً أقل منه في المفاعلات ذات المقياس البدلاء. لذلك ، عند تطوير عملية تخمير على نطاق مقاعد البدلاء ، من المهم وضع حد لمعدلات تغذية الركيزة ومعدلات امتصاص الأكسجين (OUR) للنطاقات ذات الصلة صناعياً لضمان قابلية العملية للتوسع.

ثانيًا ، المفاعلات الكبيرة غير متجانسة أكثر من المفاعلات البدلاء. هناك تدرجات ضغط وغاز وأوقات خلط أطول. على مقياس البدلاء ، يمكنك محاكاة بعض هذه العوامل ودراسة كيفية استجابة الكائنات الحية لتلك التقلبات. من الناحية المثالية ، يتم اختيار كائن حي أو تطويره بحيث لا يكون حساسًا للتقلبات ويظهر أداءً مماثلاً في البيئات غير المتجانسة.

ثالثًا ، عادةً ما يتكون قطار البذور لتلقيح مخمر كبير من عدة خطوات إضافية تتجاوز عملية المقياس ، مما يؤدي إلى مضاعفات إضافية من مخزون الجلسرين إلى تخمير الإنتاج. هذا يمكن أن يؤدي إلى اختلافات كبيرة في الأداء بين مقاعد البدلاء والتخمير على نطاق واسع ، خاصة إذا كانت السلالة لديها بعض عدم الاستقرار الجيني. قد يكون أداء السلالة غير المستقرة جيدًا جدًا على مقياس البدلاء بعد ذلك

30 جيلًا ، لكنها لا تعمل جيدًا في مفاعل كبير بعد ذلك

50 جيلًا بسبب قطار البذور الأطول. لمقارنة التفاح بالتفاح ، يجب عليك محاكاة مجموعة البذور واسعة النطاق على نطاق واسع ، على سبيل المثال من خلال وجود خطوات بذور متعددة قبل تلقيح مفاعل على نطاق واسع. يساعد هذا في تحديد ما إذا كانت اختلافات الأداء على مستويات مختلفة ناتجة عن تأثيرات مقياس حقيقية أو ببساطة تأثير عدد الأجيال.

رابعًا ، تأكد من استخدام مكونات قابلة للتطوير. على نطاق البدلاء ، عادة ما يكون من الميسور استخدام مكونات عالية الجودة ومضادات حيوية أو محرضات باهظة الثمن. ومع ذلك ، على نطاق أوسع ، قد يكون من الصعب الحصول على ما يكفي من هذه المكونات وقد لا تكون ميسورة التكلفة. مرة أخرى ، لمقارنة التفاح بالتفاح ، من الأفضل استخدام نفس المكونات في عمليات التشغيل على نطاق واسع كما هو الحال في نظام القياس الخاص بك.

يساعد وضع النهاية في الاعتبار على تطوير عملية تخمير قابلة للتطوير من البداية. نظرًا لأن عمليات تشغيل المفاعلات الحيوية على نطاق واسع باهظة الثمن ، يجب استخدام التخمير على نطاق واسع للتخلص من المخاطر على الأقل من العوامل الرئيسية قبل الذهاب إلى المفاعلات الحيوية الأكبر. في المراحل الأولى من المشروع ، قد لا تكون المواصفات الدقيقة لمفاعل الإنتاج مفهومة تمامًا حتى الآن ، ولكن مهندس توسيع التخمير ذو الخبرة يمكنه إعطاء النطاقات والتأكد من أن عملية المقياس البدلاء في الملعب الصحيح.

أخيرًا ، من المهم التعاون مبكرًا وبشكل متكرر مع فريق معالجة التدفق السفلي (DSP). إن إنتاج الجزيء - بمعنى ما - مجرد بداية لعملية التصنيع الحيوي التي تنقي الجزيء من المرق وتحويله إلى منتج لا يقل أهمية. يمكن أن يساعد التعاون الوثيق بين هندسة الإجهاد والتخمير والتنقية في تحديد الفرص التقنية لجعل عمل كل منهما أسهل!

الثقافة: لقد كان هذا مفيدًا حقًا للحصول على رؤية شاملة لكيفية عمل تطوير العمليات الحيوية ، لا سيما في فهم العلاقة بين فحص الإجهاد وتطوير العملية. سؤالي الأخير - مع جميع المفاعلات الحيوية الموجودة لديك في Zymergen ، كيف ومتى يتناسب العمل مع Culture مع مشاريعك التنموية؟

ستيفان: يحتوي Zymergen على نطاق ترددي معين من حيث المفاعلات الحيوية ، لكن الطلب على التجارب يتقلب بمرور الوقت. كانت الثقافة مصدرًا رائعًا عندما يكون لدينا زيادة في الطلب ويمكننا تحرير المساحة داخليًا عن طريق تفريغ بعض أعمال المفاعل الحيوي.

Outsourcing work always involves some uncertainty and risk, but Culture overcame that quickly by demonstrating their capabilities, both in terms of their fully-equipped bioreactors (with scales on all feed bottles, continuous off-gas measurements, and a web-interface that makes it easy to collaborate) as well as their experienced, professional, and readily available team.


مخازن

Most cells in our bodies operate within a very narrow window of the pH scale, typically ranging only from 7.2 to 7.6. If the pH of the body is outside of this range, the respiratory system malfunctions, as do other organs in the body. Cells no longer function properly, and proteins will break down. Deviation outside of the pH range can induce coma or even cause death.

So how is it that we can ingest or inhale acidic or basic substances and not die? المخازن المؤقتة هي المفتاح. Buffers readily absorb excess H + or OH – , keeping the pH of the body carefully maintained in the aforementioned narrow range. Carbon dioxide is part of a prominent buffer system in the human body it keeps the pH within the proper range. This buffer system involves carbonic acid (H2كو3) and bicarbonate (HCO3 – ) anion. If too much H + enters the body, bicarbonate will combine with the H + to create carbonic acid and limit the decrease in pH.

Likewise, if too much OH – is introduced into the system, carbonic acid will rapidly dissociate into bicarbonate and H + ions. The H + ions can combine with the OH – ions, limiting the increase in pH. While carbonic acid is an important product in this reaction, its presence is fleeting because the carbonic acid is released from the body as carbon dioxide gas each time we breathe. Without this buffer system, the pH in our bodies would fluctuate too much and we would fail to survive.

In Summary: Buffers, pH, Acids, and Bases

The pH of a solution is a measure of the concentration of hydrogen ions in the solution. A solution with a high number of hydrogen ions is acidic and has a low pH value. A solution with a high number of hydroxide ions is basic and has a high pH value. The pH scale ranges from 0 to 14, with a pH of 7 being neutral. Buffers are solutions that moderate pH changes when an acid or base is added to the buffer system. Buffers are important in biological systems because of their ability to maintain constant pH conditions.

سؤال الممارسة

Using a pH meter, you find the pH of an unknown solution to be 8.0. How would you describe this solution?

The pH of lemon juice is about 2.0, whereas tomato juice’s pH is about 4.0. Approximately how much of an increase in hydrogen ion concentration is there between tomato juice and lemon juice?


Current Uses of Synthetic Biology

Isoprene is an important commodity chemical used in a variety of applications, including the production of synthetic rubber. Isoprene is naturally produced by nearly all living things (including humans, plants and bacteria) the metabolite dimethylallyl pyrophosphate is converted into isoprene by the enzyme isoprene synthase. But the gene encoding the isoprene synthase enzyme has only been identified in plants such as rubber trees, making natural rubber a limited resource.

Currently, synthetic rubber is derived entirely from petrochemical sources. DuPont, together with The Goodyear Tire & Rubber Company, is currently working on the development of a reliable, high-efficiency fermentation-based process for the BioIsoprene™ monomer, and synthetic biology has played an important role in making this undertaking a reality.

Although plant enzymes can be expressed in microorganisms through gene transfer it is a long and cumbersome process, as plant genes contain introns and their sequences are not optimized for microorganisms. DNA synthesis and DNA sequencing have enabled the construction and rapid characterization of metabolically engineered microorganism strains to produce isoprene. Synthetic biology has enabled the construction of a gene that encodes the same amino acid sequence as the plant enzyme but that is optimized for expression in the engineered microorganism of choice. This method has provided massively parallel throughput which has made it possible to identify and track genetic variation among the various strains, providing insights into why some strains are better than others.

Continued use of synthetic biology should help refine DuPont’s biocatalyst for the production of BioIsoprene™ monomer.

Delivering Economic, Renewable BioAcrylic

Acrylic is an important petrochemical used in a wide range of industrial and consumer products. Acrylic ingredients make paints more durable and odor-free, adhesives stronger and longer-lasting, diapers more absorbent and leak-proof, and detergents better able to clean clothes. Today, petroleum-based acrylic is an $8 billion global market.

OPX Biotechnologies (OPXBIO) is developing renewable biobased acrylic to match petro-acrylic performance and cost but with a 75 percent reduction in greenhouse gas emissions. BioAcrylic from OPXBIO also will reduce oil-dependence and offer more stable prices.

The key to realizing these benefits, as with any biobased product, is a highly productive and efficient microbe able to use renewable sources of carbon and energy (for example corn, sugar cane, or cellulose) in a commercial bioprocess. A microbe that meets these criteria for BioAcrylic has not been found in nature, so OPXBIO is applying its proprietary EDGE™ (Efficiency Directed Genome Engineering) technology to redesign a natural microbe to achieve these goals. With EDGE, OPXBIO rapidly defines and constructs comprehensive genetic changes in the microbe to optimize its metabolism for economical production of BioAcrylic.

OPXBIO has advanced its BioAcrylic production process from pilot to large demonstration scale. The company has established a joint development agreement with The Dow Chemical Company, the largest producer of petro-acrylic in the United States, to bring BioAcrylic to market by 2016.

Making “Green Chemicals” from Agricultural Waste

Surfactants are one of the most useful and widely sold classes of chemicals, because they enable the stable blending of chemicals that do not usually remain associated (like oil and water).

Today, nearly all surfactants are manufactured from either petrochemicals or seed oils, such as palm or coconut oil. Worldwide production of surfactants from petrochemicals annually emits atmospheric carbon dioxide equivalent to combustion of 3.6 billion gallons of gasoline. Production from seed oil is greener, but there is a limit to the amount of seed oil that can be produced while protecting the rainforest. To address this problem, Modular has developed microorganisms that convert agricultural waste material into useful new surfactants. Dr. P. Somasundaran of the University Center for Surfactants (IUCS) at Columbia University finds that Modular’s surfactant is 10-fold more effective than a similar commercially available surfactant.

Modular has developed an engineered microorganism that converts soybean hulls into a surfactant for use in personal care products and other formulations. The hull is the woody case that protects the soybeans, and it cannot be digested by humans or other monogastric animals, such as pigs. The U.S. produces about 70 billion pounds of indigestible soy carbohydrate annually, and Modular seeks to upgrade this underutilized material by converting it into a variety of useful new chemical products. Modular’s surfactant program is partially supported with funds from the New Uses Committee of the United Soybean Board (USB), which seeks to expand soybean markets through the development of technology that enables the conversion of soy-based materials into new products.

Today, most organic chemicals are derived from petroleum. Fredrick Frank, Vice Chairman, Peter J. Solomon Company, offers this perspective on the sustainable chemistry industry: “Several published reports have concluded that about two-thirds of those chemicals can be generated from renewable raw materials, rather than from oil. If so, sustainable chemistry potentially has a market size of about $1 trillion. Less than 7 percent of organic chemicals are currently produced from renewable materials, thus there is an opportunity for long-term growth.”

Life Technologies Provides a Comprehensive Workflow for Vaccine Development

Demand is growing in developing and developed countries around the world for cost-effective vaccines to prevent infectious diseases. But development of new vaccines is a time consuming undertaking, requiring the identification of antigens – such as weakened viruses or bacterial toxins or other pathogens – and the development, purification and production of immunogens that might help prevent or treat diseases.

Life Technologies has a proven track record in vaccine development. It provides the molecular engineering tools and services necessary to sequence genetic information to formulate vaccines and other treatments in a more efficient and timely manner than current practices, allowing researchers to save time.

Synthetic biology enables Life Technologies to design, synthesize, test and deploy antigens and variants with rapid results, high expression and capacity. It also enables Life Technologies to develop immunogens engineered for efficacy and high titer and produce rapid assays for purification of the immunogens.

Life Technologies scientists developed the custom gene constructs that serve as the basis for HIV vaccine candidates. The gene sequences were custom-designed by scientists at GeneArt® – which merged with Life Technologies in December 2010 – and the University of Regensburg, and then tested in a phase I clinical trial by the EuroVacc Foundation. The trial proved the prophylactic vaccine to be safe and well tolerated, triggering a strong and lasting immune response in 90 percent of the candidates. Additional trials are ongoing. In 2009, GeneArt was awarded a contract by the HIV Vaccine Consortium (UK) to design and produce two HIV vaccine candidates based on the HIV gene sequences used in the 2008 trial.

In May 2009, the GeneArt gene synthesis and assembly platform was employed to create synthetic H1N1 genes, and the product was delivered within a 5-day period. GeneArt created an additional ten H1N1 viral coat protein constructs for the Robert Koch Institute (the central federal institution responsible for disease control and prevention in Germany).

Developing a Suite of Biobased Products and Services

DSM, a Life Sciences and Materials Sciences company headquartered in the Netherlands, was one of the first companies to utilize synthetic biology, dramatically improving an existing process for commercial production of Cephalexin, a synthetic antibiotic. Starting with a penicillin-producing microbial strain, DSM introduced and optimized two enzyme-encoding genes for a one-step direct fermentation of adipoyl-7-ADCA, which could then be converted into Cephalexin via two enzymatic steps. The new process replaced a 13-step chemical process, resulting in significant cost and energy savings. DSM has gone on to build a business in antibiotics, vitamins, enzymes, organic acids, and performance materials within one of its emerging business areas called Biobased Products and Services.

Major biotechnology advances are opening up opportunities in the production of biofuels and renewable chemicals as well as materials made from different types of renewable biomass. Recent DSM breakthroughs include a cocktail of enzymes that break down the lignocellulose from agricultural residues to simple C5 and C6 sugars. Advances in synthetic biology have enabled DSM to develop recombinant yeast capable of co-fermenting both hexoses and pentoses. DSM introduced enzymes from native xylose-assimilating organisms to S. cerevisiae, allowing co-fermentation of xylose and arabinose along with glucose. Recently DSM announced a 50/50 joint venture with a major ethanol producer, POET for the commercial development, demonstration and licensing of cellulosic bio-ethanol.

Similarly, starting in 2007, the use of synthetic biology methods allowed DSM to develop proprietary yeast that can operate in a low pH fermentation system to cost effectively produce high-quality biobased succinic acid. This patented process in collaboration with Roquette Frères will be scaled in a 10 kiloton plant in 2012 and new markets are expected to open with this 4-carbon chemical building block. More recently, similar work using both biotechnology and chemistry synergistically is resulting in the development of renewable adipic acid, a 6-carbon diacid that is a key monomer for applications in engineering plastics, textiles, resins, and polyurethanes. The value proposition for the industry with these new routes are cost advantaged economics, renewable feedstock flexibility, and a significant improvement in the carbon footprint measured by Life Cycle Analysis.

In summary, DSM’s long track record in anti-infectives and vitamins combined with an ever growing experience base in synthetic biology have strengthened DSM’s overall capabilities to work with partners and industry stakeholders along the emerging value chains.

Engineering Low-Cost Sugars for Petroleum Substitute

Sugars from non-food biomass can be used as building blocks to manufacture a wide variety of biofuels and renewable chemicals that are currently produced from expensive and price-volatile petroleum feedstocks. The advanced biofuels market is estimated to grow to 21 billion gallons by 2022, based on the U.S. Renewable Fuels Standard (RFS) under the Energy Independence and Security Act of 2007.

Traditional sugar fermentation processes to produce biofuels and renewable chemicals use either sucrose from sugarcane or starch from corn, sorghum, or wheat. Agrivida’s engineered biomass provides greater price stability for raw materials, uses less energy in producing biofuels and renewable chemicals via fermentation and enables production with dramatically lower greenhouse gas emissions.

INzyme™ technology from Agrivida, a novel approach to synthetic biology, provides processors and biorefiners the ability to directly control dormant biodegrading enzymes that have been engineered into the biomass. After harvest, these enzymes are activated in a way that greatly reduces the energy, chemical and other pretreatments traditionally required to convert the plant material to sugar. Agrivida’s INzyme™ technology decreases a critical bottleneck in bioproducts production, allowing significantly improved production, reducing the cost and quantity of enzymes needed to produce cellulosic biofuels and renewable chemicals and reducing production facility capital and operating costs.

Ultimately, INzyme™ technology from Agrivida will allow consumers to fully realize the potential of a replacement for petroleum-based biofuels and renewable chemicals that have significant benefits in greater national security through reduced dependence on imported petroleum, lower greenhouse gas emissions and significant agricultural and manufacturing jobs creation. Importantly, Agrivida anticipates that its technology platform will provide consumers a considerable cost savings between 70 and 80 cents per gallon of biofuels produced.

Creating Economic Advantage for a Commonly Used Chemical

Adipic acid is a valuable chemical intermediate used in production of nylon for well-established markets like automotive parts, footwear, and construction materials. The current market for adipic acid is approximately $5.2 billion. Current petrochemical processes for the production of adipic acid generate as much as 4.0 tons of CO2 equivalents per ton of adipic acid produced. A biobased process could reduce the production costs of adipic acid by 20 percent or more.

Verdezyne is developing a cost-advantaged, environmentally friendly fermentation process for adipic acid. The company’s proprietary metabolic pathway can utilize sugar, plant-based oils or alkanes, and the company has completed proof-of-concept testing for fatty acids and alkanes. The potential benefit of this feedstock flexible approach is the ability to maintain a sustainable economic advantage regardless of future energy volatility and to reduce the environmental footprint for producing adipic acid.

Adipic acid is not produced in nature. Verdezyne’s novel combinatorial approach to pathway engineering rapidly creates and harnesses genetic diversity to optimize a metabolic pathway. Rather than manipulating one pathway gene at a time, the company uses synthetic gene libraries to introduce diversity into a metabolic pathway. The company’s unique computational and synthetic biology toolbox allows effective design, synthesis and expression of synthesized genes in a heterologous recombinant yeast microorganism.

Producing Biofuels and Renewable Chemicals as Petroleum Alternatives

Diesel is the most widely used liquid fuel in the world. This energy dense fuel supports the transport of 70 percent of U.S. commercial goods and is in high demand in the developing world to support the heavy equipment (trucks, bulldozers, trains, etc) required for infrastructure development. Today there is no cost effective renewable alternative to diesel.

LS9 has developed a platform technology that leverages the natural efficiency of microbial fatty acid biosynthesis to produce a diversity of drop-in fuels and chemicals. Using synthetic biology, LS9 has developed microbial cells that can perform a one-step conversion of renewable carbohydrates (sugars) to two diesel alternatives, a fatty acid methyl ester (biodiesel ASTM 6751) and an alkane (ASTM D975).

The LS9 processes are unique in that all of the chemical conversions from carbohydrate to finished fuel are catalyzed in the cell, with the finished product secreted. The fuel forms an immiscible light organic phase that is non-toxic to the organism and is easily recovered from the broth through centrifugation. There is no need for further chemical conversion, and there is no requirement for hydrogen in the process. These simple processes enable the production of diesel from scalable renewable resources at a price competitive with petroleum (without subsidy).

Synthetic biology has been essential in engineering the LS9 microbial catalysts. The biosynthetic pathways to produce finished fuel products do not exist in the native E. coli host, and prior to our efforts alkane biosynthetic genes were unknown. LS9 designed the pathways, synthesized the genes encoding each enzyme in the pathway, and constructed multigene biosynthetic operons enabling production. To improve yield, productivity, and titer – the drivers of process economic efficiency – the biosynthetic pathways and host metabolism have required significant genetic optimization. LS9 developed capabilities for the computational design and automated parallel construction of gene, operon, and recombinant cell libraries that have enabled the rapid construction and evaluation of thousands of rationally engineered microorganisms. This capability in combination with state of the art screening, process development, and analytical methodologies has enabled LS9 in only a few years to advance from concept to a process slated for commercial-scale demonstration.

This same technology platform has been leveraged for the production of surfactants for use in consumer products in collaboration with Procter & Gamble. The ability to exchange biosynthetic parts and leverage the core host “chassis” has enabled the development of this chemical product line much faster, achieving in months what had taken years for the earlier products.

LS9 intends to continue to leverage the power of synthetic biology to further advance these and future products as quickly and cost effectively as possible. We feel strongly these technologies are essential to the goal of weaning our dependence on fossil feedstocks and the further development of a world leading industrial biotechnology industry.

Increasing Rates of Natural Fermentation for Polymers

Metabolix is bringing new, clean solutions to the plastics, chemicals and energy industries based on highly differentiated technology. For 20 years, Metabolix has focused on advancing its foundation in polyhydroxyalkanoates (PHA), a broad family of biopolymers. Through a microbial fermentation process, the base polymer PHA is produced within microbial cells and then harvested. Development work by Metabolix has led to industrial strains of the cells, which can efficiently transform natural sugars into PHA. The recovered polymer is made into pellets to produce Mirel™ Bioplastics by Telles products.

Conventional plastics materials like polyvinyl chloride (PVC), polyethylene teraphthalate (PET), and polypropylene (PP) are made from petroleum or fossil carbon. The PHA in Mirel bioplastics is made through the fermentation of sugar and can be biodegraded by the microbes present in natural soil or water environments. Although PHAs are produced naturally in many microorganisms, the cost and range of compositions required for successful commercialization dictated that PHA pathways had to be assembled in a robust industrial organism that does not naturally produce the product.

Metabolic pathway engineering was used to accomplish this task, relying on modern tools of biotechnology. These include DNA sequencing and synthetic construction of genes encoding the same amino acid sequence as in the donor strain, but optimized for expression in the engineered industrial host. These technologies provided rapid development and optimization of robust industrial production strains that would not have been feasible using classical techniques relying on isolation and transfer of DNA from one species to the other.

This has allowed Metabolix to successfully commercialize Mirel bioplastics. More than 50 years after it was first considered as a potentially useful new material and following several efforts by leading chemical companies to commercialize PHAs based on natural production hosts, Metabolix has made these products available at a commercial scale.

Increasing Efficiency in Bioprocessing of Pharmaceuticals

Sitagliptin, Merck’s first-in-class dipeptidyl peptidase-4 inhibitor, is marketed under the trade name Januvia® as a treatment for type II diabetes. The chemical manufacturing route to Sitagliptin developed by Merck won a Presidential Green Chemistry Challenge Award in 2006, but there were still several opportunities for improvement. Codexis and Merck collaborated to develop a novel, environmentally benign alternative manufacturing route. Using synthetic biology and its directed evolution technologies, Codexis discovered and developed a transaminase capable of enabling the new biocatalytic route, which is currently in scale-up towards commercial manufacture.

One common definition of “synthetic biology” is “the design and construction of new biological entities that do not exist in the natural world.” In this instance, there was no known enzyme that could perform the reaction required to enable the biocatalytic route. By designing and generating new enzyme variants, Codexis was able to identify a novel enzyme that provided detectable initial activity. This enzyme was then improved greater than 25,000-fold in order to generate the highly active, stable, enantioselective and practical enzyme from a starting activity that did not previously exist in the natural world. This work was awarded with the Presidential Green Chemistry Challenge Award in June, 2010.


أنواع التخمير

Based on chemicals produced during the process of fermentation, it can be divided into two types:

1. Lactic Acid Fermentation

The fermentation, in which lactic acid is the product, is called تخمير حمض اللاكتيك.

  • It occurs in human muscle cells when there is less availability of oxygen.
  • Yogurt production is a type of lactic acid fermentation in which بكتيريا are used to convert milk into yogurt enzymatically.
  • Lactic acid fermentation is chemically represented as:


شاهد الفيديو: طريقة حساب قيمة الأس الهيدروجيني pH للمياة والتربة والفرق بين المواد الحمضية والقلوية (كانون الثاني 2022).