作為方法和工具，系統生物學和合成生物學越來越多地被用來研究復雜的生物系統。在擴大微生物生產規模中遇到法的許多問題都可以通過這些方法解決。系統生物學用于研究微生物系統在生物反應器中對營養物質、溶解氣體和壓力波動的反應。合成生物學用于評估和調節菌株，對菌株進行工程改造以提高產量。
H.E.L以其系列化產品可為科研及生產提供從微型到放大的全部解決方案。
 

• 產業規模擴大過程中遇到的挑戰

眾所周知，微生物生產的化合物非常廣泛，從燃料、化學品到藥品都有涉及。然而，盡管有相當數量的案例成功過渡到工業規模以及上市產品，但在核心的生物技術轉化層面，缺乏適合工業規模生物反應器的菌株。因為，商業規模生物反應器的環境與實驗室規模（如搖瓶）的環境截然不同。
 
微生物生產的工業放大已經相當成熟。相比之下，微生物表型對生物反應器條件的波動、長期培養過程中產生的基因型漂移、以及其他生理因素，這些方面的研究比較少，而且，這些因素對規模放大的潛在影響直到最近才得到解決。而對這一領域的最大貢獻就是縮小模型，即利用小模型去模擬微生物在大規模生長和生產的條件，高通量測試優化菌株，從而篩選出規模型的菌株，以實現更好的生產。
 

• 實驗室規模菌株篩選并未考慮生產規模的參數

在微量滴定板和搖瓶中進行的許多測量與生物反應器研究期間進行的分析是不同的（圖2）。實驗室規模的菌株優化無法解決生物工藝向商業化方向發展時所面臨的挑戰。
  物理影響因素
實驗室規模和生產規模的一個顯著區別就是操作壓力。隨著生物反應器體積的增加，生物反應器中液面高度會產生更高的壓力梯度，而壓力可以影響生物的特性，包括酶活性和細胞膜通透性，這些都會影響到細胞的活力和代謝通量。商業規模的生物反應器底部壓力增加，氣體的溶解度也隨之增加。比如，培養液中溶解的CO₂（dCO₂）與碳酸氫根和碳酸根離子處于平衡狀態，碳酸氫根和碳酸根離子有助于介質的滲透壓，從而影響培養液的pH值。因此，dCO2可影響到溶解氣體本身的積累、滲透壓變化、pH值變化，甚至是這三個因素的組合。 化學影響因素
隨著生物反應器體積的增加，混合時間從幾秒鐘（實驗室規模）增加到幾分鐘（數百立方米）。此外，大型生物反應器內部組件，如噴灑器、擋板和冷卻盤管，可能會產生混合、傳熱和氣液傳質不良的死區。在大規模生產過程中，混合不完全會導致微環境不均勻，使生物過程各參數形成梯度，比如pH、溫度、溶解氧（DO）、dCO2和營養素濃度。這些變化可能會導致暫時或永久性的損傷，如氧化損傷、營養限制和其他應激反應，從而降低微生物的生存能力、穩定性和生產力。

• 系統生物學可以解決規模化帶來的問題

在大型發酵罐中，培養液微環境的不均勻可觸發微生物的遺傳和生理反應。高通量分析（如自動DNA測序和組學技術）以及高通量篩選平臺技術，使規模生產的工業條件能夠通過縮小實驗規模在實驗室中來模擬。大型發酵罐的數學模型為設計縮小規模和預測大規模環境提供了重要指導。這種方法提高了關鍵性能指標（如TRY）從實驗室到工廠的全面、快速轉化的可能性，從而最大限度地降低啟動成本。
氣體混合、底物和營養物質的不均一性、以及微生物種群的表型和遺傳異質性，都在這方面得到了檢驗。
系統的講就是，為擴大工程菌株的規模，首先需要設想出大規模生產的條件，以便用小規模去模擬這些條件，然后篩選出滿足相關需求的宿主/途徑組合。化學抑制（通過培養基成分、代謝產物和產物）和生產對生長的依賴是兩個需要考慮的因素，這些可以通過小規模篩選環境中的系統生物學和合成生物學的方法來解決。

• BioExplorer可以為系統生物學和合成生物學方法提供數據

由于大型生物反應器的操作成本很高，與實驗室規模的平板或燒瓶相比，工藝條件的測試范圍非常有限。而且，基于大型生物反應器的工藝開發研究是資源密集型的，這就限制了我們重復多個實驗的能力。H.E.L的BioExplorer具有高通量生長測量板設計，它基于模擬中試規模生物反應器的培養過程控制，既滿足實驗室規模的低容量測試要求，又滿足高通量測試要求，同時還提供了生物反應器規模的多種模擬參數。
  把商業規模培養條件小型化，可以使相關的成本降低、效益提高，而且高通量能力可以顯著增加實驗室規模測試的參數數量。這就使得我們可以在不同規模條件下測試新宿主的性能（表1）。然而，傳統的過程開發實驗設計（DOE）方法往往受到研究人員對商業規模條件理解的限制，選擇用于測試的參數質量也隨著被測試參數的數量而受到影響。利用小模型去模擬大規模生產條件，就不會產生此類問題。
BioExplorer可用于在高達5 bar的壓力下進行補料分批培養。通過使用這些1-250mL大小的反應器，研究人員可以在更商業化的條件下進行合理的高通量培養。

 

• 結束語

在目前的技術水平下，合成生物學和系統生物學越來越多地支持對工業菌株的生理學特性進行表征。高通量測量及小型化的方法，可以高效地將生產工藝從實驗室轉化為中試和商業規模。H.E.L的BioExplorer為更低的研發投資和風險、更快速地引入新產品提供光明的前景。隨著我們對生物工程機械理解的越來越深入，我們使用大型系統收集數據的能力也越來越強大，我們就可以為微生物轉化為商品、材料、食品、藥品和燃料的大規模生物制造提供有力的解決方案。

參考文獻： Engineering Robust Production Microbes for Large-Scale Cultivation，Maren Wehrs, Deepti Tanjore, Thomas Eng, etc. Trends in Microbiology, June 2019, Vol. 27, No. 6