연준배치문화

Fed-batch culture
Fed-batch 원자로 기호

가장 넓은 의미에서 Fed-batch 문화는 경작 중에 하나 이상의 영양소(기판)를 생물작용제에 공급(제공)하고 제품이 실행이 끝날 때까지 생물작용제에 남아 있는 바이오테크놀로지 공정에서 운영 기법으로 정의된다.[1] 그 방법에 대한 대안은 "기초 세포배양을 지원하고 영양소 고갈을 방지하기 위해 사료배지를 첨가한다"[2]는 배양액이다. 그것은 또한 반배치 문화의 한 유형이다. 어떤 경우에는 모든 영양소가 생물작용제로 공급된다. Fed-batch 문화의 장점은 배양액에 함유된 Fed-substed의 농도를 임의로 원하는 수준(많은 경우 낮은 수준)에서 조절할 수 있다는 것이다.

일반적으로 말하면, Fed-batch 배양균은 영양소(또는 영양소)의 농도를 조절하는 것이 원하는 대사물의 수율이나 생산성에 영향을 줄 때 기존 배치 배양균보다 우수하다.

바이오프로세스의 종류

Fed-batch 문화가 효과적인 바이오프로세스의 유형은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 기질억제[1]

메탄올, 에탄올, 아세트산, 방향성 화합물 등의 영양소는 비교적 낮은 농도에서도 미생물의 성장을 억제한다. 그러한 기판을 적절히 추가함으로써 지연 시간을 단축할 수 있고 세포 성장의 억제를 현저하게 줄일 수 있다.

2. 높은 세포 밀도(높은 세포 농도)[1]

일괄 배양에서는, 예를 들어 50-100 g의 건전지/L과 같은 매우 높은 세포 농도를 달성하려면, 매질의 영양소의 높은 초기 농도가 필요하다. 이렇게 높은 농도에서 영양소는 배치 배양균에서 사용되는 정상적인 농도에서 그러한 효과가 없음에도 불구하고 억제력이 된다.

3. 포도당 효과(크랩트리 효과)[1]

맥아 통이나 당밀로부터 제빵사의 효모를 생산함에 있어서, 배양액에 설탕의 과잉이 존재할 경우 충분한 용존산소(DO)가 있어도 에탄올이 생산된다는 것은 1900년대 초부터 인정되어 왔다. 에탄올은 세포 수율이 낮은 주요 원인이다. 포도당 농도가 존재하는 에어로빅 에탄올 형성을 포도당 효과 또는 크랩트리 효과라고 한다. 이러한 효과를 줄이기 위해 제빵사의 효모 생산에 일반적으로 Fed-batch 공정을 채용한다. 대장균과 바실러스 미분비(Bacillus subtilis)의 유산소 배양에서는 당분 농도가 높을 때 아세트산(그리고 적은 양으로 젖산, 폼산)과 같은 유기산이 부산물로 생산되며, 이러한 산들은 세포 성장을 억제하고 신진대사 활동에도 악영향을 미친다. 이러한 산의 형성을 박테리아 크랩트리 효과라고 한다.

4. 카타볼라이트 탄압[1]

미생물이 포도당과 같은 급속한 대사 가능한 탄소 에너지원과 함께 제공될 때, 그 결과 ATP 세포내 농도의 증가는 효소의 생합성 억제로 이어져 에너지원의 대사 속도가 느려진다. 이 현상은 카타볼라이트 억압으로 알려져 있다. 많은 효소, 특히 카타볼릭 경로에 관련된 효소들은 이러한 억압적인 규제의 대상이 된다. 효소 생합성에 있어서 카타볼라이트 억압을 극복하는 강력한 방법은 배양액 내 포도당 농도가 낮게 유지되고 성장이 제한되며 효소 생합성을 억제하는 Fed-batch 배양법이다. 페니실리늄 크리소게넘에 의한 페니실린 발효에서 포도당 섭취를 느리게 하는 것이 그 범주의 고전적인 예다.

5. 보조적 돌연변이[1]

보조생성 돌연변이(영양적으로 돌연변이를 필요로 하는)를 사용하는 미생물 프로세스에서, 필요한 영양소를 과도하게 공급하면 피드백 억제 및/또는 최종 생산물 억제 때문에 원하는 대사물이 거의 축적되지 않고 풍부한 세포 성장을 하게 된다. 그러나 필요한 영양소의 기아는 생산률이 보통 세포 농도에 비례하기 때문에 원하는 대사물의 전반적인 생산뿐만 아니라 세포 성장도 감소시킨다. 이와 같은 바이오프로세스에서 필요한 영양소의 제한된 양으로 돌연변이를 성장시킴으로써 원하는 대사물의 축적을 극대화할 수 있다. 필요한 영양소의 낮은 농도로 돌연변이를 배양하기 위해, 조절된 속도로 배치 배양액에 공급한다. 이 기술은 보조성 돌연변이를 가진 산업용 아미노산 생산에 종종 사용된다. 호모세린 탈수소효소 유전자에 대한 코리네박테리움 글루타미늄의 호모세린 또는 테레오닌/메티오닌 요구 돌연변이를 이용한 리신 생산이 그 예다.

6. 억제할 수 있는 촉진제를 이용한 유전자 발현 통제

개방된 판독틀의 업스트림에서 억제할 수 있는 촉진자를 가진 유전자의 전사는 DNA의 연산자 영역과 소위 홀로-억제자가 결합하여 억제된다. 배양액에 지정된 화학 화합물이 존재할 때, 세포 내 화합물(또는 그 대사물)은 아포-압축기와 공동압축기로 결합하여 홀로-압축기를 형성한다. 이 화합물의 농도를 가능한 낮게 유지하면(여전히 충분한 세포 성장을 허용하면서) 규제된 유전자의 지속적인 발현이 가능하다. Fed-batch 문화는 그렇게 하기 위한 강력한 기술이다. 억제할 수 있는 프로모터의 예로는 trp 프로모터와 phoA 프로모터가 있다.

7. 가동시간 연장, 증발에 의해 손실된 물의 보충, 배양육수의[1] 점성 감소

컬처링 전략의 유형

고밀도 세포배양

Fed-batch 전략은 일반적으로 바이오 산업 공정에서 높은 세포 밀도에 도달하기 위해 사용된다.[3][4][5][6] 대부분 사료용액은 생물작용제 희석 방지를 위해 고농축이다. 재조합 미생물의 Fed-batch 배양균에 의한 이질 단백질 생산은 광범위하게 연구되어 왔다.[7][8][9][10]

통제된 영양소의 첨가제는 배양균의 성장 속도에 직접적인 영향을 미치며 과잉대사를 방지하는데 도움을 준다(외상대사물의 형성, 대장균에 대한 아세테이트, 포유류 세포 배양에 있어서의 젖산, 사카로마이오스 세레비시아에 있어서의 에탄올), 산소 제한(애너로바이시스),[11][12]

상시배치문화

가장 단순한 Fed-batch 문화는 성장 제한 기질의 공급 속도가 일정하며, 즉, 배양 중에 공급 속도가 불변하는 문화다. 이 사례는 그래프에 표시된다(여기서는 배양량이 가변적이다). 이러한 유형의 연준배치 문화는 지속적으로 연준배치 문화(CFBC)로 명명되며, 수학적으로나 실험적으로 잘 확립되어 있다.[14] CFBC에서는 고정 볼륨 CFBC와 가변 볼륨 CFBC의 두 경우를 모두 연구하였다.

그래프는 초기 배치 단계에서의 기판 제한 Fed-batch 재배의 원리를 보여준다. 초기 기질을 소비한 후 기질의 연속적이고 일정한 이송이 시작된다.

지수연방배치문화

이상적인 조건에서 세포는 기하급수적으로 성장한다. 세포의 기하급수적인 성장 속도에 비례하여 성장 제한 기질의 공급 속도를 높이면 배양액 속의 기질 농도를 일정하게 유지하면서 세포의 특정 성장률을 장기간 유지할 수 있다. 필요한 공급 속도(체적 또는 질량)는 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가해야 이 모드의 Fed-batch culture(EFBC)라고 불린다.[15]

기질 제한은 원자로 냉각 및 산소 전달과 관련된 기술적 제한을 피하기 위해 반응 속도를 조절할 수 있는 가능성을 제공한다. 기질 제한은 또한 신진대사를 조절하고 삼투적 효과를 피하며, 카타볼라이트 억제와 부작용의 신진대사를 넘치게 한다.[16][17][18]

제어전략

Fed-batch 프로세스에서 성장을 제어하기 위해 다양한 전략을 사용할 수 있다.

제어 매개변수 제어 원리
DOT(pO2) DOstat(DOT= 상수), F~DOT
산소 흡수율(OUR) USER=constant, F~OUR
포도당 온라인 포도당 측정(FIA), 포도당=정수
아세테이트 아세테이트 온라인 측정(FIA), 아세테이트=상수
pH(pHstat) F~pH(산화가 높은 포도당과 연결됨)
암모니아 암모니아(FIA), 암모니아=정수의 온라인 측정
온도 US 또는 pO에2 따라 조정된 T

참조

  1. ^ 야마네 쓰네오, 시미즈 쇼이치 : 미생물 공정의 페드바치 기법. 생화학엔지니스의 발전./바이오테크놀 1984, 30:147-194.
  2. ^ Ngibuini, Mwai (25 November 2014). "How Single-Use, Mini Bioreactors Could Revolutionize Bioprocess Scale-Up". Pharmaceutical Processing. United States: Advantage Business Media.
  3. ^ 디터 리센베르크: 대장균의 고세포밀도 재배. Curr Opon Bietechnol 1991, 2:380-384.
  4. ^ L. Yee, Harvey W. Blacch: 대장균의 고밀도 Fed-batch 배양액에서 단백질 재조합식 표현. 바이오/테크놀로지 (N Y ) 1992, 10:1550-1556.
  5. ^ 이상엽: 대장균의 세포밀도가 높은 배양액. 트렌드 바이오테크놀 1996, 14:98-105
  6. ^ JosephShiloach, Rephael Fass : 대장균을 높은 세포 밀도로 배양하는 것 - 방법 개발에 대한 역사적 관점. 바이오테크놀 애드 2005, 23:345-357.
  7. ^ 오 멘도자-베가, J. 사바티, S. W. 브라운: 효모 사카로마이오스-세레비시아아이의 Fed-Batch Cultures에 의한 이질 단백질의 산업 생산. FEMS 미생물학 리뷰 1994, 15:369-410.
  8. ^ 파울리나 발바스: 대장균에서 단백질과 비단백 분자를 생산하는 기술을 이해한다. 분자 바이오테크놀로지 2001, 19:251-267.
  9. ^ Neubauer P, Winter J: 대장균에서 단백질 재조합 생산을 위한 표현 및 발효 전략. In: Merten OW et al. (Eds). 원핵 세포와 진핵 세포로 단백질 재조합 생산. 호스트 생리학에 대한 비교 견해. 2001, Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, The 네덜란드. 페이지 195-258.
  10. ^ 아물리아 K. 팬더: 대장균의 포함체에서 나오는 치료용 단백질의 바이오프로세싱. 생화학 엥 바이오테크놀 2003, 85:43-93
  11. ^ 이정석, 이상엽, 수원공원, 안톤 P. J. 미들버그: 연준 발효 제어. 바이오테크놀 애드 1999, 17:29-48.
  12. ^ 케이티 F. Wlaschin, Wei-Shou Hu: Fed-batch 배양액과 동적 영양분 공급. 생화학 엔진/바이오테크놀 2006, 101:43-74.
  13. ^ 야마네 쓰네오, 히라노 시게키: 기질 지속적으로 공급되는 미생물의 반배치 배양 - 수학적 시뮬레이션 - J 발효 테크놀 1977, 55:156-165
  14. ^ 야마네 쓰네오, 히라노 시게키: 기질을 일정하게 공급하는 미생물의 반배치 배양 - 실험 연구 - J 발효 테크놀 1977, 55:380-387.
  15. ^ 츠네오 야마네, 기시모토 미치마사, 요시다 후미타케 : 기하급수적으로 늘어난 메탄올 사료를 함유한 메탄올 사멸균의 반배치 배양균. J 발효 테크놀 1974년, 54:229-240.
  16. ^ J. Zhang, Randolph Greasham: 상업적 발효를 위해 화학적으로 정의된 매체. 적용 미생물학 및 생명공학 1999, 51:407-421
  17. ^ 군나르 리덴: 생물작용제 이해. 바이오프로세스와 바이오시스템 엔지니어링 2002, 24:273-279.
  18. ^ 크리스토퍼 J. 휴이트, 앨빈 W. 니노우: 미생물 배치 및 Fed-batch 발효 공정의 스케일업. Apple Microbiol 2007, 62:105-135.