חדשות - ניטור רמות חמצן מומס בתהליך התסיסה הביו-פרמצבטית

מהו חמצן מומס?

חמצן מומס (DO) מתייחס לחמצן מולקולרי (O_₂) אשר מומס במים. הוא שונה מאטומי החמצן הנמצאים במולקולות מים (H_₂O), כפי שהוא קיים במים בצורת מולקולות חמצן עצמאיות, שמקורן באטמוספירה או שנוצר באמצעות פוטוסינתזה על ידי צמחי מים. ריכוז ה-DO מושפע מגורמים שונים, כולל טמפרטורה, מליחות, זרימת מים ופעילויות ביולוגיות. ככזה, הוא משמש כאינדיקטור קריטי להערכת מצב הבריאות והזיהום של סביבות מימיות.

חמצן מומס ממלא תפקיד חיוני בקידום חילוף החומרים המיקרוביאלי, השפעה על הנשימה התאית, הצמיחה והביוסינתזה של תוצרים מטבוליים. עם זאת, רמות גבוהות יותר של חמצן מומס אינן תמיד מועילות. עודף חמצן עלול להוביל לחילוף חומרים נוסף של תוצרים שהצטברו ולגרום לתגובות רעילות. רמות ה-DO האופטימליות משתנות בין מיני חיידקים שונים. לדוגמה, במהלך הביוסינתזה של פניצילין, DO נשמרת בדרך כלל על רוויון אוויר של כ-30%. אם DO יורד לאפס ונשאר ברמה זו במשך חמש דקות, היווצרות התוצר עלולה להיפגע באופן משמעותי. אם מצב זה נמשך 20 דקות, עלול להיגרם נזק בלתי הפיך.

כיום, חיישני DO הנפוצים ביותר יכולים למדוד רק רוויון אוויר יחסי, ולא את הריכוז המוחלט של חמצן מומס. לאחר עיקור מצע הגידול, מתבצעים אוורור וערבוב עד להתייצבות קריאת החיישן, ובנקודה זו הערך נקבע ל-100% רוויון אוויר. מדידות עוקבות במהלך תהליך התסיסה מבוססות על ייחוס זה. לא ניתן לקבוע ערכי DO מוחלטים באמצעות חיישנים סטנדרטיים והם דורשים טכניקות מתקדמות יותר, כגון פולרוגרפיה. עם זאת, מדידות רוויון אוויר מספיקות בדרך כלל לניטור ובקרה של תהליכי תסיסה.

בתוך מכל תסיסה, רמות DO יכולות להשתנות בין אזורים שונים. אפילו כאשר מתקבלת קריאה יציבה בנקודה מסוימת, עדיין עשויות להתרחש תנודות במצעי תרבית מסוימים. מכלים תסיסה גדולים יותר נוטים להציג וריאציות מרחביות גדולות יותר ברמות DO, מה שיכול להשפיע באופן משמעותי על גדילה ופריון מיקרוביאליים. ראיות ניסיוניות הראו שלמרות שרמת ה-DO הממוצעת עשויה להיות 30%, ביצועי התסיסה בתנאים משתנים נמוכים משמעותית מאשר בתנאים יציבים. לכן, בהגדלת קנה המידה של מכלים תסיסה - מעבר לשיקולים של דמיון גיאומטרי והספק - מזעור השינויים המרחביים של DO נותר יעד מחקר מרכזי.

מדוע ניטור חמצן מומס חיוני בתסיסה ביו-פרמצבטית?

1. לשמור על סביבת גידול אופטימלית עבור מיקרואורגניזמים או תאים
תסיסה תעשייתית כוללת בדרך כלל מיקרואורגניזמים אירוביים, כגון אשריכיה קולי ושמרים, או תאים יונקיים, כגון תאי שחלה של אוגר סיני (CHO). תאים אלה מתפקדים כ"עובדים" בתוך מערכת התסיסה, וזקוקים לחמצן לנשימה ולפעילות מטבולית. חמצן משמש כקולט אלקטרונים סופי בנשימה אירובית, ומאפשר ייצור אנרגיה בצורת ATP. אספקת חמצן לא מספקת עלולה להוביל לחנק תאי, לעצירת גדילה או אפילו למוות תאי, ובסופו של דבר לגרום לכישלון תסיסה. ניטור רמות DO מבטיח שריכוזי החמצן יישארו בטווח האופטימלי לגדילת תאים וקיימות בת קיימא.

2. כדי להבטיח סינתזה יעילה של מוצרי היעד
מטרת התסיסה הביו-פרמצבטית אינה רק לקדם התפשטות תאים, אלא גם להקל על הסינתזה היעילה של תוצרי מטרה רצויים, כגון אינסולין, נוגדנים חד שבטיים, חיסונים ואנזימים. מסלולים ביוסינתטיים אלה דורשים לעתים קרובות קלט אנרגיה משמעותי, שמקורו בעיקר בנשימה אירובית. בנוסף, מערכות אנזימטיות רבות המעורבות בסינתזת התוצרים תלויות ישירות בחמצן. מחסור בחמצן עלול לשבש או להפחית את יעילותם של מסלולים אלה.

יתר על כן, רמות DO משמשות כאות רגולטורי. ריכוזי DO גבוהים ונמוכים מדי יכולים:
- שינוי מסלולי מטבוליזם תאיים, למשל, מעבר מנשימה אירובית לתסיסה אנאירובית פחות יעילה.
- מעורר תגובות לחץ תאיות, מה שמוביל לייצור תוצרי לוואי לא רצויים.
- להשפיע על רמות הביטוי של חלבונים אקסוגניים.

על ידי שליטה מדויקת ברמות DO בשלבים שונים של התסיסה, ניתן להנחות את חילוף החומרים התאי לעבר סינתזה מקסימלית של תוצרי מטרה, ובכך להשיג תסיסה בצפיפות גבוהה ובתפוקה גבוהה.

מבוא לתרשים זרימת מים עבור תרופות ביולוגיות

3. למניעת מחסור או עודף חמצן
מחסור בחמצן (היפוקסיה) עלול לגרום לתוצאות חמורות:
- צמיחת תאים וסינתזת תוצרים נפסקות.
- חילוף החומרים עובר למסלולים אנאירוביים, וכתוצאה מכך נוצרות חומצות אורגניות כמו חומצה לקטית וחומצה אצטית, אשר מורידות את רמת החומציות (pH) של מצע הגידול ועלולות להרעיל את התאים.
- היפוקסיה ממושכת עלולה לגרום לנזק בלתי הפיך, כאשר ההתאוששות אינה שלמה גם לאחר חידוש אספקת החמצן.

עודף חמצן (רוויה יתר) מהווה גם סיכונים:
- זה יכול לגרום לעקה חמצונית וליצירת מיני חמצן פעילים (ROS), אשר פוגעים בקרומי התא ובביומולקולות.
- אוורור וערבול מוגזמים מגבירים את צריכת האנרגיה ואת עלויות התפעול, מה שמוביל לבזבוז משאבים מיותר.

4. כפרמטר קריטי לניטור בזמן אמת ובקרת משוב

DO הוא פרמטר בזמן אמת, רציף ומקיף המשקף את התנאים הפנימיים של מערכת התסיסה. שינויים ברמות DO יכולים להצביע באופן רגיש על מצבים פיזיולוגיים ותפעוליים שונים:
- גדילה מהירה של תאים מגבירה את צריכת החמצן, מה שגורם לירידה ברמות ה-DO.
- דלדול או עיכוב של סובסטרט מאטים את חילוף החומרים, מפחיתים את צריכת החמצן וגורמים לעלייה ברמות DO.
- זיהום על ידי מיקרואורגניזמים זרים משנה את דפוס צריכת החמצן, מה שמוביל לתנודות חריגות ב-DO ומשמש כאות אזהרה מוקדם.
- תקלות בציוד, כגון כשל במערבל, חסימה בצינור אוורור או לכלוך במסנן, עלולות גם הן לגרום להתנהגות חריגה של DO.

על ידי שילוב ניטור DO בזמן אמת במערכת בקרת משוב אוטומטית, ניתן להשיג ויסות מדויק של רמות DO באמצעות התאמות דינמיות של הפרמטרים הבאים:
- מהירות ערבוב: הגברת המהירות משפרת את המגע בין גז לנוזל על ידי שבירת בועות, ובכך משפרת את יעילות העברת החמצן. זוהי השיטה הנפוצה והיעילה ביותר.
- קצב אוורור: התאמת קצב הזרימה או הרכב גז הכניסה (למשל, הגדלת שיעור האוויר או החמצן הטהור).
- לחץ במיכל: העלאת הלחץ מגבירה את הלחץ החלקי של החמצן, ובכך משפרת את המסיסות.
- טמפרטורה: הורדת הטמפרטורה מגבירה את מסיסות החמצן במצע הגידול.

המלצות המוצר של BOQU לניטור מקוון של תסיסה ביולוגית: