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华理研制八联微型反应器 助推工业菌种快速进化

转自微信公众号:BIOB资讯

微生物菌种是发酵工业的基础,性能优良的菌种是实现生物制品经济高效生产的关键。高通量筛选技术以自动化操作系统进行实验操作,依靠灵敏快速的检测仪器采集信号,同时检测大批量的样品。因此,采用高通量筛选技术进行菌种选育能够更高效地获得优良生产菌株,提高生物制造企业的国际竞争力。

高通量培养新装备:带有先进传感器的八联微型生物反应器

在菌种选育中,培养过程的微型化是提高筛选通量的重要手段,通过缩小培养装置不仅可以减少人工和材料成本,还可以增加实验的平行性。理想的微培养装置应该是能够准确模仿大规模培养过程,真实地反应微生物的生理代谢和生产能力。在高通量筛选模型中,传统的复筛方式是摇瓶培养,但是其存在数据密度低,培养条件不能调控、过程参数无法在线实时采集等问题,因此在对于发酵罐菌株性能验证存在一定的放大局限性。微型生物反应器保留了传统生物反应器的实时监测功能,体积介于摇瓶和微孔板之间,不仅带有搅拌桨与进气管,还配有光化学pH和DO传感器,能够对大型生物反应器的特征进行完全模拟,并同时对多个实验进行平行运转,是进行细胞株筛选、培养基优化和工艺优化的重要设备。该论文将自行研制开发的八联平行微反应器(图1)引入到高通量筛选模型中,用于替代复筛过程的摇瓶(图2),从而在保证筛选通量的基础上,提高菌株性能验证的可放大性。

图1.  八联微型生物反应器系统

图2  菌种高通量筛选流程图

首先,通过冷模实验对微反应器上非侵入式pH和DO光传感器的应用条件进行优化,表明温度和外界光会对pH和DO的荧光测定产生显著影响,因此需要在实际应用过程中维持恒定的检测温度以及对罐体进行遮光预处理。其次,通过热模实验在微反应器中对三种常规微生物(大肠杆菌、毕赤酵母和拟干酪乳杆菌)进行培养,表明微反应器能够实现过程pH和DO的检测和控制,能获得比摇瓶更好的细胞生长表现以及过程代谢监测数据。最后,将八联平行微反应器和传统摇瓶分别作为高通量L-乳酸生产拟干酪乳杆菌高产菌株的复筛工具,通过微孔板初筛2500份突变混合菌株,其中184个混合菌株孔中表现出有机酸生产性能,而且21个混合菌株孔中的有机酸产量高于其亲株。接着将产量最高的58号孔和103号孔分别在平板上进行单菌落分离,总共获得59个单克隆进行后续的微反应器和摇瓶复筛。通过微反应器获得4个突变株,其L-乳酸产量高于亲株15%,而摇瓶培养则显示在上述4个突变株之外,另有2个突变株的L-乳酸产量提高幅度大于15%。将这6个突变株都进行5 L反应器培养验证后,发现微反应器获得的4个突变株确实能够在5 L反应器中也表现出L-乳酸产量的提升,但是摇瓶获得的额外2个突变株则与亲株产量接近或略微降低。上述结果表明,相对于传统摇瓶培养,微反应器能够提供接近于大规模反应器的培养环境,筛选所得突变株的生理代谢特性能够更好地适应培养环境,其生产性能也更适合于放大到更大规模的反应器中。综上所述,该研究中所使用的自制八联微型生物反应器,能够很好地替代传统摇瓶在高通量筛选中作为复筛的培养装置,不但能够保证相对高的筛选通量,还能够有效地提高筛选的准确率和突变株生产能力的可放大性。

文献来源:Xiwei Tian, Gang Zhou, Weifei Wang, Ming Zhang, Haifeng Hang, Ali Mohsin, Ju Chu, Yingping Zhuang, Siliang Zhang. Application of 8-parallel micro-bioreactor system with non-invasive optical pH and DO biosensor in high-throughput screening of l-lactic acid producing strain. Bioresources and Bioprocessing, 2018, 5: 20.

BIOB期刊其他论文链接:https://link.springer.com/journal/40643

2017, Volume 4 所有论文链接(共56篇):

https://link.springer.com/journal/40643/4/1/page/1

2016, Volume 3 所有论文链接(共53篇):

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