სიახლეები - გახსნილი ჟანგბადის დონის მონიტორინგი ბიოფარმაცევტული დუღილის პროცესში

რა არის გახსნილი ჟანგბადი?

გახსნილი ჟანგბადი (DO) მოლეკულურ ჟანგბადს (O) აღნიშნავს._₂), რომელიც წყალში იხსნება. ის განსხვავდება წყლის მოლეკულებში არსებული ჟანგბადის ატომებისგან (H_₂O), რადგან ის წყალში არსებობს დამოუკიდებელი ჟანგბადის მოლეკულების სახით, რომლებიც ან ატმოსფეროდან წარმოიქმნება, ან წყლის მცენარეების მიერ ფოტოსინთეზის გზით წარმოიქმნება. DO-ს კონცენტრაციაზე გავლენას ახდენს სხვადასხვა ფაქტორი, მათ შორის ტემპერატურა, მარილიანობა, წყლის ნაკადი და ბიოლოგიური აქტივობები. ამრიგად, ის წყლის გარემოს ჯანმრთელობისა და დაბინძურების მდგომარეობის შესაფასებლად კრიტიკულ ინდიკატორს წარმოადგენს.

გახსნილი ჟანგბადი სასიცოცხლო როლს ასრულებს მიკრობული მეტაბოლიზმის ხელშეწყობაში, გავლენას ახდენს უჯრედულ სუნთქვაზე, ზრდასა და მეტაბოლური პროდუქტების ბიოსინთეზზე. თუმცა, გახსნილი ჟანგბადის მაღალი დონე ყოველთვის არ არის სასარგებლო. ჟანგბადის სიჭარბემ შეიძლება გამოიწვიოს დაგროვილი პროდუქტების შემდგომი მეტაბოლიზმი და პოტენციურად გამოიწვიოს ტოქსიკური რეაქციები. ჟანგბადის ოპტიმალური დონე განსხვავდება სხვადასხვა ბაქტერიულ სახეობაში. მაგალითად, პენიცილინის ბიოსინთეზის დროს, ჟანგბადის შემცველობა, როგორც წესი, შენარჩუნებულია ჰაერის დაახლოებით 30%-იანი გაჯერების დონეზე. თუ ჟანგბადის შემცველობა ნულამდე დაეცემა და ამ დონეზე ხუთი წუთის განმავლობაში დარჩება, პროდუქტის ფორმირება შეიძლება მნიშვნელოვნად შეფერხდეს. თუ ეს მდგომარეობა 20 წუთის განმავლობაში გაგრძელდება, შეიძლება შეუქცევადი დაზიანება მოხდეს.

ამჟამად, ყველაზე ხშირად გამოყენებული ჟანგბადის შემცველი ნივთიერებების სენსორებით შესაძლებელია მხოლოდ ფარდობითი ჰაერის გაჯერების გაზომვა და არა გახსნილი ჟანგბადის აბსოლუტური კონცენტრაციის. კულტურული ნიადაგის სტერილიზაციის შემდეგ, აერაცია და მორევა ხორციელდება სენსორის ჩვენების სტაბილიზაციამდე, რის შემდეგაც მნიშვნელობა დაყენებულია 100%-იან ჰაერის გაჯერებაზე. დუღილის პროცესის დროს შემდგომი გაზომვები ეფუძნება ამ საცნობარო ნიშნულს. ჟანგბადის შემცველობის აბსოლუტური მნიშვნელობების დადგენა შეუძლებელია სტანდარტული სენსორების გამოყენებით და საჭიროებს უფრო მოწინავე ტექნიკას, როგორიცაა პოლაროგრაფია. თუმცა, ჰაერის გაჯერების გაზომვები, როგორც წესი, საკმარისია დუღილის პროცესების მონიტორინგისა და კონტროლისთვის.

ფერმენტატორში, ჟანგბადის დიოქსიდის დონეები შეიძლება განსხვავდებოდეს სხვადასხვა რეგიონში. მაშინაც კი, როდესაც ერთ მომენტში სტაბილური მაჩვენებელი მიიღება, გარკვეულ კულტურულ გარემოში მაინც შეიძლება მოხდეს რყევები. უფრო დიდი ფერმენტატორები, როგორც წესი, ავლენენ ჟანგბადის დიოქსიდის დონის უფრო დიდ სივრცულ ვარიაციას, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად იმოქმედოს მიკრობების ზრდასა და პროდუქტიულობაზე. ექსპერიმენტულმა მტკიცებულებებმა აჩვენა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ჟანგბადის დიოქსიდის საშუალო დონე შეიძლება იყოს 30%, ცვალებად პირობებში დუღილის ეფექტურობა მნიშვნელოვნად დაბალია, ვიდრე სტაბილურ პირობებში. ამიტომ, ფერმენტატორების მასშტაბირებისას - გეომეტრიული და სიმძლავრის მსგავსების გათვალისწინებით - ჟანგბადის დიოქსიდის სივრცითი ვარიაციების მინიმიზაცია კვლავ კვლევის მთავარ ამოცანად რჩება.

რატომ არის გახსნილი ჟანგბადის მონიტორინგი აუცილებელი ბიოფარმაცევტული დუღილის დროს?

1. მიკროორგანიზმების ან უჯრედებისთვის ოპტიმალური ზრდის გარემოს შესანარჩუნებლად
სამრეწველო დუღილი, როგორც წესი, მოიცავს აერობულ მიკროორგანიზმებს, როგორიცაა Escherichia coli და საფუარი, ან ძუძუმწოვრების უჯრედებს, როგორიცაა ჩინური ზაზუნას საკვერცხის (CHO) უჯრედები. ეს უჯრედები ფუნქციონირებენ როგორც „მუშაკები“ დუღილის სისტემაში, რაც სუნთქვისა და მეტაბოლური აქტივობისთვის ჟანგბადს მოითხოვს. ჟანგბადი აერობული სუნთქვის დროს ტერმინალური ელექტრონული აქცეპტორის როლს ასრულებს, რაც ენერგიის გამომუშავებას ატფ-ის სახით უზრუნველყოფს. ჟანგბადის არასაკმარისმა მიწოდებამ შეიძლება გამოიწვიოს უჯრედების დახრჩობა, ზრდის შეჩერება ან თუნდაც უჯრედების სიკვდილი, რაც საბოლოოდ დუღილის უკმარისობას იწვევს. DO დონის მონიტორინგი უზრუნველყოფს, რომ ჟანგბადის კონცენტრაცია დარჩეს ოპტიმალურ დიაპაზონში უჯრედების მდგრადი ზრდისა და სიცოცხლისუნარიანობისთვის.

2. სამიზნე პროდუქტების ეფექტური სინთეზის უზრუნველყოფა
ბიოფარმაცევტული დუღილის მიზანია არა მხოლოდ უჯრედების პროლიფერაციის ხელშეწყობა, არამედ სასურველი სამიზნე პროდუქტების, როგორიცაა ინსულინი, მონოკლონური ანტისხეულები, ვაქცინები და ფერმენტები, ეფექტური სინთეზის ხელშეწყობა. ეს ბიოსინთეზური გზები ხშირად მოითხოვს მნიშვნელოვან ენერგიის ხარჯვას, რომელიც ძირითადად აერობული სუნთქვით მიიღება. გარდა ამისა, პროდუქტის სინთეზში ჩართული მრავალი ფერმენტული სისტემა პირდაპირ დამოკიდებულია ჟანგბადზე. ჟანგბადის დეფიციტმა შეიძლება დაარღვიოს ან შეამციროს ამ გზების ეფექტურობა.

გარდა ამისა, DO დონეები მარეგულირებელი სიგნალის ფუნქციას ასრულებს. როგორც ზედმეტად მაღალ, ასევე დაბალ DO კონცენტრაციებს შეუძლიათ:
- უჯრედული მეტაბოლური გზების შეცვლა, მაგალითად, აერობული სუნთქვიდან ნაკლებად ეფექტურ ანაერობულ დუღილზე გადასვლა.
- უჯრედული სტრესული რეაქციების გამოწვევა, რაც არასასურველი ქვეპროდუქტების წარმოქმნას იწვევს.
- ეგზოგენური ცილების ექსპრესიის დონეზე გავლენის მოხდენა.

დუღილის სხვადასხვა ეტაპზე DO დონის ზუსტი კონტროლით, შესაძლებელია უჯრედული მეტაბოლიზმის მაქსიმალური სამიზნე პროდუქტის სინთეზისკენ წარმართვა, რითაც მიიღწევა მაღალი სიმკვრივის და მაღალი მოსავლიანობის დუღილი.

ბიოფარმაცევტული საშუალებების წყლის ნაკადის დიაგრამის შესავალი

3. ჟანგბადის დეფიციტის ან ჭარბი რაოდენობის თავიდან ასაცილებლად
ჟანგბადის დეფიციტს (ჰიპოქსიას) შეიძლება ჰქონდეს სერიოზული შედეგები:
- უჯრედების ზრდა და პროდუქტების სინთეზი წყდება.
- მეტაბოლიზმი ანაერობულ გზებზე გადადის, რაც იწვევს ორგანული მჟავების, როგორიცაა რძემჟავა და ძმარმჟავა, დაგროვებას, რომლებიც ამცირებენ კულტივირების ნიადაგის pH-ს და შესაძლოა, უჯრედები მოწამლონ.
- ხანგრძლივმა ჰიპოქსიამ შეიძლება გამოიწვიოს შეუქცევადი დაზიანება, რომლის აღდგენა არასრული იქნება ჟანგბადის მიწოდების აღდგენის შემდეგაც კი.

ჟანგბადის სიჭარბე (ზეგაჯერება) ასევე რისკებს შეიცავს:
- მას შეუძლია გამოიწვიოს ჟანგვითი სტრესი და რეაქტიული ჟანგბადის სახეობების (ROS) წარმოქმნა, რომლებიც აზიანებენ უჯრედის მემბრანებსა და ბიომოლეკულებს.
- ზედმეტი აერაცია და აჟიოტაჟი ზრდის ენერგიის მოხმარებას და საოპერაციო ხარჯებს, რაც იწვევს რესურსების არასაჭირო ფლანგვას.

4. როგორც რეალურ დროში მონიტორინგისა და უკუკავშირის კონტროლის კრიტიკული პარამეტრი

DO არის რეალურ დროში მიმდინარე, უწყვეტი და ყოვლისმომცველი პარამეტრი, რომელიც ასახავს დუღილის სისტემის შიდა პირობებს. DO დონის ცვლილებებს შეუძლია მგრძნობიარედ მიუთითოს სხვადასხვა ფიზიოლოგიურ და ოპერაციულ მდგომარეობებზე:
- უჯრედების სწრაფი ზრდა ზრდის ჟანგბადის მოხმარებას, რაც იწვევს DO დონის შემცირებას.
- სუბსტრატის გამოფიტვა ან ინჰიბირება ანელებს მეტაბოლიზმს, ამცირებს ჟანგბადის მოხმარებას და იწვევს DO დონის მატებას.
- უცხო მიკროორგანიზმებით დაბინძურება ცვლის ჟანგბადის მოხმარების ნიმუშს, რაც იწვევს ჟანგბადის ჟანგბადის ჟანგბადის ჟანგბადის პათოლოგიურ რყევებს და წარმოადგენს ადრეული გამაფრთხილებელ სიგნალს.
- აღჭურვილობის გაუმართაობამ, როგორიცაა შემრევი მოწყობილობის გაუმართაობა, ვენტილაციის მილის გაჭედვა ან ფილტრის დაბინძურება, ასევე შეიძლება გამოიწვიოს DO-ს ანომალიური ქცევა.

რეალურ დროში DO მონიტორინგის ავტომატიზირებულ უკუკავშირის კონტროლის სისტემაში ინტეგრირებით, DO დონეების ზუსტი რეგულირება შესაძლებელია შემდეგი პარამეტრების დინამიური რეგულირების გზით:
- მორევის სიჩქარე: სიჩქარის გაზრდა აძლიერებს აირა-სითხეს კონტაქტს ბუშტების დაშლით, რითაც აუმჯობესებს ჟანგბადის გადაცემის ეფექტურობას. ეს არის ყველაზე ხშირად გამოყენებული და ეფექტური მეთოდი.
- აერაციის სიჩქარე: შესასვლელი აირის ნაკადის სიჩქარის ან შემადგენლობის რეგულირება (მაგ., ჰაერის ან სუფთა ჟანგბადის პროპორციის გაზრდა).
- ავზის წნევა: წნევის აწევა ზრდის ჟანგბადის ნაწილობრივ წნევას, რითაც აუმჯობესებს ხსნადობას.
- ტემპერატურა: ტემპერატურის დაწევა ზრდის ჟანგბადის ხსნადობას კულტურულ გარემოში.

BOQU-ს პროდუქტის რეკომენდაციები ბიოლოგიური დუღილის ონლაინ მონიტორინგისთვის: