أي مُخمرٍ ميكروبي هو الأفضل لإنتاج الإنزيمات أو المضادات الحيوية؟

الاختلافات الفسيولوجية الأساسية بين الكائنات الدقيقة المنتجة للإنزيمات والكائنات الدقيقة المنتجة للمضادات الحيوية

الحساسية تجاه الأكسجين ودرجة الحموضة لدى عصويات الأكتينوميسيتات وبكتيريا الباسيلس

تُظهر العقدية المنتجة للمضادات الحيوية (مثل الم Streptomyces) وسلالات البكتيريا العصوية المنتجة للإنزيمات (Bacillus) اختلافاتٍ ملحوظةً في التحمّل البيئي. فتحتاج العقدية إلى مستويات الأكسجين المذاب (DO) أن تكون أعلى من ٣٠٪، ودرجة حموضة قريبة من الحياد (٧٫٠ إلى ٧٫٥) لتحقيق أفضل تخليق للمضادات الحيوية مثل الستربتوميسين. وتتميّز العقدية بهيكلها الخيطي، وبالتالي فإن انتشار الأكسجين داخل الخيوط يكون ضعيفًا. أما سلالات البكتيريا العصوية (Bacillus) فهي تميل إلى العمل ضمن نطاق ٢٠–٣٠٪ من تشبع الأكسجين المذاب (DO)، مع انحراف نحو القلوية (درجة حموضة ٦٫٥–٨٫٠) أثناء إنتاج البروتياز. وتتميّز سلالات البكتيريا العصوية بشكلها العصوي (القضيبـي)، ما يؤدي إلى كفاءة عالية في امتصاص الأكسجين. وتوفّر هذه القيود الفسيولوجية معلوماتٍ هامةً لمصمِّمي أجهزة التخمير الميكروبي فيما يتعلق بتصميم نظام التهوية ووحدات التحكم في درجة الحموضة (pH-stat).

نوع الكائن الدقيق: متطلبات الأكسجين، النطاق الأمثل لدرجة الحموضة، المنتج

العقدية: تشبع الأكسجين المذاب > ٣٠٪، ٧٫٠–٧٫٥، بنسلين، ستربتوميسين

البكتيريا العصوية: تشبع الأكسجين المذاب ٢٠–٣٠٪، ٦٫٥–٨٫٠، بروتياز، أميلاز

ديناميكيات تكوين المنتج المرتبطة بالنمو وغير المرتبطة به

إنتاج الإنزيمات (البروتيازات المؤتلفة) مرتبطٌ ارتباطًا وثيقًا بالنمو ويصل إلى ذروته خلال المرحلة الأسية، عندما يكون هناك امتصاص قوي للمواد الغذائية، وبالتالي إخراج أيضي أكبر. ومشتقة الغالبية العظمى (أكثر من ٧٠٪) من الإنزيمات الصناعية الجاهزة للاستخدام من سلالات البكتيريا العصوية (Bacillus) خلال المرحلة الأسية من النمو. أما إنتاج المضادات الحيوية فيتم خلال المرحلة الثابتة من الدورة. وتتميز المرحلة الثابتة من الدورة بأنها غير مرتبطة بالنمو، وتكون مرتبطة بالتمثيل الغذائي الثانوي. وفي هذه المرحلة، تنتج البكتيريا الخيطية (مثل العقديات)

الميزات التصميمية لمُخمِّرات الميكروبات لتعظيم إنتاج المضادات الحيوية
تصميم المخمِّرات لإنتاج البنسلين جي (Penicillin G) والستربتومايسين
لتصنيع المضادات الحيوية، يجب أن تكون العملية البيئية لتخمير العقديات الفطرية صعبة للغاية. ففي عملية تصنيع البنسلين باستخدام الطريقة الجزيئية (G)، يلزم أن تتجاوز نسبة الأكسجين المذاب 30% من التشبع، أما بالنسبة للستربتومايسين، فيجب التحكم في نسبة الأكسجين المذاب بحيث تكون أقل من 20%، مما قد يؤدي إلى انخفاض العائد بنسبة تتراوح بين 40% و60% (مجلة معالجة الكائنات الحية الدقيقة، 2023). وتتوقف عملية أيض البنسلين عند درجة حموضة تتراوح بين 6.5 و7.0. أما عند درجات الحموضة ما بين 7.8 و8.2، فإن عملية أيض الستربتومايسين تتوقف أيضًا. وتتعامل المُخمرات الحديثة مع التحدي المتمثل في الحفاظ على مستويات الأكسجين المناسبة باستخدام توربينات الدوارات مع أنظمة حقن الغاز (sparging systems) بشكل مزدوج. كما تستخدم هذه المُخمرات مجسات آلية مدمجة قادرة على التصحيح الذاتي بإضافة ثاني أكسيد الكربون أو المواد القلوية لمواجهة الانخفاض المفاجئ في درجة الحموضة الناتج عن تراكم الأحماض العضوية.
توسيع نطاق الأيض الثانوي عبر التحوّل من نمط التشغيل الدفعي
يحدث تكوين المضادات الحيوية في المرحلة النهائية من الأيض الثانوي خلال طور التوقف. ويحدث تكوين البنسلين وG عندما يُحافظ على تركيز الجلوكوز عند أقل من ٠٫٥ غرام/لتر لمنع مقاطعة مسارات التخليق الحيوي. وتزداد مدة مرحلة الإنتاج بما يتجاوز ٤٠–٦٠ ساعة، بينما يرتفع العائد بنسبة تصل إلى ٥٠٪ مقارنةً بالطريقة الدفعية التقليدية. ويتراكم نواتج عملية التخمير الجانبية، والتي قد تكون ضارةً بالعملية التشغيلية. ويشكّل تخليق المضادات الحيوية المحور الرئيسي للتركيز، وتوجَّه طاقة الخلايا نحو هذا التخليق.

أفضل الممارسات المتعلقة بتكوين مُخمِّر كائنات دقيقة لتصنيع الإنزيمات العلاجية

تصميم مضخة دورانية منخفضة القص واستراتيجيات التحكم في درجة الحموضة (pH-Stat) للحفاظ على استقرار البروتييز المؤتلف

عند إنتاج الإنزيمات العلاجية مثل البروتيازات المؤتلفة، تصبح التكوينات الخاصة للمُخمرات ضرورية لتجنب التحلل الهيكلي. وتُعد تصاميم المراوح منخفضة القص مثل المراوح ذات الشفرات المائلة والمرور الهوائي (الهيدروفويل) فعّالةً في ضمان عدم تغير تركيب البروتينات (الانحلال)، مما يساعد على تجنّب فقدان نشاط البروتيازات. ويشكّل نظام التحكم في درجة الحموضة (pH-stat)، الذي يحافظ على مدى درجة الحموضة بين ٦٫٥ و٧٫٥ للبروتيازات عبر ضبط كميات الحمض والقاعدة تلقائيًّا، إضافةً لا غنى عنها إلى النظام. وعندما تكون السيطرة على درجة الحموضة ضعيفةً، يتغيّر التركيب الثلاثي الأبعاد للإنزيم بسبب تقلبات درجة الحموضة، ما يؤدي إلى انخفاض حاد في نشاط البروتيازات، وقد يصل هذا الانخفاض إلى ٥٠٪ حتى في دورة واحدة. وإذا وُظِفَ هذان النظامان معًا، فإن ذلك يرفع العائد بشكل كبير ويضمن امتثال المنتج للوائح التنظيمية المعمول بها في القطاع.

اختيار نوع المُخمر الميكروبي المناسب وفق المقياس المطلوب والإطار القانوني والنتيجة المرجوة

يتمثل اختيار مُخمر الميكروبات المناسب في محاذاة ثلاثية المتغيرات تشمل حجم الإنتاج والقيود القانونية وخصائص الناتج المطلوب. فعلى أدنى مستويات الإنتاج، تستخدم مشاريع البحث والمشاريع التجريبية أنظمة صغيرة وقابلة للتجزئة، أما على أعلى المستويات، فإن الأبحاث المتعلقة بالإنتاج الصناعي للمضادات الحيوية تعتمد على مفاعلات كبيرة من نوع الخلاطات المُحرَّكة المزودة بالتعقيم الآلي لتلبية المتطلبات العديدة للأدوية الحديثة. وعلى أعلى مستويات الإنتاج، يُقارن إنتاج الإنزيمات العلاجية عالية القيمة مع إنتاج المستقلبات القابلة للتصنيع بكميات كبيرة من خلال استخدام مراوح منخفضة القص في الحالة الأولى وتوربينات راشتون عالية انتقال الأكسجين في الحالة الثانية على التوالي. وتدعم البيانات حقيقة أن ٣٤٪ من حالات فشل نقل التكنولوجيا من مشاريع البحث إلى مرحلة الإنتاج تعود إلى سوء مواءمة التكنولوجيا مع الحجم، ما يؤدي إلى فشل مشاريع التخمير. ويمكن القول بأمان إن النجاح في التنفيذ يعتمد اعتماداً كبيراً على مدى مطابقة النظام للمتطلبات، وكفاءته في الإنتاج، وفعاليته التشغيلية التي تم تصميمها ضمنه منذ المراحل المبكرة.

الأسئلة الشائعة

ما العوامل البيئية التي تؤثر على إنتاج المضادات الحيوية والإنزيمات؟

لتصنيع المضادات الحيوية حيويًّا، تعتمد عصيات التربة (Actinomycetes) على توافر كمية كافية من الأكسجين المذاب (>30% من التشبع) ودرجة حموضة متعادلة تتراوح بين 7.0 و7.5. أما سلالات البكتيريا العصوية (Bacillus) المنتجة للإنزيمات فتفضّل مستويات معتدلة من الأكسجين المذاب تتراوح بين 20% و30% ودرجة حموضة قلوية تتراوح بين 6.5 و8.0.

ما الفرق بين الإنتاج المرتبط بالنمو والإنتاج غير المرتبط بالنمو؟

الإنتاج المرتبط بالنمو هو إنتاج الإنزيمات الميكروبية الذي يحدث أثناء المرحلة الأسية، في حين أن إنتاج المضادات الحيوية الذي يحدث أثناء المرحلة الثابتة يُعد مثالًا على الإنتاج غير المرتبط بالنمو.

ما تشكيلات المخمرات التي تؤدي إلى إنتاج عالي الكفاءة للمضادات الحيوية؟

المخمرات ذات الخلاط الدوار المزودة بدوارات توربينية (إلى جانب التحكم الجيد في تركيز الأكسجين المذاب/درجة الحموضة) هي الخيار الأمثل لإنتاج مضادات حيوية مثل البنسلين والاستربتوميسين. وأفضل الطرق لزيادة العائد هي الاستراتيجيات شبه المستمرة (Fed-batch) التي تمدّد المرحلة الثابتة لإنتاج المضادات الحيوية.

كيف يتم تصميم المُخمر لإنتاج الإنزيمات العلاجية؟

في إنتاج الإنزيمات العلاجية، تُستخدم مراوح ذات قص منخفض لتفادي تشويه البروتينات. كما يُستخدم نظام متقدم للتحكم في درجة الحموضة (pH-stat) للحفاظ على استقرار الإنزيم ضمن مدى درجة الحموضة من ٦٫٥ إلى ٧٫٥.

لماذا يكتسب اختيار المُخمر لعملية التخمير الميكروبي أهميةً بالغة؟

يوجد ارتباط وثيق بين اختيار المُخمر ومقياس الإنتاج، والنظر المنطقي في ناتج العملية، وإنتاج الخطوات التسويقية مع القيود التنظيمية.