אילו מיקרובים מתאימים ביותר לייצור אנזימים או אנטיביוטיקה?

ההבדלים הפיזיולוגיים המרכזיים בין מיקרואורגניזמים מייצרי אנזימים לבין מיקרואורגניזמים מייצרי אנטיביוטיקה

רגישות לחמצן ול-pH בקרב אקטינומיצטים ובאקילוס

אקטינומיצטים מייצרי אנטיביוטיקה (למשל, Streptomyces) וזרעים של Bacillus המייצרים אנזימים מפגינים הבדלים בולטים בסבילות לסביבה. לאקטינומיצטים נדרשת רמת חמצן מומס (DO) גבוהה מ-30% ו-pH קרוב לנייטרלי (7.0–7.5) כדי לספק את התנאים האופטימליים לסינтזה של אנטיביוטיקות כגון סטרפטומיצין. לאקטינומיצטים יש מורפולוגיה שזורה, ולכן יש להם דיפוזיית חמצן לקויה לאורך השעמום. לעומת זאת, לזרעי Bacillus נוטים להיות רמות DO בין 20% ל-30% ושינויים אלקליניים ב-pH (6.5–8.0) במהלך ייצור פרוטאזים. לזרעי Bacillus יש מורפולוגיה מוטתית, מה שמביא ליעילות גבוהה בבליעת החמצן. אילוצים פיזיולוגיים אלו מספקים מידע לעצמי העיצוב של מנגנוני התחמוצת המיקרוביאלית, במיוחד בנוגע לתכנון מערכת ההתחמוצת ובקרות ה-pH-סטט.

סוג מיקרואורגניזם דרישה לחמצן טווח pH אופטימלי מוצר

אקטינומיצטים רווית חמצן > 30% 7.0–7.5 פניצילין, סטרפטומיצין

Bacillus רווית חמצן 20–30% 6.5–8.0 פרוטאזים, אמילאזים

דינמיקת ייצור מוצרים קשורה לצמיחה ולא קשורה לצמיחה

ייצור אנזימים (פרוטאזים רקומביננטיים) קשור באופן חזק לצמיחה ומגיע לשיאו בתקופת הצמיחה האקספוננציאלית, כאשר יש ספיגה חזקה של מזון, ובהתאם לכך – פליטה מטבולית חזקה יותר. הרוב המכריע (מעל 70%) מהאנזימים התעשייתיים הזמינים בسهولة נגזרים ממזרקות של 바צילוס במהלך הפאזה האקספוננציאלית של הצמיחה. לעומת זאת, ייצור אנטיביוטיקה מתבצע בפאזה היציבה של המחזור. הפאזה היציבה מאופיינת במטבוליזם משני שאינו קשור לצמיחה. בפאזה זו, חיידקים פילמנטוזיים (למשל, אקטינומיצטים)

מאפייני העיצוב של מנגנוני התחמוצת המיקרוביאליים כדי למקסם את פליטת האנטיביוטיקה
עיצוב מנגנוני התחמוצת לייצור פניצילין G וסטרפטומיצין
ליצירת אנטיביוטיקה, התהליך הסביבתי של הזרעתיות האקטינומיצטים חייב להיות דרמטי מאוד. לסינטזה של פניצילין (G), יש צורך באוקסיגן מומס ברמה גבוהה מ-30% מהרוויה, בעוד שבסטרפטומיצין יש לשלוט באוקסיגן המומס כך שיהיה נמוך מ-20%, מה שעלול לגרום לירידה בתפוקה ב-40–60%. (BioProcessing Journal, 2023). תהליך חילוף החומרים של הפניצילין נעצר בטווח pH של 6.5 עד 7.0. מעבר ל-pH של 7.8 עד 8.2, גם תהליך חילוף החומרים של הסטרפטומיצין נעצר. המזיעים המודרניים מתמודדים עם האתגר של שמירה על רמות אוקסיגן מתאימות באמצעות שילוב של טורבינות מסובבות ומערכות פיזור גז. המזיעים משתמשים במחשים אוטומטיים משולבים אשר יכולים לתקן את עצמם על ידי הוספת CO₂ או בסיס כדי למנוע נפילה חדה ב-pH כתוצאה מצטברת של חומצות אורגניות.
הרחבת חילוף החומרים המשני על ידי המרה של מצב האצווה
היצירת אנטיביוטיקה מתרחשת בשלב הסופי של המטבוליזם המשני בפַּס היציבות. ייצור פניצילין ו־G מתרחש כאשר רמת הגלוקוז נמוכה מ־0.5 גרם/ליטר, כדי למנוע הפרעה לנתיבי הביו-סינтזה. שלב הייצור מוארך ב־40–60 שעות נוספות, ובמקביל התפוקה עולה עד 50% לעומת שיטת האצווה המסורתית. תוצרי הלוואי של תהליך ההפרשה מצטברים, מה שעלול לפגוע בתפעול. הדגש העיקרי הוא על סינטזת האנטיביוטיקה, והאנרגיה התאית מופנית לסינטזה זו.

הנחיות מומלצות להרכבת מפריש מיקרוביאלי לייצור אנזימים טיפוליים

עיצוב טחנת ערבוב נמוך במתח ושיטות פיקוח pH (pH-Stat) לשמירה על יציבות פרוטאז רקומביננטי

בעת ייצור אנזימים תרופתיים כגון פרוטאזים רקומביננטיים, נדרשים תצורות מתקדמים של מנגנוני הזרקה מיוחדים כדי למנוע פגיעה במבנה. עיצובי טחנות נמוכות מתח (Low-shear) כגון טחנות עם להבים משופעים (pitched-blade) וטחנות מסוג hydrofoil מתאימים במיוחד כדי להבטיח שלא תתרחש денטורה של חלבונים ולמנוע אובדן פעילות הפרוטאזים. מערכת בקרת pH-סטט, אשר שומרת על טווח ה-pH ב-6.5–7.5 עבור פרוטאזים על ידי התאמת אוטומטית כמויות החומצה והבסיס, מהווה הוספה הכרחית למערכת. כאשר הבקרה על ה-pH היא לקויה, מתרחשות שינויים קונפורמציאונליים ב-pH, מה שמפחית קיצוני את פעילות הפרוטאזים – אולי אפילו עד 50% בתוך מחזור אחד בלבד. אם שתי מערכות אלו מופעלות יחד, הן מגדילות במידה רבה את היבוא ומבטאות כי המוצר עומד בתקנות הרלוונטיות לתעשייה.

בחירת סוג המנגנון המיקרוביאלי הנכון לגודל נתון, מסגרת חוקית נתונה ותוצאה מבוקשת

הבחירת המבשלה המיקרוביאלית הנכונה היא התאמה של שלושה משתנים: קנה המידה של הייצור, אילוצים משפטיים ומאפייני הפלט הנדרש. ברמות הייצור הנמוכות ביותר, מחקרים ופרויקטים ניסיוניים משתמשים במערכות קטנות ומודולריות, ובדרגות הייצור הגבוהות ביותר, מחקרים על ייצור תעשייתי של אנטיביוטיקה משתמשים במגבעות עירבוב גדולות עם סטריליזציה אוטומטית כדי לעמוד בדרישות הרבות של תרופות מודרניות. ברמות הפלט הגבוהות ביותר, ייצור אנזימים תרופתיים בעלי ערך גבוה ומטבוליטים שניתן לייצר בכמויות גדולות מתבצעים בהתאמה באמצעות ערבבים שמייצרים מינימום גורמי מתח (low-shear impellers) וטורבינות רашטון להעברת חמצן גבוהה. נתונים תומכים בכך ש-34% מהמקרים של העברת טכנולוגיה לא מוצלחת מפרויקטים מחקריים לייצור נובעים מההתאמה הלא נכונה בין הקנה המידה לטכנולוגיה, מה שמוביל לכישלון פרויקטים של פירמנטציה. ניתן לומר בבטחה שהיישום המוצלח תלוי במידה רבה בהתקיימות, בשיעור הפוריות וביעילות הפעולה שתוכננו למערכת בשלבים הראשונים.

שאלה נפוצה

אילו גורמים סביבתיים משפיעים על ייצור אנטיביוטיקה ואנזימים?

ליצירת אנטיביוטיקה, האקטינומיצטים מסתמכים על רמת חמצן מומס מספקת (מעל 30% רוויה) ועל pH נייטרלי של 7.0–7.5. זנים של בצילוס המייצרים אנזימים מעדיפים רמות חמצן מומס מתונות של 20–30% ו-pH אלקלייני של 6.5–8.0.

מה ההבדל בין ייצור שמתבצע במקביל לצמיחה לבין ייצור שאינו תלוי בצמיחה?

הייצור שמתבצע במקביל לצמיחה הוא ייצור אנזימים מיקרוביאלי המתרחש בשלב הלוגריתמי, בעוד שיצירת האנטיביוטיקה המתרחשת בשלב היציב היא דוגמה לייצור שאינו תלוי בצמיחה.

באילו תצורות מנגנוני התפירה מתקבלת ייצור באחוז גבוה של אנטיביוטיקה?

מנגנוני התפירה מסוג טנק עם ערבוב, שמצוידים מערבבים מסוג טורבינה (יחד עם בקרה טובה של חמצן מומס/pH), הם הבחירה הטובה ביותר לאנטיביוטיקה כגון פניצילין וסטרפטומיצין. האסטרטגיות המובילות להגדלת התייעלות הייצור הן שיטות של הזנה חלקית (fed-batch) המאריכות את שלב הייצור היציב.

איך מעצבים מפריק ליצירת אנזימים תרופתיים?

ביצור אנזימים תרופתיים משתמשים במקלעות נמוכות מתח כדי למנוע את денטורציה של חלבונים. בנוסף, כדי לשמור על יציבות האנזים בטווח ה-pH של 6.5–7.5, משמשת מערכת pH-stat מתקדמת.

למה בחירת המפריק לתהליך המיקרוביאלי היא חשובה?

בחירת המפריקים קשורה באופן חזק בקנה המידה של הייצור, בחשבון הגיוני של תפוקת התהליך, ובייצור של שלבים שמיועדים לשוק עם מגבלות רגולטוריות.