Entwurf eines Weltraum-Bioverarbeitungssystems zur Herstellung rekombinanter Proteine

Bioproduktion im Weltraum kann die Nachhaltigkeit der Weltraumforschung verbessern. Es müssen Bioverarbeitungssysteme entwickelt werden, um die Bioproduktion für Weltraumanwendungen voranzutreiben. Jetzt in einem neuen Bericht veröffentlicht In npj MikrogravitationMathangi Soundararajan und ein Team von Wissenschaftlern aus den Bereichen Bioingenieurwesen und Weltraumbiowissenschaften am NASA Ames Research Center in Kalifornien haben kommerzielle Technologien entwickelt, um Weltraum-Bioverarbeitungssysteme zu entwerfen, die a liefern Flüssiger Amin-Kohlendioxidwäscher mit rekombinantem Wirkstoff Carboanhydrase. Die Design-Workflows umfassten eine Biomasse von 1 l Escherichia coli-Kulturen unter Verwendung rekombinanter Proteinreinigung.

Das Team beschrieb drei Designs, die sich in den Ansätzen zur Biomasseentwässerung und Proteinreinigung unterschieden. Werte aus Systemkomplexitätsmetrik, Technologiebereitschaftsgrad und Integrationsbereitschaftsgrad identifizierten ein Bioverarbeitungssystemdesign, das die Komplexität minimierte und Vielseitigkeit ermöglichte.

Kohlenstoffabscheidungstechnologie für Weltraummissionen

Die Wäsche mit flüssigem Amin stellt eine ausgereifte Technologie zur Kohlenstoffabscheidung nach der Kombination auf der Erde dar und ist ein vielversprechender Ansatz zur Reinigung des dabei entstehenden CO2 bemannte Weltraummissionen. Der thermischer Aminwäscher auf der Internationalen Raumstation bietet eine der drei möglichen Methoden zur CO2-Entfernung und Funktion im Weltraum. Bei seinen Wirkmechanismen wird Kabinenluft mit erhöhtem CO2-Gehalt über ein organisches flüssiges Amin geleitet, das je nach Lösungsmittel das Carbamat oder Bicarbonat absorbiert.

Langfristige Weltraummissionen in der Nähe der Erde erfordern eine zeitlich begrenzte Versorgung mit Carboanhydrase, die durch Nachschub und Langzeitspeicherung gedeckt werden kann. Für Mars-Weltraummissionen ist diese Option jedoch nicht realisierbar. Während Weltraum-Bioproduktionssysteme während Mars-Weltraummissionen Enzyme und andere biologische Materialien produzieren können, müssen Weltraumsysteme die Kosten, einschließlich der Besatzungszeit, minimieren und gleichzeitig die Sicherheit der Astronauten erleichtern, um den Auswirkungen erhöhter Strahlung und verringerter Schwerkraft entgegenzuwirken.

Bioproduktionsmethoden im Weltraum

Die Forschung zu früheren Bioproduktionsmethoden im Weltraum konzentrierte sich auf groß angelegtes Missionsdesign Und mikrobielle Wachstumskinetik sowie Bioreaktordesigns. In dieser neuen Arbeit verglichen Soundararajan und das Team kommerzielle Methoden und mögliche Designs für die Bioproduktion im Weltraum.

Das Team entwickelte ein Betriebsszenario für die Bioverarbeitung nach dem Wachstum, um während einer Marsmission rekombinante Carboanhydrase aus E. coli herzustellen. Das Team qualitativ mehrere Variablen verglichen und von der Crew unterstützte Schritte zur Steuerung künftiger Prototypenentwicklungsbemühungen.

Das Team untersuchte fünf potenzielle Bioverarbeitungsabläufe, beginnend mit dem gemeinsamen Zellwachstum und der Zellproduktion. Jeder Arbeitsablauf umfasste Teilprozesse der Biomasseverarbeitung, Proteinextraktion und Lagerung. Sie unterteilten die Biomasseverarbeitung in Entwässerungs- und Trocknungsschritte als primäre Optionen.

Die Methoden ermöglichten die Produktion intrazellulärer rekombinanter Proteine ​​und erforderten einen Teilprozess der Proteinextraktion, der Zelllyse, Proteinreinigung und Pufferaustausch oder Entsalzung umfasste, damit das endgültige Proteinprodukt als Biomasse oder gereinigtes Produkt gelagert werden konnte. Soundararajan und Kollegen lieferten gereinigte Carboanhydrase in einem Zyklus von sechs bis acht Tagen, um rekombinante Proteine ​​für terrestrische Anwendungen herzustellen.

Biomasseverarbeitung und Proteingewinnung

Da Entwässerungskulturen die Verarbeitungsvolumina für Teilprozesse der Proteinextraktion oder der Biomassespeicherung erheblich reduzierten, konnten Wissenschaftler die Proteinextraktion auch ohne einen Entwässerungsschritt durchführen. Das Team beobachtete im Projekt die Auswirkungen der Entwässerung auf die Zelllyse und Proteinreinigung. Der Entwässerungsschritt ermöglichte Durchflussmethoden als Optionen für Bioverarbeitungsdesigns. Der äquivalente Systemmassenanalysemodelle Für die Lyse entfiel der Prozess der Ultraschallbehandlung aufgrund der experimentellen Notwendigkeit hoher Leistung und Kühlung. Während der Proteinreinigungsexperimente verglich das Team fünf kommerzielle Affinitätsreinigungsmethoden.

Anschließend entwickelten sie integrierte Designs für Bioverarbeitungssysteme mit dem Ressourcen- und Risikominderungsprinzip, um spezifische Schritte und Methoden auszuwählen. Sie reduzierten die Methoden der Biomasselagerung, der Produktlagerung und der Trocknungsschritte. Das Team nutzte ein Gegenstromzentrifugationssystem, um Biomasse zu entwässern, Zellen zu lysieren und das Protein mit einem Batch-Harzverfahren zu reinigen, bei dem es den Materialfluss durch eine peristaltische Pumpe vermittelte, um schließlich das Lysat zur Proteinbindung in ein Affinitätsharzreservoir zu überführen. Das Forschungsteam eluierte das gebundene Protein aus dem Harz, um es mittels Zentrifuge abzutrennen und in einem Produktionsreservoir zu sammeln. Anschließend entwarfen sie zwei weitere Varianten von Bioprozessen für Peristaltik, Entwässerung und Lyse und verglichen die Einheiten auf optimale Funktionalität.

Vergleichende Analyse von Designs

Jedes Design integrierte unterschiedliche Methoden, um das gleiche Bioverarbeitungsergebnis zu erzielen. Die Systemkomplexitätsmetrik schätzte die Komplexität von Lebenserhaltungssystemen durch Addition der Komponenten und vorgeschlagenen Verbindungen von ein bestimmtes Design CO2-Entfernungssysteme zu vergleichen.

Die größeren Metriken waren eher auf komplexere Systeme anwendbar. Das Team berücksichtigte Hauptkomponenten und Verbindungen, um die Systemkomplexität für drei Designs zu berechnen. Die drei Designs enthielten jeweils zwei Subsystemschnittstellen – eine Entwässerungslyse und eine Lyse-Protein-Reinigung.

Ausblick

Auf diese Weise verbesserten Soundararajan und Kollegen die Effizienz von CO2-Abscheidungssystemen mit flüssigem Amin durch den Einsatz von Carboanhydrase – einer Kandidatentechnologie dafür Weltraummissionen. Das enzymunterstützte Flüssigaminsystem erforderte eine stetige Versorgung mit Carboanhydrase für die Langzeitlagerung unter Lagerbedingungen bei niedrigen Temperaturen.

Während der Studie untersuchte das Team mehrere Ansätze zur Einstufung der Technologien, die zum Entwurf integrierter Systeme für Weltraummissionen verwendet werden. Der NASA-Projekt zur synthetischen Weltraumbiologie basiert auf der Entwicklung eines Prototyps eines Bioverarbeitungssystems. Es wird erwartet, dass der laufende Arbeitsablauf Methoden für eine effiziente Übersetzung und verbesserte Effizienz für industrielle Bioproduktionsbemühungen auch auf der Erde identifizieren und integrieren wird.

© 2023 Science X Network