Informatie

Welke pH-bereiken worden gebruikt bij fermentatie op industriële schaal?


bij het lezen

Hans-Peter Meyer, Wolfgang Minas en Diego Schmidhalter (2017) Fermentatie op industriële schaal. Industriële biotechnologie: producten en processen, eerste editie. Bewerkt door Christoph Wittmann en James C. Liao. © 2017 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Gepubliceerd 2017 door Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

Ik kwam de volgende passage tegen die industriële opschaling van fermentatieprocessen beschrijft (in het algemeen):

1.3.1

Procesontwikkeling - Opschaling begint op laboratoriumschaal

Opschaling van processen moet in een vroeg stadium worden overwogen terwijl het biologische expressiesysteem nog in ontwikkeling is. Factoren zoals genetische stabiliteit voor ten minste het aantal generaties dat nodig is voor een opgeschaalde productie, en de noodzaak en impact op de omgeving van selectiemarkers, moeten worden geëvalueerd voordat met procesontwikkeling wordt begonnen. Het gebruik van antibiotica als selectieve markers in het productiemedium moet worden vermeden. Tijdens de ontwikkeling van media en kweekomstandigheden is het belangrijk dat parameterinstellingen realistisch en schaalbaar blijven, altijd aangegeven met boven- en ondergrenzen die het veilige werkbereik weerspiegelen (procesontwerpruimte), bijvoorbeeld pH 7 ± 0,3.

Ik ben nogal verbaasd over het gespecificeerde smalle pH-bereik (pH $7 pm 0.3$). Ik nam aan dat het pH-bereik veel groter zou zijn, vergelijkbaar met laboratoriumschaal. Is dit echt een gangbare praktijk?


Fermentatie pH zal sterk verschillen, afhankelijk van de bacteriën of schimmels die worden gebruikt en het proces. Maar het is niet ongebruikelijk om een ​​relatief smal pH-bereik als doel te hebben. Onthoud dat pH de -log[H+] is, dus de pH-schaal is niet lineair. Bij sommige fermentatiereacties zijn ook zeer dure geneesmiddelen of tussenproducten betrokken, een enkele fermentatiebatch kan een waarde hebben in de honderdduizenden dollars, dus het is triviaal om een ​​pH-bereik van +/- 0,3 te behouden.


Industriële biotechnologie en grondstoffen

3.05.4.3.1 Batchfermentatie

Batchfermentatie is een proces waarbij alle substraat en voedingsstoffen worden toegevoegd op nul of kort nadat de inoculatie heeft plaatsgevonden, en het vat wordt onder een gecontroleerde omgeving toegestaan ​​om door te gaan totdat de maximale eindproductconcentratie is bereikt. Meer dan 84% van alle alcohol in Noord-Amerika wordt gemaakt door batchfermentatie - voornamelijk vanwege de flexibiliteit in een batchfabriek, de hogere productconcentraties die mogelijk zijn, het vermogen van de industrie om infectie / opbrengstverlies te minimaliseren, het gemak van de praktijk, en lage onderhoudskosten. Ondanks de bovengenoemde voordelen, vereist batchfermentatie frequente reiniging, ontsmetting en vulling van fermentoren, wat resulteert in productiviteitsverlies. Om dezelfde productiviteit te behouden, is de initiële (d.w.z. kapitaal) investering voor een batchfermentatie hoger dan zijn continue tegenhanger.


Ontwikkelingen in het gebruik van Bacillus-soorten voor industriële productie

Bacillus-soorten blijven dominante bacteriële werkpaarden in microbiële fermentaties. Bacillus subtilis (natto) is de belangrijkste microbiële deelnemer in de voortdurende productie van de traditionele natto-fermentatie op basis van soja, en sommige Bacillus-soorten staan ​​op de GRAS-lijst (algemeen beschouwd als veilig) van de Food and Drug Administration. Het vermogen van geselecteerde Bacillus-stammen om grote hoeveelheden (20-25 g/L) extracellulaire enzymen te produceren en uit te scheiden, heeft hen tot de belangrijkste industriële enzymproducenten geplaatst. Het vermogen van verschillende soorten om te fermenteren in het zure, neutrale en alkalische pH-bereik, gecombineerd met de aanwezigheid van thermofielen in het geslacht, heeft geleid tot de ontwikkeling van een verscheidenheid aan nieuwe commerciële enzymproducten met de gewenste temperatuur, pH-activiteit en stabiliteitseigenschappen om een ​​verscheidenheid aan specifieke toepassingen aan te pakken. Klassieke mutatie- en (of) selectietechnieken, samen met geavanceerde klonerings- en eiwitmanipulatiestrategieën, zijn gebruikt om deze producten te ontwikkelen. Pogingen om hoge opbrengsten van vreemde recombinante eiwitten in Bacillus-gastheren te produceren en uit te scheiden, leken aanvankelijk te worden gehinderd door de afbraak van de producten door de gastheerproteasen. Recente studies hebben aangetoond dat de langzame vouwing van heterologe eiwitten op het membraan-celwand-interface van Gram-positieve bacteriën hen kwetsbaar maakt voor aanvallen door wand-geassocieerde proteasen. Bovendien kan de aanwezigheid van thiol-disulfide-oxidoreductasen in B. subtilis gunstig zijn bij de uitscheiding van disulfidebinding-bevattende eiwitten. Dergelijke ontwikkelingen vanuit ons begrip van de complexe eiwittranslocatiemachinerie van Gram-positieve bacteriën zouden de oplossing van huidige secretie-uitdagingen mogelijk moeten maken en Bacillus-soorten bij uitstek gastheren maken voor heterologe eiwitproductie. Bacillus-stammen zijn ook ontwikkeld en ontwikkeld als industriële producenten van nucleotiden, de vitamine riboflavine, de smaakstof ribose en het supplement poly-gamma-glutaminezuur. Met de recente karakterisering van het genoom van B. subtilis 168 en van enkele verwante stammen, zijn Bacillus-soorten klaar om de voorkeursgastheren te worden voor de productie van veel nieuwe en verbeterde producten terwijl we ons door het genomische en proteomische tijdperk bewegen.


Fermentatieomstandigheden die de bacteriegroei en exopolysaccharideproductie door Streptococcus thermophilus ST 111 in op melk gebaseerd medium beïnvloeden

Doelstellingen: Het effect van verschillende fermentatiecondities bestuderen en het effect van temperatuur en pH op verschillende biokinetische parameters van bacteriegroei en exopolysacchariden (EPS) productie van Streptococcus thermophilus ST 111 in op melk gebaseerd medium.

Methoden en resultaten: De invloed van temperatuur en pH werd bestudeerd door middel van fermentatie en modellering. Fermentaties onder niet-pH-gecontroleerde omstandigheden met S. thermophilus ST 111 gaven aan dat de EPS-productie laag was in melkmedium, zelfs als aanvullende stikstofbronnen werden aangevuld. Onder pH-gecontroleerde omstandigheden resulteerde toevoeging van wei-eiwithydrolysaat aan het melkmedium in een vijfvoudige toename van de EPS-productie. Dit medium bevatte geen polysachariden die de EPS-isolatie verstoren. Primaire en secundaire modellering van verschillende fermentaties onthulden een optimale temperatuur en pH van respectievelijk 40 ° C en constante pH 6,2 voor groei in melkmedium aangevuld met wei-eiwithydrolysaat. Maximale EPS-productie werd waargenomen in het bereik van 32-42 ° C en constante pH 5,5-6,6. Waar groei en maximale EPS-productie duidelijk werden beïnvloed door temperatuur en pH, werd de specifieke EPS-productie alleen beïnvloed door stressomstandigheden (T = 49 graden C).

conclusies: Toevoeging van wei-eiwithydrolysaat aan melkmedium resulteerde in een verhoogde groei en EPS-productie van S. thermophilus ST 111 onder pH-gecontroleerde omstandigheden. Een modelleringsaanpak maakte het mogelijk om de invloed van temperatuur en pH op de kinetiek van zowel groei als EPS-productie te bestuderen.

Betekenis en impact van het onderzoek: Het gebruik van een geschikt medium op melkbasis en een gecombineerd model van temperatuur en pH kan van praktisch belang zijn voor de productie van yoghurt of andere gefermenteerde melk en voor procesoptimalisatie van de grootschalige productie van starterstammen die worden gebruikt voor hun EPS-productie.


Geschiedenis van de fermentatiewetenschap

Wijnfermentatie werd al in 7000 voor Christus gedocumenteerd. Vroeger verpletterden wijnproducenten fruit meestal met hun voeten voordat ze ze in containers lieten zitten. Er werd verondersteld dat de overdracht van micro-organismen van de voeten van wijnproducenten naar geplette vruchten fermentatie zou veroorzaken. In de 17e eeuw werd de hypothese gevalideerd toen de uitvinding van een hoogwaardige optische lens de visualisatie van eencellige micro-organismen voor het eerst mogelijk maakte. Door een reeks experimenten toonde Louis Pasteur, een Franse microbioloog, aan dat wijnfermentatie wordt veroorzaakt door een soort schimmel die bekend staat als gist (en we hebben er veel aan onze voeten, slok!)

In 1856 leidde een ongeval in een suikerbietendistilleerderij tot een baanbrekende ontdekking die cruciaal was voor de daaropvolgende productie van kaas en yoghurt. Pasteur kreeg de opdracht om het probleem te onderzoeken en ontdekte dat in plaats van alcohol, het "verwende" bietenmengsel voornamelijk melkzuur bevatte, wat een zure smaak veroorzaakte. Het zure bietenmengsel bevatte ook veel voorwerpen die kleiner waren dan gist. Later werd bevestigd dat deze objecten melkzuurbacteriën waren. Dit toevallige incident was essentieel voor ons moderne begrip dat schimmels en bacteriën fermentatie anders uitvoeren.

Het was pas in de vroege jaren 1900 dat Nobelprijswinnaar Eduard Buechner ontdekte dat fermentatie kan plaatsvinden met celvrije gistextracten die alleen uit enzymen bestaan, in tegenstelling tot wat Pasteur voorstelde. Sindsdien hebben we een verscheidenheid aan gefermenteerde voedingsmiddelen geproduceerd, waaronder de populaire Kombucha. Hoewel ons vermogen om fermentatie te beheersen redelijkerwijs wordt begrepen, zijn er nog steeds veel manieren waarop industriële fermentatie kan worden verbeterd. Moderne gensequencing, genetische manipulatie, microfluïdica en elektronische &ldquonose&rdquo-technologieën kunnen bijvoorbeeld onze favoriete gefermenteerde voedingsmiddelen nog lekkerder maken.


Optimalisatie en opschaling van industriële fermentatieprocessen

Om de productopbrengsten te verhogen en een consistente productkwaliteit te garanderen, zijn de belangrijkste aspecten van industriële fermentaties, procesoptimalisatie en opschaling gericht op het handhaven van optimale en homogene reactieomstandigheden, het minimaliseren van blootstelling aan microbiële stress en het verbeteren van de metabolische nauwkeurigheid. Voor elk afzonderlijk product, proces en faciliteit moeten geschikte strategieën worden uitgewerkt door middel van een uitgebreide en gedetailleerde proceskarakterisering, identificatie van de meest relevante procesparameters die van invloed zijn op productopbrengst en -kwaliteit en hun vaststelling als opschalingsparameters die constant moeten worden gehouden voor zover mogelijk. Fysische variabelen, die slechts beperkt constant kunnen worden gehouden als enkele parameters, kunnen worden gecombineerd met andere relevante parameters om geschikte wiskundige groepen of dimensieloze termen te creëren. Proceskarakterisering is bij voorkeur gebaseerd op realtime of bijna realtime gegevens verzameld door in situ en online metingen en kan worden vergemakkelijkt door ondersteunende benaderingen en hulpmiddelen zoals op neurale netwerken gebaseerde chemometrische gegevensanalyse en -modellering, verduidelijking van de meng- en stroomomstandigheden door computationele vloeistofdynamica en verkleiningssimulaties. Aangezien fermentatiefaciliteiten echter meestal niet strikt zijn ontworpen volgens opschalingscriteria en de procesomstandigheden in de kweekvaten dus aanzienlijk kunnen verschillen en aangezien elke strategie en elk model de zeer complexe onderlinge afhankelijkheid en wederzijdse interactie van fermentatieparameters slechts onvoldoende kan overwegen en weerspiegelen , is succesvolle opschaling in de meeste gevallen niet het resultaat van een sluitende en rechtlijnige experimentele strategie, maar eerder het resultaat van een afzonderlijke procesontwikkeling en -optimalisatie op elke schaal. Dit artikel geeft een overzicht van de problemen die doorgaans gepaard gaan met optimalisatie en opschaling van fermentatieprocessen, en presenteert momenteel toegepaste opschalingsstrategieën, rekening houdend met toekomstige technologieën, met de nadruk op Escherichia coli als een van de meest gefermenteerde organismen.

Dit is een voorbeeld van abonnementsinhoud, toegang via uw instelling.


Best practices in de ontwikkeling van bioprocess voor fermentatie

Cultuur: Kun je me meer vertellen over je achtergrond in O&O op het gebied van bioproductie?

Stefan: Ik heb het grootste deel van mijn opleiding genoten aan de TU Delft, waar ik mijn bachelor, master en PhD heb gedaan. De bacheloropleiding, genaamd Life Science & Technology, bood een brede dekking van genetica en moleculaire biologie tot fermentatie en opschaling. Het masterprogramma was meer gericht op metabolic engineering, microbiële fysiologie en bioprocesontwerp, en mijn doctoraat was gericht op gistmetabolic engineering en fermentatietechnologie. Samen diende dit als een zeer goed uitgangspunt om bioproductie als geheel te begrijpen.

Mijn eerste ervaring in de sector was bij Amyris, waar we werkten aan het ontwikkelen van verbeterde methoden voor DNA-assemblage met hoge doorvoer - iets geheel nieuws voor mij. Ik was ook betrokken bij hun industriële farneseenproductieproject en deed er veel praktijkervaring mee op. Ik kwam toen ongeveer vijf jaar geleden bij Zymergen om hun DARPA Living Foundries: 1000 Molecules-project te leiden. Na ongeveer 2,5 jaar in dat project ben ik overgestapt naar het fermentatieteam van Zymergen.

Cultuur: Kun je me meer vertellen over het DARPA-project?

Stefan: DARPA, het Defense Advanced Research Projects Agency bij het ministerie van Defensie, heeft geïnvesteerd in een onderzoeksprogramma dat zich toelegt op het ontwikkelen van capaciteiten voor biofabricage van moleculen en materialen met unieke prestaties die niet met conventionele middelen kunnen worden gemaakt. Hyaline, de hoogwaardige film voor elektronicatoepassingen die Zymergen zojuist heeft gelanceerd, is een voorbeeld van zo'n nieuw materiaal. Zymergen nam deel aan het programma en het biologieteam werkte aan het ontwerpen, bouwen, testen en analyseren van nieuwe stammen om deze moleculen te produceren en aan het uitbouwen van de infrastructuur die aan het werk ten grondslag ligt.

Cultuur: wat hield die infrastructuuruitbouw in?

Stefan: Het kernbedrijfsmodel van Zymergen was tot dan toe gericht op het verhogen van de opbrengst of productiviteit van bestaande stammen die worden gebruikt in industriële fermentatieprocessen. Deze projecten bevinden zich in het bovenste deel van de "strain performance S-curve" (hieronder afgebeeld). Het DARPA-project was onze eerste kennismaking met het onderste deel van de S-curve: het ontwerpen van metabole routes, het selecteren van heterologe enzymen, het samenstellen en sequencen van grotere DNA-constructen met meerdere genen, het inbrengen daarvan in meerdere gastheren, het verifiëren van de juiste genomische insertie, het testen van de productie van moleculen in high-throughput microtiterplaat-assays, het ontwikkelen van baseline-fermentatieprocessen en het opschalen ervan naar pilotschaal.

Cultuur: kun je me door deze "strain performance S-curve" leiden?

Stefan: Het beschrijft een curve met tijd of inspanning op de horizontale as en rekprestaties (gemeten in titer, snelheid, opbrengst, enz.) op de verticale as, met drie fasen. Het doel van de eerste fase is om van "nul naar milligram" te gaan, om van een idee naar proof-of-concept molecuulproductie te gaan. Dit is wanneer u metabole routes ontwerpt en invoegt en initiële methoden ontwikkelt om de productie te meten, en het kost enige tijd om dat proof of concept te bereiken. Vervolgens, zodra u de eerste productie heeft bereikt, gaat u de tweede fase van "milligram naar kilogram" in, waar u onder andere de flux in de metabole routes optimaliseert, bijproducten vermindert en toxiciteit vermindert. Omdat hier meestal veel laaghangend fruit is, wordt in deze fase vaak snel vooruitgang geboekt.

Nadat je dichter bij theoretische perfectie bent gekomen, betreed je de derde fase van 'kilogrammen tot grondstof'. Op dit punt vertraagt ​​de voortgang meestal, omdat er steeds meer genuanceerde veranderingen nodig zijn om steeds kleinere verbeteringen aan te brengen. Met Zymergens high-throughput Design-Build-Test-Analyze-Learn-platform en geavanceerde data-analyse proberen we de eerste delen van de curve steiler te maken om sneller dichter bij theoretische perfectie te komen.

Cultuur: Hoe beoordeel je de theoretische perfectie van een bioproces? Misschien moet ik nog meer back-uppen: hoe begin je met de ontwikkeling voor biofabricage van een nieuw molecuul?

Stefan: Het begint allemaal met een business case en een techno-economische analyse. Alvorens naar het laboratorium te gaan en experimenten uit te voeren, is het belangrijk om ervoor te zorgen dat er een markt is voor het molecuul en om een ​​eerste begrip te hebben van de productie-economie en de rek- en procesprestatiedoelen. Bij Zymergen voeren we routinematig techno-economische analyses uit die gebruikmaken van modellen van cellulair metabolisme, fermentatieprocesparameters en verwachte downstream herstel- en zuiveringsstappen. Deze analyse informeert of een product ooit commercieel levensvatbaar kan zijn: of het kan worden gemaakt voor minder dan de verwachte waarde. Het kan ook helpen bij het informeren van verschillende fermentatieparameters, bijvoorbeeld: welke koolstofbron moet worden gebruikt, hoeveel beluchtingsproductie vereist is, of het gunstig is om bij lage of neutrale pH te werken en welk type microbe moet worden gebruikt. Het model biedt ook een raamwerk voor het evalueren van spannings- en procesprestaties, waardoor mijlpalen in het R&D-proces kunnen worden vastgesteld. Vroege techno-economische modellering vereist het maken van veel aannames, maar naarmate de spanning en procesontwikkeling vordert, kan men die aannames valideren of herzien om het model verder te verfijnen.

Cultuur: Kun je me door de activiteiten leiden die in elk van deze fasen worden gedaan? Laten we beginnen met fase I, ervan uitgaande dat je je techno-economische model hebt gebouwd en de titer, productiviteit en opbrengst kent die je nodig hebt om een ​​commercieel levensvatbaar product te maken.

Stefan: Laat ik vooropstellen door nadrukkelijk te benadrukken hoe belangrijk het is om fermentatie-expertise vanaf het begin in te bouwen. Behalve dat deze kennis nodig is om überhaupt een levensvatbaar techno-economisch model te bouwen, is fermentatie-knowhow even belangrijk om vanaf het begin op de hoogte te zijn van benaderingen van stamtechniek. Als we bijvoorbeeld begrijpen of het haalbaar is om antibiotica en (dure) inductoren in een grootschalige fermentor te gebruiken, kan dit helpen om in een vroeg stadium te informeren welk expressiesysteem moet worden gebruikt en of in plaats daarvan plasmiden moeten worden gebruikt of genen in het genoom moeten worden geïntegreerd. Door vanaf het begin ‘het einde voor ogen te houden’ kan daardoor herwerk worden voorkomen en de algehele tijdlijnen worden versneld.

Naast deze specifieke voorbeelden is het belangrijk om een ​​meer dynamische kijk op het samenspel tussen procesontwikkeling en stamscreening te omarmen. Te vaak worden ze gezien als lineair of sequentieel, waarbij de procesontwikkeling pas begint als een bepaalde titermijlpaal is bereikt door middel van strain-engineering. Het ontwikkelen van een bioproductieproces is iteratief en niet-sequentieel. Een optimaal, schaalbaar proces vereist de beste spanning in het beste proces, waarbij de twee onderling afhankelijk zijn en daarom samen moeten worden ontwikkeld.

Cultuur: Dat lijkt me logisch als je in "fase II" zit, maar waarom zouden overwegingen over het fermentatieproces zo belangrijk zijn als je in eerste instantie stammen gaat bouwen en testen?

Stefan: Een visie hebben op het ultieme fermentatieproces helpt bij het ontwikkelen van een high-throughput stamscherm dat de juiste stammen oppikt. Door fermentatieomstandigheden na te bootsen in stamscreeningprotocollen in platen met 96 putjes, zorgt u ervoor dat u stammen selecteert die goed presteren in fermentatieomstandigheden, omdat "u krijgt waar u op screent". Verwaarlozen om het fermentatieproces in gedachten te houden bij het ontwikkelen van een stamscherm met hoge doorvoer kan resulteren in het promoten van stammen die niet goed zullen presteren in bioreactoren en het missen van stammen die misschien echt de beste waren.

Cultuur: Wat bedoel je met een visie op het fermentatieproces? Hoe zou je dat weten voordat je ook maar aan een soort hebt gewerkt?

Stefan: Dit is de reden waarom het nuttig is om in een vroeg stadium iemand met fermentatie-expertise in het team te hebben, omdat ze uit ervaring een benadering zullen weten van hoe het fermentatieproces eruit zal zien. Vanuit een begrip van het organisme en product in kwestie, evenals de optimale omstandigheden uit het techno-economische model, kan men op zijn minst een marge voorspellen van waar de procesparameters uiteindelijk zullen landen. Als het beoogde fermentatieproces bijvoorbeeld een aëroob, fed-batch-proces is bij pH 3 en 30 dat bepaalde mediumcomponenten gebruikt, moet men vanaf het begin proberen dat na te bootsen in microtiterplaat-assays.

Het kan ook nuttig zijn om wat licht werk te doen in bioreactoren met een wildtype stam om de groeikenmerken te begrijpen, zoals pH-optimum, groeisnelheid, biomassaopbrengst, nutriëntenvereisten en metabolische respons op overtollig substraat of zuurstofbeperking. Op basis van die informatie kunt u vervolgens beginnen met het ontwikkelen van een basislijnvoedingsschema en nutriëntensamenstelling voor uw media, en die informatie terugkoppelen naar de workflowontwikkeling met 96-wells plaatschermen. Bij het werken met E coli of S. cerevisiae waar veel hiervan al bekend is, kan deze oefening heel eenvoudig zijn. Wanneer u echter met een meer exotische microbe werkt, is het vroegtijdig begrijpen van metabole en fysiologische parameters een cruciale activiteit.

Ten slotte moet de producttoxiciteit ook heel vroeg worden beoordeeld, zelfs voordat je begint met het ontwikkelen van een soort. Hoe tolereren wildtype versies van kandidaat-gastheerorganismen hoge concentraties van het product? Dit kan worden beoordeeld in platen of kolven en vervolgens worden bevestigd in bioreactoren. Bij Zymergen evalueren we vaak meerdere hosts op producttolerantie om een ​​goede host te selecteren.

Al dit werk maakt deel uit van "fase 0:" ervoor zorgen dat een gastheer wordt geselecteerd die tolerant is voor het product, dat de gastheer kan worden gekweekt in het beoogde fermentatieproces in een bioreactor en dat die omstandigheden kunnen worden weerspiegeld in een microtiterplaat test. Dit werk kan voorkomen dat je op het verkeerde pad terechtkomt en dat je later veel opnieuw moet doen door van host en procescondities te wisselen.

Cultuur: Als die eerste stammen eenmaal zijn gemaakt, test je ze dan met microtiterplaten of in bioreactoren?

Stefan: Bij Zymergen bouwen we meestal meer stammen dan we ooit kunnen testen in bioreactoren, zelfs met alle reactoren van Culture tot onze beschikking. Daarom testen we onze stammen altijd eerst in microtiterplaten en promoten we de meest veelbelovende bij bioreactoren. Doorgaans zal meer dan 90% van onze stammen nooit de bioreactoren bereiken, dus we moeten ervoor zorgen dat onze platen met 96 putjes voorspellend zijn voor de prestaties van de bioreactor.

Bij Zymergen richten we ons sterk op het ontwikkelen en optimaliseren van onze plaatworkflows, en dit is geen gemakkelijke taak, aangezien platen geen bioreactoren zijn en platen nooit bioreactoren zullen en kunnen zijn. Platen zijn bijvoorbeeld beperkt in de zuurstofoverdrachtssnelheid, door een onvermogen om de pH te regelen en door geen gecontroleerde substraat- of voedingsvoeding te hebben. Aan de andere kant hoeft het plaatscherm ook niet perfect voorspelbaar te zijn, het moet "gewoon" een goed genoeg model zijn om verbeterde soorten op te pikken. Het is daarom van cruciaal belang (vooral wanneer het fermentatieproces wordt verfijnd) om de correlatie tussen plaat en bioreactor continu te controleren en het plaatscherm te verbeteren als het voorspellende vermogen ervan afwijkt.

Cultuur: Wanneer zou u beginnen met aanvullend procesontwikkelingswerk in bioreactoren?

Stefan: Zoals eerder vermeld, doen we vaak al vroeg procesontwikkelingswerk met behulp van een wildtype stam om de fundamentele fysiologische parameters naar beneden te halen. Zodra we een soort hebben gegenereerd met een behoorlijk productieniveau, kunnen we beginnen met het optimaliseren van het fermentatieproces door het voerregime, de beschikbaarheid van voedingsstoffen, pH, temperatuur, enz. of milligram per liter, aangezien de trajectstroom op dat moment nog zeer beperkt is. Maar u wilt ook niet te laat met procesontwikkeling beginnen als stamtechniek de stamprestaties snel verbetert.

Deze initiële fermentatie-experimenten beginnen vaak met univariate testen van procesparameters om de meest gevoelige parameters en geschikte bereiken te identificeren. Dan zou je multivariate Design-of-experiment (DoE) studies uitvoeren om optimale combinaties van die parameters te vinden. De resultaten van deze bioreactor-experimenten moeten vervolgens worden teruggevoerd naar het stamtechnische werk: als er een tussenproduct of een bijproduct is geïdentificeerd dat zich ophoopt tijdens fermentatieruns, kunnen de stamingenieurs vervolgens werken om de route dienovereenkomstig te optimaliseren. Als zodanig helpen de fermentatiegegevens van bioreactoren bij het prioriteren van de te maken genbewerkingen.

Cultuur: Hoeveel verschillende bioreactor-runs worden doorgaans uitgevoerd als onderdeel van dit initiële procesontwikkelingswerk?

Stefan: Het hangt af van hoe goed de microbe en metabole routes in kwestie zijn gekarakteriseerd, maar het omvat meestal het testen van enkele tientallen aandoeningen en het gebruik van 2-3 replica's voor elke aandoening met een paar verschillende stammen, wat zou neerkomen op misschien 100 bioreactor-runs in totaal.

Cultuur: raadt u altijd aan om replica's uit te voeren? Hoe weet u hoeveel replica's u moet uitvoeren?

Stefan: Het is zeker de beste praktijk bij Zymergen. Hoeveel replica's er moeten worden uitgevoerd, hangt af van drie factoren: het geluidsniveau dat in uw proces wordt waargenomen, het verschil dat u moet detecteren en het vereiste betrouwbaarheidsniveau. In het begin wilt u waarschijnlijk de titer verdubbelen, zodat een hoger ruisniveau aanvaardbaar kan zijn en minder herhalingen voldoende kunnen zijn - in tweevoud of in drievoud. Op het "bovenste deel" van de S-curve, wanneer men bijvoorbeeld 5-10% in rekprestaties wil uitknijpen, is doorgaans een laag geluidsniveau met - soms - een hoger aantal replica's vereist. Wanneer Zymergen een verbeterde soort naar een klant stuurt, willen we er zeker van zijn dat de soort echt verbeterd is ten opzichte van de vorige soort en daarom voeren we een flink aantal replica's van beide soorten uit in verschillende weken om de prestaties te bevestigen.

Cultuur: Oké, dus om samen te vatten, we zijn nu op het punt waar we een microtiterplaatmodel gebruiken voor het screenen van stammen en vervolgens de prestaties van de beste stammen bevestigen door ze in een baseline-bioreactorproces te laten lopen. De bioreactorgegevens informeren niet alleen verfijningen van het microtiterplaatmodel, maar helpen ook bij het prioriteren van genbewerkingen. Wanneer zou je beginnen met verregaande procesontwikkeling en optimalisatie?

Stefan: Het hangt af van de projectmijlpalen en rekening houdend met einddoelen in termen van timing en budget. In eerste instantie hoeft u wellicht alleen op te schalen naar een pilottank om materiaal te genereren voor regelgevende of klanttests of om het downstream-team meer bouillon te geven voor hun werk. Als dat het geval is, weet je hoeveel materiaal er nodig is om te weten hoeveel procesontwikkelingswerk er nodig is om die titers te halen. Bij het streven naar opschaling naar commerciële productie, wordt veel meer procesontwikkelingswerk verricht om de productie-economie te verbeteren en te begrijpen hoe het proces reageert op verstoringen die op grotere schaal kunnen optreden.

Cultuur: over hoeveel bioreactor-runs hebben we het in elk van die fasen?

Stefan: Het hangt af van de soort en het product, maar we hebben het gemakkelijk over honderden runs op het "onderste deel" van de S-curve om ter zake te komen om kilo's product te produceren. Bij het overschakelen naar het "bovenste deel" van de curve en het theoretische maximum willen benaderen, kan het honderden tot duizenden bioreactor-runs vereisen voor procesontwikkeling en het valideren van de prestaties van stammen die worden opgepikt door het scherm met hoge doorvoer. Op dat moment is het aangewezen om grotere DoE's uit te voeren, waarbij procesomstandigheden zoals voedingsprofiel, mediasamenstelling, zuurstofbeschikbaarheid en pH worden geoptimaliseerd om de productiekosten te verlagen en ervoor te zorgen dat het proces reproduceerbaar presteert.

Cultuur: wat komt er kijken bij het opschalen van een proces? Ik hoor vaak dat dit zeer moeilijk werk is dat vatbaar is voor mislukkingen, en de manier om risico's te beperken is om in een vroeg stadium van de procesontwikkeling rekening te houden met opschalingsoverwegingen.

Stefan: Opschaling is niet triviaal omdat industriële fermentoren op verschillende belangrijke manieren verschillen van reactoren op laboratoriumschaal. Als u echter rekening houdt met die verschillen, kunt u verschillende opschalingsuitdagingen voorkomen.

Ten eerste is de zuurstofoverdrachtssnelheid (OTR) die haalbaar is in grote reactoren doorgaans lager dan in reactoren op laboratoriumschaal. Daarom is het bij het ontwikkelen van een fermentatieproces op laboratoriumschaal belangrijk om substraattoevoersnelheden en zuurstofopnamesnelheden (OUR) te beperken tot industrieel relevante bereiken om de schaalbaarheid van het proces te garanderen.

Ten tweede zijn grote reactoren heterogener dan reactoren op laboratoriumschaal. Er zijn druk- en gasgradiënten en de mengtijden zijn langer. Op bench-schaal kun je enkele van deze factoren nabootsen en bestuderen hoe de organismen op die fluctuaties reageren. Idealiter wordt een organisme gekozen of ontwikkeld dat niet gevoelig is voor fluctuaties en een vergelijkbare prestatie vertoont in heterogene omgevingen.

Ten derde bestaat de zaadreeks voor het enten van een grote fermentor meestal uit verschillende extra stappen die verder gaan dan het proces op laboratoriumschaal, wat resulteert in extra verdubbelingen van glycerolvoorraad naar productiefermentor. Dit kan leiden tot significante prestatieverschillen tussen bench- en grootschalige fermentoren, vooral als de soort enige genetische instabiliteit heeft. Een onstabiele stam kan daarna heel goed presteren op laboratoriumschaal

30 generaties, maar presteren daarna niet zo goed in een grote reactor

50 generaties door de langere zaadtrein. Om appels met appels te vergelijken, moet u de grootschalige zaadtrein op bankschaal nabootsen, bijvoorbeeld door meerdere zaadstappen te hebben voordat u een reactor op bankschaal inoculeerd. Dit helpt om te ontleden of prestatieverschillen op verschillende schalen te wijten zijn aan echte schaaleffecten of gewoon aan het effect van het aantal generaties.

Ten vierde, zorg ervoor dat u schaalbare ingrediënten gebruikt. Op laboratoriumschaal is het meestal betaalbaar om hoogwaardige ingrediënten en dure antibiotica of inductoren te gebruiken. Op grotere schaal kan het echter een uitdaging zijn om voldoende van die ingrediënten te vinden en zijn ze misschien niet betaalbaar. Nogmaals, om appels met appels te vergelijken, kun je het beste dezelfde ingrediënten gebruiken in bench-scale runs als in je scale-up systeem.

Het einde voor ogen houden helpt om vanaf het begin een schaalbaar fermentatieproces te ontwikkelen. Aangezien grootschalige bioreactor-runs duur zijn, moeten fermentaties op bankschaal worden gebruikt om ten minste de belangrijkste factoren te verminderen voordat ze naar grotere bioreactoren gaan. In de vroege stadia van een project zijn de exacte specificaties van de productiereactor misschien nog niet helemaal duidelijk, maar een ervaren fermentatie-opschalingsingenieur kan bereiken aangeven en ervoor zorgen dat het proces op bankschaal in de juiste marge verloopt.

Ten slotte is het belangrijk om vroeg en frequent samen te werken met het downstream processing (DSP)-team. Het produceren van een molecuul is - in zekere zin - slechts het begin van een bioproductieproces dat het molecuul uit de bouillon zuivert en het in een product formuleert, zijn net zo belangrijk. Een nauwe samenwerking tussen stamtechniek, fermentatie en zuivering kan helpen bij het identificeren van technische mogelijkheden om elkaars werk gemakkelijker te maken!

Cultuur: dit was erg nuttig om een ​​end-to-end beeld te krijgen van hoe bioprocesontwikkeling werkt, met name om de relatie tussen stamscreening en procesontwikkeling te begrijpen. Mijn laatste vraag - met alle bioreactoren die je bij Zymergen in huis hebt, hoe en wanneer past het werken met Cultuur in je ontwikkelingsprojecten?

Stefan: Zymergen heeft een zekere bandbreedte qua bioreactoren, maar de vraag naar experimenten fluctueert in de tijd. Cultuur is een geweldige hulpbron geweest voor wanneer we een sterke vraag hebben en we kunnen intern ruimte vrijmaken door een deel van het bioreactorwerk te ontlasten.

Outsourcing work always involves some uncertainty and risk, but Culture overcame that quickly by demonstrating their capabilities, both in terms of their fully-equipped bioreactors (with scales on all feed bottles, continuous off-gas measurements, and a web-interface that makes it easy to collaborate) as well as their experienced, professional, and readily available team.


Buffers

Most cells in our bodies operate within a very narrow window of the pH scale, typically ranging only from 7.2 to 7.6. If the pH of the body is outside of this range, the respiratory system malfunctions, as do other organs in the body. Cells no longer function properly, and proteins will break down. Deviation outside of the pH range can induce coma or even cause death.

So how is it that we can ingest or inhale acidic or basic substances and not die? Buffers zijn de sleutel. Buffers readily absorb excess H + or OH – , keeping the pH of the body carefully maintained in the aforementioned narrow range. Carbon dioxide is part of a prominent buffer system in the human body it keeps the pH within the proper range. This buffer system involves carbonic acid (H2CO3) and bicarbonate (HCO3 – ) anion. If too much H + enters the body, bicarbonate will combine with the H + to create carbonic acid and limit the decrease in pH.

Likewise, if too much OH – is introduced into the system, carbonic acid will rapidly dissociate into bicarbonate and H + ions. The H + ions can combine with the OH – ions, limiting the increase in pH. While carbonic acid is an important product in this reaction, its presence is fleeting because the carbonic acid is released from the body as carbon dioxide gas each time we breathe. Without this buffer system, the pH in our bodies would fluctuate too much and we would fail to survive.

In Summary: Buffers, pH, Acids, and Bases

The pH of a solution is a measure of the concentration of hydrogen ions in the solution. A solution with a high number of hydrogen ions is acidic and has a low pH value. A solution with a high number of hydroxide ions is basic and has a high pH value. The pH scale ranges from 0 to 14, with a pH of 7 being neutral. Buffers are solutions that moderate pH changes when an acid or base is added to the buffer system. Buffers are important in biological systems because of their ability to maintain constant pH conditions.

Oefenvraag

Using a pH meter, you find the pH of an unknown solution to be 8.0. How would you describe this solution?

The pH of lemon juice is about 2.0, whereas tomato juice’s pH is about 4.0. Approximately how much of an increase in hydrogen ion concentration is there between tomato juice and lemon juice?


Current Uses of Synthetic Biology

Isoprene is an important commodity chemical used in a variety of applications, including the production of synthetic rubber. Isoprene is naturally produced by nearly all living things (including humans, plants and bacteria) the metabolite dimethylallyl pyrophosphate is converted into isoprene by the enzyme isoprene synthase. But the gene encoding the isoprene synthase enzyme has only been identified in plants such as rubber trees, making natural rubber a limited resource.

Currently, synthetic rubber is derived entirely from petrochemical sources. DuPont, together with The Goodyear Tire & Rubber Company, is currently working on the development of a reliable, high-efficiency fermentation-based process for the BioIsoprene™ monomer, and synthetic biology has played an important role in making this undertaking a reality.

Although plant enzymes can be expressed in microorganisms through gene transfer it is a long and cumbersome process, as plant genes contain introns and their sequences are not optimized for microorganisms. DNA synthesis and DNA sequencing have enabled the construction and rapid characterization of metabolically engineered microorganism strains to produce isoprene. Synthetic biology has enabled the construction of a gene that encodes the same amino acid sequence as the plant enzyme but that is optimized for expression in the engineered microorganism of choice. This method has provided massively parallel throughput which has made it possible to identify and track genetic variation among the various strains, providing insights into why some strains are better than others.

Continued use of synthetic biology should help refine DuPont’s biocatalyst for the production of BioIsoprene™ monomer.

Delivering Economic, Renewable BioAcrylic

Acrylic is an important petrochemical used in a wide range of industrial and consumer products. Acrylic ingredients make paints more durable and odor-free, adhesives stronger and longer-lasting, diapers more absorbent and leak-proof, and detergents better able to clean clothes. Today, petroleum-based acrylic is an $8 billion global market.

OPX Biotechnologies (OPXBIO) is developing renewable biobased acrylic to match petro-acrylic performance and cost but with a 75 percent reduction in greenhouse gas emissions. BioAcrylic from OPXBIO also will reduce oil-dependence and offer more stable prices.

The key to realizing these benefits, as with any biobased product, is a highly productive and efficient microbe able to use renewable sources of carbon and energy (for example corn, sugar cane, or cellulose) in a commercial bioprocess. A microbe that meets these criteria for BioAcrylic has not been found in nature, so OPXBIO is applying its proprietary EDGE™ (Efficiency Directed Genome Engineering) technology to redesign a natural microbe to achieve these goals. With EDGE, OPXBIO rapidly defines and constructs comprehensive genetic changes in the microbe to optimize its metabolism for economical production of BioAcrylic.

OPXBIO has advanced its BioAcrylic production process from pilot to large demonstration scale. The company has established a joint development agreement with The Dow Chemical Company, the largest producer of petro-acrylic in the United States, to bring BioAcrylic to market by 2016.

Making “Green Chemicals” from Agricultural Waste

Surfactants are one of the most useful and widely sold classes of chemicals, because they enable the stable blending of chemicals that do not usually remain associated (like oil and water).

Today, nearly all surfactants are manufactured from either petrochemicals or seed oils, such as palm or coconut oil. Worldwide production of surfactants from petrochemicals annually emits atmospheric carbon dioxide equivalent to combustion of 3.6 billion gallons of gasoline. Production from seed oil is greener, but there is a limit to the amount of seed oil that can be produced while protecting the rainforest. To address this problem, Modular has developed microorganisms that convert agricultural waste material into useful new surfactants. Dr. P. Somasundaran of the University Center for Surfactants (IUCS) at Columbia University finds that Modular’s surfactant is 10-fold more effective than a similar commercially available surfactant.

Modular has developed an engineered microorganism that converts soybean hulls into a surfactant for use in personal care products and other formulations. The hull is the woody case that protects the soybeans, and it cannot be digested by humans or other monogastric animals, such as pigs. The U.S. produces about 70 billion pounds of indigestible soy carbohydrate annually, and Modular seeks to upgrade this underutilized material by converting it into a variety of useful new chemical products. Modular’s surfactant program is partially supported with funds from the New Uses Committee of the United Soybean Board (USB), which seeks to expand soybean markets through the development of technology that enables the conversion of soy-based materials into new products.

Today, most organic chemicals are derived from petroleum. Fredrick Frank, Vice Chairman, Peter J. Solomon Company, offers this perspective on the sustainable chemistry industry: “Several published reports have concluded that about two-thirds of those chemicals can be generated from renewable raw materials, rather than from oil. If so, sustainable chemistry potentially has a market size of about $1 trillion. Less than 7 percent of organic chemicals are currently produced from renewable materials, thus there is an opportunity for long-term growth.”

Life Technologies Provides a Comprehensive Workflow for Vaccine Development

Demand is growing in developing and developed countries around the world for cost-effective vaccines to prevent infectious diseases. But development of new vaccines is a time consuming undertaking, requiring the identification of antigens – such as weakened viruses or bacterial toxins or other pathogens – and the development, purification and production of immunogens that might help prevent or treat diseases.

Life Technologies has a proven track record in vaccine development. It provides the molecular engineering tools and services necessary to sequence genetic information to formulate vaccines and other treatments in a more efficient and timely manner than current practices, allowing researchers to save time.

Synthetic biology enables Life Technologies to design, synthesize, test and deploy antigens and variants with rapid results, high expression and capacity. It also enables Life Technologies to develop immunogens engineered for efficacy and high titer and produce rapid assays for purification of the immunogens.

Life Technologies scientists developed the custom gene constructs that serve as the basis for HIV vaccine candidates. The gene sequences were custom-designed by scientists at GeneArt® – which merged with Life Technologies in December 2010 – and the University of Regensburg, and then tested in a phase I clinical trial by the EuroVacc Foundation. The trial proved the prophylactic vaccine to be safe and well tolerated, triggering a strong and lasting immune response in 90 percent of the candidates. Additional trials are ongoing. In 2009, GeneArt was awarded a contract by the HIV Vaccine Consortium (UK) to design and produce two HIV vaccine candidates based on the HIV gene sequences used in the 2008 trial.

In May 2009, the GeneArt gene synthesis and assembly platform was employed to create synthetic H1N1 genes, and the product was delivered within a 5-day period. GeneArt created an additional ten H1N1 viral coat protein constructs for the Robert Koch Institute (the central federal institution responsible for disease control and prevention in Germany).

Developing a Suite of Biobased Products and Services

DSM, a Life Sciences and Materials Sciences company headquartered in the Netherlands, was one of the first companies to utilize synthetic biology, dramatically improving an existing process for commercial production of Cephalexin, a synthetic antibiotic. Starting with a penicillin-producing microbial strain, DSM introduced and optimized two enzyme-encoding genes for a one-step direct fermentation of adipoyl-7-ADCA, which could then be converted into Cephalexin via two enzymatic steps. The new process replaced a 13-step chemical process, resulting in significant cost and energy savings. DSM has gone on to build a business in antibiotics, vitamins, enzymes, organic acids, and performance materials within one of its emerging business areas called Biobased Products and Services.

Major biotechnology advances are opening up opportunities in the production of biofuels and renewable chemicals as well as materials made from different types of renewable biomass. Recent DSM breakthroughs include a cocktail of enzymes that break down the lignocellulose from agricultural residues to simple C5 and C6 sugars. Advances in synthetic biology have enabled DSM to develop recombinant yeast capable of co-fermenting both hexoses and pentoses. DSM introduced enzymes from native xylose-assimilating organisms to S. cerevisiae, allowing co-fermentation of xylose and arabinose along with glucose. Recently DSM announced a 50/50 joint venture with a major ethanol producer, POET for the commercial development, demonstration and licensing of cellulosic bio-ethanol.

Similarly, starting in 2007, the use of synthetic biology methods allowed DSM to develop proprietary yeast that can operate in a low pH fermentation system to cost effectively produce high-quality biobased succinic acid. This patented process in collaboration with Roquette Frères will be scaled in a 10 kiloton plant in 2012 and new markets are expected to open with this 4-carbon chemical building block. More recently, similar work using both biotechnology and chemistry synergistically is resulting in the development of renewable adipic acid, a 6-carbon diacid that is a key monomer for applications in engineering plastics, textiles, resins, and polyurethanes. The value proposition for the industry with these new routes are cost advantaged economics, renewable feedstock flexibility, and a significant improvement in the carbon footprint measured by Life Cycle Analysis.

In summary, DSM’s long track record in anti-infectives and vitamins combined with an ever growing experience base in synthetic biology have strengthened DSM’s overall capabilities to work with partners and industry stakeholders along the emerging value chains.

Engineering Low-Cost Sugars for Petroleum Substitute

Sugars from non-food biomass can be used as building blocks to manufacture a wide variety of biofuels and renewable chemicals that are currently produced from expensive and price-volatile petroleum feedstocks. The advanced biofuels market is estimated to grow to 21 billion gallons by 2022, based on the U.S. Renewable Fuels Standard (RFS) under the Energy Independence and Security Act of 2007.

Traditional sugar fermentation processes to produce biofuels and renewable chemicals use either sucrose from sugarcane or starch from corn, sorghum, or wheat. Agrivida’s engineered biomass provides greater price stability for raw materials, uses less energy in producing biofuels and renewable chemicals via fermentation and enables production with dramatically lower greenhouse gas emissions.

INzyme™ technology from Agrivida, a novel approach to synthetic biology, provides processors and biorefiners the ability to directly control dormant biodegrading enzymes that have been engineered into the biomass. After harvest, these enzymes are activated in a way that greatly reduces the energy, chemical and other pretreatments traditionally required to convert the plant material to sugar. Agrivida’s INzyme™ technology decreases a critical bottleneck in bioproducts production, allowing significantly improved production, reducing the cost and quantity of enzymes needed to produce cellulosic biofuels and renewable chemicals and reducing production facility capital and operating costs.

Ultimately, INzyme™ technology from Agrivida will allow consumers to fully realize the potential of a replacement for petroleum-based biofuels and renewable chemicals that have significant benefits in greater national security through reduced dependence on imported petroleum, lower greenhouse gas emissions and significant agricultural and manufacturing jobs creation. Importantly, Agrivida anticipates that its technology platform will provide consumers a considerable cost savings between 70 and 80 cents per gallon of biofuels produced.

Creating Economic Advantage for a Commonly Used Chemical

Adipic acid is a valuable chemical intermediate used in production of nylon for well-established markets like automotive parts, footwear, and construction materials. The current market for adipic acid is approximately $5.2 billion. Current petrochemical processes for the production of adipic acid generate as much as 4.0 tons of CO2 equivalents per ton of adipic acid produced. A biobased process could reduce the production costs of adipic acid by 20 percent or more.

Verdezyne is developing a cost-advantaged, environmentally friendly fermentation process for adipic acid. The company’s proprietary metabolic pathway can utilize sugar, plant-based oils or alkanes, and the company has completed proof-of-concept testing for fatty acids and alkanes. The potential benefit of this feedstock flexible approach is the ability to maintain a sustainable economic advantage regardless of future energy volatility and to reduce the environmental footprint for producing adipic acid.

Adipic acid is not produced in nature. Verdezyne’s novel combinatorial approach to pathway engineering rapidly creates and harnesses genetic diversity to optimize a metabolic pathway. Rather than manipulating one pathway gene at a time, the company uses synthetic gene libraries to introduce diversity into a metabolic pathway. The company’s unique computational and synthetic biology toolbox allows effective design, synthesis and expression of synthesized genes in a heterologous recombinant yeast microorganism.

Producing Biofuels and Renewable Chemicals as Petroleum Alternatives

Diesel is the most widely used liquid fuel in the world. This energy dense fuel supports the transport of 70 percent of U.S. commercial goods and is in high demand in the developing world to support the heavy equipment (trucks, bulldozers, trains, etc) required for infrastructure development. Today there is no cost effective renewable alternative to diesel.

LS9 has developed a platform technology that leverages the natural efficiency of microbial fatty acid biosynthesis to produce a diversity of drop-in fuels and chemicals. Using synthetic biology, LS9 has developed microbial cells that can perform a one-step conversion of renewable carbohydrates (sugars) to two diesel alternatives, a fatty acid methyl ester (biodiesel ASTM 6751) and an alkane (ASTM D975).

The LS9 processes are unique in that all of the chemical conversions from carbohydrate to finished fuel are catalyzed in the cell, with the finished product secreted. The fuel forms an immiscible light organic phase that is non-toxic to the organism and is easily recovered from the broth through centrifugation. There is no need for further chemical conversion, and there is no requirement for hydrogen in the process. These simple processes enable the production of diesel from scalable renewable resources at a price competitive with petroleum (without subsidy).

Synthetic biology has been essential in engineering the LS9 microbial catalysts. The biosynthetic pathways to produce finished fuel products do not exist in the native E. coli host, and prior to our efforts alkane biosynthetic genes were unknown. LS9 designed the pathways, synthesized the genes encoding each enzyme in the pathway, and constructed multigene biosynthetic operons enabling production. To improve yield, productivity, and titer – the drivers of process economic efficiency – the biosynthetic pathways and host metabolism have required significant genetic optimization. LS9 developed capabilities for the computational design and automated parallel construction of gene, operon, and recombinant cell libraries that have enabled the rapid construction and evaluation of thousands of rationally engineered microorganisms. This capability in combination with state of the art screening, process development, and analytical methodologies has enabled LS9 in only a few years to advance from concept to a process slated for commercial-scale demonstration.

This same technology platform has been leveraged for the production of surfactants for use in consumer products in collaboration with Procter & Gamble. The ability to exchange biosynthetic parts and leverage the core host “chassis” has enabled the development of this chemical product line much faster, achieving in months what had taken years for the earlier products.

LS9 intends to continue to leverage the power of synthetic biology to further advance these and future products as quickly and cost effectively as possible. We feel strongly these technologies are essential to the goal of weaning our dependence on fossil feedstocks and the further development of a world leading industrial biotechnology industry.

Increasing Rates of Natural Fermentation for Polymers

Metabolix is bringing new, clean solutions to the plastics, chemicals and energy industries based on highly differentiated technology. For 20 years, Metabolix has focused on advancing its foundation in polyhydroxyalkanoates (PHA), a broad family of biopolymers. Through a microbial fermentation process, the base polymer PHA is produced within microbial cells and then harvested. Development work by Metabolix has led to industrial strains of the cells, which can efficiently transform natural sugars into PHA. The recovered polymer is made into pellets to produce Mirel™ Bioplastics by Telles products.

Conventional plastics materials like polyvinyl chloride (PVC), polyethylene teraphthalate (PET), and polypropylene (PP) are made from petroleum or fossil carbon. The PHA in Mirel bioplastics is made through the fermentation of sugar and can be biodegraded by the microbes present in natural soil or water environments. Although PHAs are produced naturally in many microorganisms, the cost and range of compositions required for successful commercialization dictated that PHA pathways had to be assembled in a robust industrial organism that does not naturally produce the product.

Metabolic pathway engineering was used to accomplish this task, relying on modern tools of biotechnology. These include DNA sequencing and synthetic construction of genes encoding the same amino acid sequence as in the donor strain, but optimized for expression in the engineered industrial host. These technologies provided rapid development and optimization of robust industrial production strains that would not have been feasible using classical techniques relying on isolation and transfer of DNA from one species to the other.

This has allowed Metabolix to successfully commercialize Mirel bioplastics. More than 50 years after it was first considered as a potentially useful new material and following several efforts by leading chemical companies to commercialize PHAs based on natural production hosts, Metabolix has made these products available at a commercial scale.

Increasing Efficiency in Bioprocessing of Pharmaceuticals

Sitagliptin, Merck’s first-in-class dipeptidyl peptidase-4 inhibitor, is marketed under the trade name Januvia® as a treatment for type II diabetes. The chemical manufacturing route to Sitagliptin developed by Merck won a Presidential Green Chemistry Challenge Award in 2006, but there were still several opportunities for improvement. Codexis and Merck collaborated to develop a novel, environmentally benign alternative manufacturing route. Using synthetic biology and its directed evolution technologies, Codexis discovered and developed a transaminase capable of enabling the new biocatalytic route, which is currently in scale-up towards commercial manufacture.

One common definition of “synthetic biology” is “the design and construction of new biological entities that do not exist in the natural world.” In this instance, there was no known enzyme that could perform the reaction required to enable the biocatalytic route. By designing and generating new enzyme variants, Codexis was able to identify a novel enzyme that provided detectable initial activity. This enzyme was then improved greater than 25,000-fold in order to generate the highly active, stable, enantioselective and practical enzyme from a starting activity that did not previously exist in the natural world. This work was awarded with the Presidential Green Chemistry Challenge Award in June, 2010.


Soorten fermentatie

Based on chemicals produced during the process of fermentation, it can be divided into two types:

1. Lactic Acid Fermentation

The fermentation, in which lactic acid is the product, is called melkzuurfermentatie.

  • It occurs in human muscle cells when there is less availability of oxygen.
  • Yogurt production is a type of lactic acid fermentation in which bacteriën are used to convert milk into yogurt enzymatically.
  • Lactic acid fermentation is chemically represented as:


Bekijk de video: Pour 352 Pounds Epoxy! Amazing Chest of Drawers made of 160 kg Epoxy and Wood! (December 2021).