Блок-схема потенциальных стратегий биопереработки. Пунктирные прямоугольники группируют основные подпроцессы переработки биомассы, экстракции белка и хранения продуктов. Сплошные прямоугольники обозначают отдельные шаги с маркированными списками распространенных методов их выполнения. Стрелки с буквами (a, b, c, d, e) дают примеры возможных рабочих процессов обработки клеток E. coli, экспрессирующих рекомбинантную карбоангидразу. Фото: npj Микрогравитация (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00324-w
Биопроизводство в космосе может повысить устойчивость освоения дальнего космоса. Необходимо разработать системы биообработки для продвижения биопроизводства для космических применений. В новом отчете, опубликованном в настоящее время в журнале npj Microgravity, Матанги Саундарараджан и группа ученых в области биоинженерии и космических биологических наук из Исследовательского центра Эймса НАСА, Калифорния, разработали коммерческие технологии для разработки космических биотехнологических систем, которые снабжают жидкий аминовый скруббер углекислого газа рекомбинантным активная карбоангидраза. Рабочие процессы проектирования включали биомассу 1 л культур Escherichia coli с использованием очистки рекомбинантного белка.
Команда описала три конструкции, которые различались подходами к обезвоживанию биомассы и очистке белка. Значения показателей сложности системы, уровня технологической готовности и уровня готовности к интеграции определили конструкцию системы биообработки, которая свела к минимуму сложность и обеспечила универсальность.
Технология улавливания углерода для космических миссий
Очистка жидкими аминами представляет собой зрелую технологию улавливания углерода после объединения на Земле в качестве многообещающего подхода к очистке CO2, образующегося во время пилотируемых космических полетов. Термальный аминный скруббер на Международной космической станции представляет собой один из трех возможных методов удаления CO2 и работы в космосе. По механизму действия воздух в салоне с повышенным содержанием CO2 проходит через органический жидкий амин, который поглощает карбамат или бикарбонат, в зависимости от растворителя.
Длительные космические миссии вблизи Земли требуют постоянного запаса карбоангидразы, который можно обеспечить за счет пополнения запасов и длительного хранения. Однако этот вариант неприемлем для космических миссий на Марс. В то время как космические системы биопроизводства могут производить ферменты и другие биологические материалы во время космических полетов на Марс, космические системы должны минимизировать затраты, включая время экипажа, одновременно обеспечивая безопасность космонавтов для устранения последствий повышенной радиации и пониженной гравитации.
Проектирование систем биообработки, объединяющих выбранные методы обезвоживания, лизиса и очистки. (a) Конструктивные схемы со следующими компонентами: перистальтический насос (1), пережимной клапан (2), резервуар для биомассы (3), центрифужный картридж (4), резервуар для отработанной среды (5), одноразовый бисер (6), аффинная смола. резервуар (7), резервуар для отходов (8), промывочный буфер (9), элюирующий буфер (10), резервуар для продукта (11), фильтр тангенциального потока (12), колонка для сырого лизата (13), камера для сырого лизата (14), Картридж аффинной очистки (15), аффинная мембрана (16), ролики (17). Желтые стрелки указывают действия экипажа. b Блок-схема сравнения проектов биопереработки. Желтые прямоугольники обозначают операции, требующие помощи экипажа для начала или завершения операции. Фото: npj Микрогравитация (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00324-w
Методы биопроизводства в космосе
Исследования предыдущих методов космического биопроизводства были сосредоточены на разработке крупномасштабных миссий и кинетике роста микробов, а также на конструкциях биореакторов. В этой новой работе Саундарараджан и его команда сравнили коммерческие методы и потенциальные конструкции биопроизводства в космосе.
Команда разработала операционный сценарий постростовой биообработки для производства рекомбинантной карбоангидразы из E. coli во время миссии на Марс. Команда качественно сравнила несколько переменных и шаги с участием команды, чтобы направлять будущие усилия по разработке прототипа.
Команда изучила пять потенциальных рабочих процессов биообработки, начиная с роста и производства обычных клеток. Каждый рабочий процесс включал подпроцессы переработки биомассы, экстракции и хранения белка. Они разделили обработку биомассы на этапы обезвоживания и сушки в качестве основных вариантов.
Эти методы позволяли получать внутриклеточные рекомбинантные белки и требовали подпроцесса экстракции белков, который включал лизис клеток, очистку белков и замену буфера или обессоливание для хранения конечного белкового продукта в виде биомассы или очищенного продукта. Саундарараджан и его коллеги поставляли очищенную карбоангидразу в шести-восьмидневном цикле для производства рекомбинантных белков для наземных применений.
Переработка биомассы и экстракция белка
Поскольку обезвоживание культур значительно сократило объемы обработки для подпроцессов экстракции белка или хранения биомассы, ученые также могли завершить экстракцию белка без этапа обезвоживания. В рамках проекта команда наблюдала влияние обезвоживания на лизис клеток и очистку белков. Этап обезвоживания облегчил использование проточных методов в проектах биообработки. Эквивалентные модели массового анализа системы для лизиса исключили процесс обработки ультразвуком из-за экспериментальной необходимости высокой мощности и охлаждения. В ходе экспериментов по очистке белков команда сравнила пять коммерческих методов аффинной очистки.
Затем они разработали интегрированные проекты биотехнологических систем с обоснованием ресурсов и снижения рисков для выбора конкретных шагов и методов. Они сократили методы хранения биомассы, хранения продуктов и этапы сушки. Команда использовала систему противоточного центрифугирования для обезвоживания биомассы, лизирования клеток и очистки белка с помощью метода периодической смолы, в котором они опосредовали поток материала с помощью перистальтического насоса, чтобы в конечном итоге перенести лизат в резервуар аффинной смолы для связывания белка. Исследовательская группа элюировала связанный белок из смолы для центрифугирования и сбора в производственном резервуаре. Затем они разработали два других варианта биопроцессов для перистальтики, обезвоживания и лизиса и сравнили устройства на предмет оптимальной функциональности.
Расчетные показатели для трех интегрированных проектов биопереработки. Фото: npj Микрогравитация (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00324-w
Сравнительный анализ конструкций
Каждая конструкция включала в себя разные методы для достижения одного и того же результата биообработки. Метрика сложности системы оценивала сложность систем жизнеобеспечения путем добавления компонентов и предлагаемых взаимосвязей конкретной конструкции для сравнения систем удаления CO2.
Более крупные показатели были более применимы к более сложным системам. Команда включила основные компоненты и взаимосвязи для расчета сложности системы для трех проектов. Каждая из трех конструкций содержала по два интерфейса подсистемы — обезвоживающий лизис и лизис-очистку белка.
Перспективы
Таким образом, Саундарараджан и его коллеги повысили эффективность систем улавливания жидких аминов CO2, используя карбоангидразу — технологию-кандидат для полетов в дальний космос. Ферментативно-активная жидкая аминная система требовала постоянного поступления карбоангидразы для длительного хранения в условиях низких температур.
В ходе исследования команда изучила несколько подходов к ранжированию технологий, используемых для разработки интегрированных систем, предназначенных для космических миссий. Проект НАСА по космической синтетической биологии основан на разработке прототипа системы биообработки. Ожидается, что текущий рабочий процесс позволит выявить и интегрировать методы эффективного перевода и повышения эффективности промышленного биопроизводства на Земле.
