[发明专利]使用毛细管膜生产次级代谢物

说明书

发明领域

本发明涉及次级代谢物或重组产物的生产方法，特别地，本发明涉及在限氧条件或厌氧条件下生产次级代谢物和/或重组产物的方法并且涉及在限氧条件或厌氧条件下生产所述次级代谢物和/或重组产物的设备。

发明背景

次级代谢物

已经研发了用于生产天然产物的大部分技术以便改善在需氧发酵中的氧传递(oxygen mass transfer)。几乎从未利用它们产生次级代谢物的能力。研发厌氧发酵主要用于废水处理和转染有机物或乙醇生产这类生物工艺。

次级代谢物在固体培养物中的分化时和/或在液体培养物中的稳定期时产生。它们一般在分批或补料分批模式中的浸没液体培养物中产生。一般遵循分批培养的这些事件为：

1.将接种物导入准备的生物反应器。它一般表现出迟滞期，而生物体或培养物适合于其环境。

2.一旦生物体一般通过二分裂开始生长，指数期随之发生，其中培养物生物量浓度快速增加，同时营养物耗尽。初级代谢产物和代谢废物累积。

3.最终培养物中的营养物耗尽并且废物累积至培养物生物量浓度不再增加的程度。这种不再生长期称作稳定期。就在此过程中产生次级代谢物。补料分批培养包括以低水平添加营养物和或稀释废物以便延长稳定期。

影响次级代谢物产量的生物反应器的容量生产能力(VolumetricProductivity)的因素包括：低剪切环境；高生物量浓度；培养物的分化；用于固定生物量的固相基质的存在；和良好的营养物生物量转移。尽管已经研发了用于在需氧培养条件下提高次级代谢物产量的系统，但是在厌氧条件下有效生产次级代谢物几乎被忽略。

厌氧微生物的次级代谢物与生命科学具有高度关联性。自此以后，厌氧微生物一般居留于罕见的生态环境中并且为具有罕见环境耐受性的代谢物和用于药物筛选的新代谢物的有意义的来源。此外，致病生物体的数量在厌氧条件下繁殖并且它们产生的代谢物为细胞信号传导机制的有价值的指示剂，致病因素，潜在药物靶标的鉴定标记或指示剂。因此，用于生产次级代谢物，特别是使生物膜形成和培养物分化的次级代谢物的有效方法对生命科学工业而言具有相当的价值。

由于在培养基领域取得了显著发展，所以用于在限氧条件下以高细胞密度培养微生物的最佳策略是可能的。目前可以对上述在需氧条件下检验的生物体进行筛选以便生产可以在限氧条件下诱导的天然产物，诸如在枯草芽孢杆菌(Bacillus subtillus)生产表面活性肽(Davies等1999)。

重组产物

由微生物产生几种工业上重要的化合物(包括天然和重组产物)。药物和其它工业的重组产物的市场在近年来得到增加。由各种微生物表达系统产生重组产物，所述重组产物包括但不限于酶、激素、抗体、抗体片段、病毒-类颗粒、肽类、DNA和RNA片段。产物还可以包括由重组合成酶的表达产物产生的化学品。

已经改造了各种表达宿主以便优化重组产物生产、溶解和分泌。表达宿主包括许多细菌种类、真菌、植物细胞、昆虫细胞、原生动物和哺乳动物细胞。大部分表达系统为需氧的，由此需要输入相当大的能量以便在浸没培养生物反应器中维持高氧传递。大部分生物加工技术集中在一般通过补量分批培养方式在生物反应器中获得极高的细胞浓度。高起始基质浓度和培养物流动性是实现高细胞密度生长的主要障碍。通常的情况是，一旦存在足够的生物量，就诱导生产宿主表达所关注的重组产物。这种诱导一般为在适当时间加入的分子，或为作为废物，初级或次级代谢物由生产宿主产生的代谢物。一旦培养物处于稳定期，则生产重组蛋白的策略为典型的，因为：

1)它能够生产对生产生物体而言无毒性的产物。

2)如果生物量浓度在反应器中极高，那么容量生产能力得到改善。

3)生产产物的前体一般为在初级生长期过程中累积的初级代谢产物。

通常难以以最佳方式定时添加重组蛋白诱导物，使得在培养物达到稳定期并且不再过快或过晚时添加诱导物。当在最佳实验过程中的不同条件下进行平行多重培养时特别困难。因此，已经研发了″自发-诱导″表达系统，已经将其进行了改造以便一旦培养物达到稳定期，就自动启动重组蛋白表达(Studier，2005)。

尽管大部分重组蛋白表达宿主为需氧生物体，但是因氧传递限制而导致高密度培养受限。因此，已经证实在研发能够厌氧生长的表达宿主，诸如乳酸菌(LAB)方面中有意义。