生物过程大数据分析与智能化

讨论了工业生物过程大数据分析的重要意义,提出了基于大数据多尺度相关分析基础上实现生物反应器由自动化到智能化的发展。同时,分析了生物过程人工智能处理的应用问题,以克服目前基本上靠人工与专家经验来判断的局限性,以及面临的基因、代谢、过程到生产组织中的互不联系的实验或生产数据孤岛,为知识的发现、获取提供方法和途径,实现智能化决策。     

增大罐压提高脱氮假单胞菌发酵生产维生素B12的产量

【目的】提高发酵罐的罐压,增加维生素B12的产率。【方法】利用常规代谢通量分析(MFA)方法,对脱氮假单胞菌生产维生素B12的发酵过程进行研究。【结果】发现随着VB12合成速率的加快,磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化生成草酰乙酸(OAA)的通量明显加大,以满足维生素B12合成对前体的需求。根据该分析结果,对发酵工艺进行了改进,即在脱氮假单胞菌进入合成维生素B12阶段时,提高发酵罐的罐压,增加发酵液中二氧化碳的溶解度,从而强化了羧化回补途径。维生素B12的产率明显增加,发酵160 h的产物浓度为176 mg/L,比对照批次终浓度147 mg/L高出了19.7%。【结论】通过增大罐压提高了脱氮假单胞菌进入合成维生素B12的产量。     

鸟苷发酵过程的定量和优化：抑制NH4+离子积累提高了苷产量70%

基于质量守恒定律和代谢反应中间代谢物的拟稳态假设,定量研究了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）代谢流分布随时间变化的特征。研究结果表明,在鸟苷发酵过程40h左右,存在着从己糖单磷酸途径到酵解途径的代谢流迁移,所迁移的碳源主要生成了氨基酸和有机酸。定量研究的结果,为发酵过程的工艺优化提供了重要依据。     

鸟苷发酵过程的多尺度问题研究

以鸟苷发酵为对象,在生物反应器中以多尺度问题的角度,对在线计算机数据进行相关分析,结合中间代谢物及有关酶活性的检测,建立了以代谢流为核心的多尺度调控方法;又通过与代谢流迁移有关的动态化学计量分析,实现了对批式发酵过程的时变系统估算,建立了主体代谢与产物形成的支路代谢间,包括能量与物质流的关系模型;最后,把具有不同生产能力菌株的关键基因与基因库数据进行了序列比较,发现了本文研究的菌株已具备高产能力,即编码sAMP合成酶的基因发生移码突变以及pur操纵子的多处突变,而中心代谢流迁移是过程优化的关键。对开展微生物功能基因组学的研究和工业过程优化的问题进行了探讨,作者提出有必要从生物反应器的系统生物学高度来认识和解决所面临的问题。     

重组人血清白蛋白发酵过程表达期的定量研究

结合元素平衡和代谢平衡,建立了重组人血清白蛋白发酵过程表达期的数学模型,按单纯形多变量最优化方法估算了模型的未知参数,并探讨了导致表达期不同阶段产物形成速率存在差异的可能原因。该模型能较好地描述重组人血清白蛋白发酵过程表达期中各宏观反应速率之间的关系,为重组人血清白蛋白的高效表达提供了线索。     

13CMFA过程中GC-MS分析菌体蛋白氨基酸的13C标记丰度

基于13C标记的代谢通量分析(13CMFA)由于具有准确性和应用性已成为国际上代谢工程研究的热点,其中一个至关重要的问题就是分析菌体蛋白氨基酸的13C标记丰度信息。用含20%全标记葡萄糖（［U-13C］）和80%天然葡萄糖的合成培养基喂养维生素B12生产菌Pseudomonas denitrifican,然后在稳态条件下取20mg带13C标记菌体用1ml 6mol/L盐酸95℃水解24h得到带13C标记的菌体蛋白氨基酸;氨基酸经分离、浓缩、真空干燥、MBDSTFA衍生化后得到的TBDMS衍生物可以用气相色谱-质谱(GC-MS)进行分析,最后分析质谱图得到15种菌体蛋白氨基酸的13C标记丰度信息。成功获得菌体蛋白氨基酸13C标记丰度信息的实验方法和样品处理技术,为13CMFA在国内进一步发展提供了参考意义。     

毕赤酵母高密度表达重组猪胰岛素前体的研究

对摇瓶和50L罐上的重组菌毕赤酵母(Pichia pastoris)表达猪胰岛素前体(PIP)的发酵过程进行了研究。摇瓶发酵中,最佳诱导周期为60 h左右,诱导期甲醇的最佳加入量为每日2．0%～2．5%。50L发酵过程分为批发酵、补料和诱导表达3个阶段。生长期(批发酵和补料阶段)细胞干重与培养时间的关系可用模型y= 0．6525e~(0．1909t)来描述。在批发酵阶段和补料阶段,流加的氨水和甘油几乎全部用来合成菌体和维持,没有其他副产物产生。诱导表达阶段流加的氨水和甲醇分别约有80%和70%被菌体利用。将摇瓶与发酵罐的实验结果进行了比较,发现摇瓶发酵的限制因子很可能是溶氧,而罐发酵的限制因子为碳源,因此,将摇瓶实验的结果放大到发酵罐时调整了控制策略,加大了甲醇的补料速率,最终PIP浓度达到1．72g/L。     

重组HSV-Ⅱ病毒疫苗的微载体悬浮培养生产工艺研究

经过重组减毒的Ⅱ型溶瘤单纯疱疹病毒(rHSV-Ⅱ)在体外具有良好的溶瘤效果,并对小鼠体内B16R黑色素瘤内注射具有较高的疗效。重组HSV-Ⅱ病毒作为高效的新型溶瘤病毒疫苗有望用于肿瘤的临床治疗。Vero细胞是广泛应用于病毒疫苗生产的细胞基质,该细胞系对多种病毒敏感且产量高,其微载体培养安全,开发重组HSV-Ⅱ溶瘤病毒肿瘤疫苗的Vero细胞微载体反应器悬浮培养生产工艺具有重要的意义。以自主开发的低血清培养基为基础,对Vero细胞的反应器微载体球转球转移放大工艺及在位消化放大培养工艺进行了研究和比较,以新老微载体比3:1的比例成功实现了微载体球转球转移放大,建立了可实现至少四次/级连续放大的球转球转移放大培养工艺,可用于工业化生产过程。在此基础上,初步建立了以Vero细胞为基质的重组HSV-Ⅱ病毒疫苗反应器微载体无血清悬浮培养生产工艺,最大病毒滴度可达到6.62 lgTCID50/ml以上。为以Vero细胞为基质的无血清病毒疫苗规模化培养提供了一种简便、高效的工艺方法。     

元素衡算和代谢衡算在金色链霉菌培养过程的应用研究

应用元素衡算和代谢衡算方法,建立了金色链霉菌培养过程的数学模型。利用非线性优化方法对模型中的未知参数进行了估算,第一次得到了金霉素（CTC）生物合成的能量系数为1.8～2.8（molATP·C-mol^－1）。应用该模型对CTC发酵过程中的几个宏观反应进行了预测,并与实验值进行了比较。结果表明,该模型较好地描述了各个宏观反应速率之间的关系,为CTC发酵过程优化提供了理论指导。     

生物过程代谢组学与代谢流测定

整合的代谢组学和13C代谢流数据能充分反映细胞的代谢状态,对代谢组学和代谢流的测定技术已成为工业生物过程研究的重要手段,并能为工业生物过程优化和高产菌株理性设计提供重要帮助。阐述了代谢组学和代谢流测定的完整流程,包括实验方法、数据处理方法和软件工具,并综述了其在代谢途径鉴定、代谢机制解析和代谢工程等领域的应用进展。