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Il segreto dell'altissima densità cellulare: come ottenere prestazioni ottimali nei biorreattori?
Nel mondo attuale della biotecnologia, la scelta della tecnica di coltura è fondamentale per la resa e la qualità del prodotto finito. Tra queste, la coltura fed-batch ha ricevuto ampia attenzione perché riesce a controllare efficacemente i nutrienti durante il processo di coltura e a promuovere la crescita e lo sviluppo dei microrganismi. Questa tecnologia non solo aumenta le rese, ma evita anche alcune delle limitazioni delle colture tradizionali in batch.
La coltura fed-batch è definita come una tecnica operativa che fornisce continuamente uno o più nutrienti al bioreattore durante il processo di coltura e mantiene il prodotto invariato nel reattore fino alla fine della coltura.
Le colture fed-batch offrono notevoli vantaggi rispetto alle colture convenzionali full batch, in particolare quando si controllano le concentrazioni dei nutrienti per influenzare la resa o la produttività dei metaboliti desiderati. Grazie a un apporto mirato di nutrienti, i ricercatori possono limitare efficacemente la produzione di sottoprodotti metabolici non necessari all'interno delle cellule, aumentando così la densità delle cellule desiderate.
Principali tipi di colture fed-batch
Le colture fed-batch hanno un'ampia gamma di applicazioni e possono essere adattate a diversi bioprocessi. Ecco alcune strategie efficaci di coltura fed-batch:
1. Inibizione della matriceMolti microrganismi vengono inibiti da elevate concentrazioni di nutrienti (come metanolo, etanolo e acido acetico). Nelle colture fed-batch, l'aggiunta tempestiva di questi substrati può ridurre i tempi di latenza e gli effetti inibitori sulla crescita cellulare.
2. Elevata densità cellulareRispetto alla tradizionale coltura in batch, per ottenere una maggiore concentrazione cellulare, la coltura in batch fed richiede il controllo della concentrazione dei nutrienti nel mezzo di coltura in modo da non inibire la crescita dei microrganismi.
3. Effetto glucosioNella produzione del lievito di birra, anche in condizioni di sufficiente ossigeno disciolto, l'eccesso di zucchero provoca la produzione di alcol, inibendo così la crescita cellulare. Il processo di alimentazione in lotti può ridurre efficacemente questo effetto e migliorare la produttività complessiva del lievito.
4. Soppressione del catabolismoFornire una fonte di carbonio rapidamente metabolizzata (come il glucosio) aumenterà la concentrazione di ATP nella cellula, inibendo così la sintesi di determinati enzimi. La coltura in batch alimentato può mantenere basse concentrazioni di glucosio e promuovere la sintesi enzimatica.
5. Uso di mutanti helper
Per i mutanti microbici che necessitano di nutrienti aggiuntivi, un controllo adeguato della concentrazione dei nutrienti essenziali può promuovere efficacemente la produzione dei metaboliti richiesti.
Controllando la velocità di alimentazione e gestendo con precisione l'apporto di nutrienti, è possibile massimizzare la capacità produttiva delle cellule e la concentrazione del prodotto desiderato.
Strategie per la coltura fed-batch
Quando si implementano colture fed-batch, ci sono diverse strategie chiave che aiutano a garantire prestazioni ottimali del processo di coltura:
Coltura ad alta densità cellulare
Questa strategia è spesso utilizzata nei processi bioindustriali per ottenere elevate densità cellulari all'interno dei biorreattori.
Coltura in batch alimentata in continuo
In questo tipo di coltura fed-batch, il tasso di apporto del substrato limitante la crescita è costante, il che può mantenere la stabilità del processo di coltura.
Cultura batch alimentata esponenzialmente
In condizioni ideali, le cellule crescono a un ritmo esponenziale. Questo formato di coltura consente di aumentare la velocità di apporto del substrato limitante la crescita in proporzione alla velocità di crescita cellulare.
I futuri sviluppi della biotecnologia esploreranno ulteriormente il potenziale di queste strategie di coltura fed-batch per produrre bioprodotti di maggior valore a densità cellulari più elevate. Tuttavia, come bilanciare efficienza e costi di produzione nelle applicazioni industriali è ancora una questione che vale la pena approfondire?
