Мини-биореакторы и скрининг по планам эксперимента

Маленький аппарат — не уменьшенная копия большого. Уменьшение масштаба начинается с выбора критерия, который держат постоянным: удельная мощность, объёмный коэффициент массопереноса, окружная скорость мешалки, время смешения или удельный расход газа. Как показано в статье системы культивирования высокой плотности, приравнивание любого из них заставляет остальные разойтись. Мини-биореактор, приравненный по kLa, не воспроизведёт поле сдвига промышленного аппарата; приравненный по окружной скорости — не воспроизведёт его перенос кислорода. Честное описание скрининговой платформы поэтому не «предсказательная», а «предсказательная в отношении того, что следует из выбранного критерия».

В чём малый масштаб систематически ошибается#

Главное расхождение — однородность. Время смешения в нескольких миллилитрах измеряется секундой и меньше, так что культура живёт в одной ровной среде. В аппарате на кубометр время циркуляции достаточно велико, чтобы клетка раз за разом проходила через сытую и хорошо аэрируемую зону у мешалки и через обеднённую зону вдали от неё, а многие организмы отвечают на такие колебания метаболическими сдвигами — переливным метаболизмом, образованием побочных продуктов, стрессовыми ответами, — которых в однородном миллилитре просто не может возникнуть. Ради этого и существуют намеренно неоднородные двухсекционные системы уменьшенного масштаба: они возвращают градиент, убранный малым объёмом.

Геометрия добавляет собственные искажения. Отношение поверхности к объёму велико, поэтому за длинный опыт испарение концентрирует среду, а обмен через газовое пространство даёт долю переноса, ничтожную в промышленном аппарате. По той же причине эффективно отдувается диоксид углерода, и подкисление, отравляющее жизнь большим ёмкостям, здесь отсутствует: стратегия управления pH, настроенная на миллилитрах, может быть настроена против несуществующей проблемы и слепа к будущей.

Меняется и измерительная часть. Места под стеклянные электроды нет, объёма на отбор проб тоже, поэтому растворённый кислород и pH считывают оптически с иммобилизованных флуоресцентных сенсорных пятен на стенке сосуда, со своим быстродействием и своим дрейфом. Встряхиваемые форматы — глубоколуночные планшеты и колбы с оптическим считыванием — идут дальше и обходятся без мешалки вовсе, перенося кислород через деформированную поверхность жидкости; их kLa зависит от частоты и радиуса орбиты встряхивания и от степени заполнения, а не от мощности перемешивания.

Зачем нужна параллельность#

При изменении одного фактора за раз среда с дюжиной кандидатных переменных неоптимизируема по стоимости, а взаимодействия между факторами остаются невидимыми по построению. Планирование эксперимента работает с факторами совместно: дробный факторный отсев показывает, какие немногие переменные действительно двигают отклик, а затем план поверхности отклика находит оптимум внутри суженного пространства, включая кривизну и члены взаимодействия, недоступные пофакторному перебору. Загвоздка в том, что такие планы требуют многих опытов в идентичных условиях, — и именно это даёт батарея из двадцати четырёх или сорока восьми независимо управляемых малых сосудов. Параллельные мини-биореакторы не изобрели планирование эксперимента; они сделали его посильным в дисциплине, где раньше каждый опыт занимал целый ферментёр на неделю.