Proč plánovat a jak si vybrat svůj fermentor?

Dnešní molekulární a buněčná biologie či biochemie se zvýšeným úsilím charakterizuje strukturu bílkovin a jejich komplexů. Snaží se objasnit vliv trvalých i efemérních změn struktury biopolymerů na jejich funkci a schopnost interagovat s dalšími biopolymery a nízkomolekulárními látkami. I v České republice vynakládá mnoho pracovišť značné prostředky na nákup přístrojů nezbytných pro čištění a následnou charakterizaci biopolymerů a jejich komplexů. Mnohem menší pozornost však překvapivě věnuje přípravě výchozí suroviny – produkci rekombinantního proteinu v dostatečné kvalitě, množství a se správnými posttranslačními úpravami. Řada pracovníků raději opakovaně kultivuje své mikroorganismy, rostlinné či živočišné buňky v malých množstvích, než aby využili možnosti, které skýtá kultivace ve fermentoru nebo bioreaktoru.

Těžko říci, co je příčinou tohoto jevu. Možná že jedním z důvodů jsou rozšířené představy o složité obsluze fermentorů a bioreaktorů, či o astronomických cenách těchto zařízení. Pokud se rozhodneme pro zařízení od firmy, která se vývojem a výrobou fermentorů a bioreaktorů zabývá již desítky let a vyrábí je ve velkých sériích, ani jeden z mýtů do značné míry již neplatí, zejména pokud jde o přístroje s objemem pracovní nádoby od 1 do 14 litrů (viz obr.).

Letos jsem měl možnost pobývat několik dní na univerzitě v holandském Nijmegenu, kde měli v laboratořích pro praktickou výuku studentů přibližně deset takových malých fermentorů firmy New Brunswick Scientific. Dle vyjádření místních pedagogů jsou studenti schopni si v kurzu fermentačních technologií za několik dní dokonale osvojit práci s fermentory a řešit v krátké době i složitější praktické a teoretické úlohy.

Dalším poměrně rozšířeným mýtem je, že pro malé až střední kultivační objemy stačí u produkčních kultur mikroorganismů a buněčných linií použít tradiční metody kultivace, například třepané kultury bakteriálních, kvasinkových nebo houbových kmenů. Není tomu tak. Ve fermentoru nebo bioreaktoru lze obvykle dosáhnout až řádově vyšších výtěžků jak biomasy, tak požadované bílkoviny nebo metabolitu na jednotkový objem média. I jednolitrová či dvoulitrová kultura často umožní při nízkých nákladech a v krátkém čase dosáhnout výsledků, které by při tradičních metodách v podstatě nebyly možné, popřípadě byly možné pouze za nezměrného úsilí. Rozdíl je dán možností přesně měřit a kontinuálně automaticky velmi přesně upravovat základní parametry kultury – pH, koncentraci rozpuštěného kyslíku (DO) či dalších kontrolovaných plynů, teplotu, rychlost míchání kultury a další. Pro běžně kultivované mikroorganismy a buněčné linie navíc dnes výrobce či odborná literatura poskytují detailní návody kultivace.

Typickým příkladem je protokol pro produkci rekombinantních bílkovin v kvasinkách Pichia pastoris (Nature Protocols, 2006;1(2):1006-21). Nemalou výhodou používání fermentorů a bioreaktorů je standardizace kultivačních podmínek, z níž vyplývá nepoměrně snadnější přechod na větší objemy kultur (scale up).

Při výběru fermentoru nebo bioreaktoru bychom si měli všímat nejen mnoha technických detailů (kterým se budeme věnovat podrobněji v příštím pokračování), ale též toho, jakou má příslušný výrobce a jeho distributor tradici, jaká je aplikační podpora výrobku a nakolik je zařízení víceúčelové. V neposlední řadě, zvláště pokud předpokládáte, že zařízení může být využito pro komerční účely, je důležité vědět, zda přístroje odpovídají nárokům pro cGMP a zda výrobce poskytuje údaje pro jejich případnou validaci IQ, OQ a PQ.

RNDr. Milan Řezka, obchodní zástupce pro New Brunswick Scientific