構(gòu)建一個(gè)開源式生物反應(yīng)器

描述

概括

我們正在構(gòu)建一個(gè)開源、臺(tái)式、間歇式生物反應(yīng)器，以優(yōu)化生產(chǎn)重組蛋白的酶的產(chǎn)量，用于分子生物學(xué)（如 Taq 聚合酶）或無細(xì)胞提取物生產(chǎn)。這建立在現(xiàn)有的開源項(xiàng)目之上，以進(jìn)一步降低組件的成本，并特別注意它們的全球可訪問性。通過生成具有不同選項(xiàng)的全面和有用文檔的模塊化設(shè)計(jì)，以滿足預(yù)算和精度要求，我們將使這些設(shè)備更容易為大學(xué)、公司和生物制造商空間中的更廣泛用戶構(gòu)建和維護(hù)：特別是那些在資源領(lǐng)域的用戶。受約束的上下文。

=>聊天頻道。

項(xiàng)目資源

通訊

• 聊天頻道
• Biomakespace 網(wǎng)站上的項(xiàng)目頁(yè)面

文檔

• Github 倉(cāng)庫(kù)

背景

• 原始生物制造者挑戰(zhàn)賽申請(qǐng)
• 鏈接到其他開源生物反應(yīng)器

問題

要解決的問題是可靠的細(xì)菌培養(yǎng)，以表達(dá)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模數(shù)量的重組細(xì)菌或制備無細(xì)胞提取物。已知此類培養(yǎng)物的生長(zhǎng)速率和其他影響最終產(chǎn)量或活力的參數(shù)會(huì)有所不同，因此對(duì)生長(zhǎng)條件的持續(xù)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化可以提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和可靠性。現(xiàn)有的商業(yè)解決方案對(duì)于資源匱乏的實(shí)驗(yàn)室來說過于昂貴，并且不允許輕松定制和維護(hù)。現(xiàn)有的開源設(shè)計(jì)通常分為兩類：

a) 用于平行進(jìn)化實(shí)驗(yàn)或合成生物學(xué)基因表達(dá)表征的小規(guī)模系統(tǒng)（例如Klavin's Lab turbidostat和Aachen iGEM 2015設(shè)計(jì)）。

b) 大型系統(tǒng)，例如 Uwe 等人描述的 8 L Aeronaut Brewing Company 生物反應(yīng)器和 12 L 自制發(fā)酵罐。（2008 年）。

EPFL/ Univalle 1 L 開源生物反應(yīng)器是最合適的起點(diǎn)，但當(dāng)前版本缺少幾個(gè)功能來滿足我們項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)，估計(jì)成本為 1800 美元，需要減少一半以上對(duì)于我們功能最豐富的生物反應(yīng)器版本，該設(shè)備的成本達(dá)到了低于 500 英鎊的預(yù)算。

生物系統(tǒng)

我們將使用分子生物學(xué)大腸埃希菌的主力。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們最終將在一個(gè)非專利pTTQ18 載體中表達(dá)一種非專利 Taq 聚合酶，該載體可從 Addgene 輕松獲得。目標(biāo)是該生物反應(yīng)器適用于表達(dá)其他重組蛋白的大腸桿菌以及具有參數(shù)優(yōu)化的其他細(xì)菌和酵母菌株。

硬件設(shè)計(jì)目標(biāo)

• 無菌和可高壓滅菌的部件。
• 控制溫度、pH、攪拌和培養(yǎng)基供應(yīng)。重量和光密度的測(cè)量。
• 模塊化結(jié)構(gòu)和參數(shù)化 CAD 設(shè)計(jì)的使用為用戶提供了最大的靈活性。
• 開放格式和許可：所有設(shè)計(jì)都將以開放文件格式共享，這些格式可以使用免費(fèi)軟件進(jìn)行編輯，并且在最大允許的開放硬件/軟件許可下，例如 Solderpad/CERN OHL 和 MIT/Apache。
• 有用的來源：文檔將是模塊化的，不僅足以構(gòu)建設(shè)備，而且還可以理解每個(gè)模塊的功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)。在適當(dāng)?shù)那闆r下，我們將展示一些可能的替代組件，以降低成本或增加功能或準(zhǔn)確性。
• 易于采購(gòu)：我們將盡可能使用通用和全球可用的組件，并努力避免供應(yīng)商鎖定。
• 此設(shè)計(jì)的最高級(jí)版本低于 500 英鎊（將針對(duì)更昂貴的替代品及其各自的優(yōu)勢(shì)提出建議）。

項(xiàng)目實(shí)施

該項(xiàng)目被分成不同的模塊進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、測(cè)試和記錄：

A：培養(yǎng)皿

設(shè)計(jì)目標(biāo)

• 完全可高壓滅菌
• 用于保持無菌的輸入和傳感器的低成本連接器
• 可容納約 1L 培養(yǎng)物，有足夠的空間（約 2 L 體積）

完成的工作

我們選擇了一個(gè)現(xiàn)成的玻璃容器和一個(gè)金屬蓋，使我們能夠鉆孔以連接管和連接器。我們研究了可高壓滅菌粘合劑、3D 打印細(xì)絲和塑料以及連接器的可能性，以確保該裝置完全可消毒。

我們發(fā)現(xiàn) 2L 玻璃保存罐隨處可見，并且可以裝上可高壓滅菌的金屬蓋。我們選擇了2.0L 的 Le Parfait Orange Top Jar，帶有Familia Wiss 蓋子，但任何尺寸相似且由玻璃和金屬制成的產(chǎn)品都可以替代。

?

?

未來的計(jì)劃

我們現(xiàn)在有一套非常簡(jiǎn)單的連接器，但旨在進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化這些連接器，并使用 v2 中的快速連接接頭加快組裝速度。另一個(gè)改進(jìn)可能是為容器設(shè)計(jì)擋板。這些是容器壁上的面板，通常用于防止渦流和提高曝氣效率

B：攪拌系統(tǒng)

設(shè)計(jì)目標(biāo)

• 對(duì)培養(yǎng)物進(jìn)行充分通氣，以確保整個(gè)容器的氧氣水平良好。
• 可高壓滅菌
• 易于訪問的硬件

完成的工作

我們調(diào)查了四個(gè)選項(xiàng)：

電磁攪拌機(jī)

• 我們有實(shí)驗(yàn)室級(jí)磁力攪拌器，但有許多 DIY 版本。
• Oscillostat 團(tuán)隊(duì)使用了一種帶有計(jì)算機(jī)冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，該風(fēng)扇帶有一個(gè)磁鐵，磁鐵也連接到他們的傳感器上，以避免在測(cè)量時(shí)關(guān)閉攪拌，從而避免攪拌干擾測(cè)量。

葉輪或攪拌槳

• 我們考慮了激光切割或 3D 打印的葉輪，但發(fā)現(xiàn)可高壓滅菌的塑料使這不切實(shí)際。
• 我們目前正在研究易于訪問的金屬選項(xiàng)。

使用水族箱泵和氣石進(jìn)行基于氣泡的曝氣（Yasumitsu 等人，2013 年）。

• 低成本氣石的質(zhì)量不足以均勻分布?xì)馀荨?/font>
• 選擇是有限的，因?yàn)槲覀冃枰褂媒饎偵岸皇遣豢筛邏簻缇牡V物石（Yasumitsu et al., 2013）。金剛砂通常對(duì)于容器的大小來說太大了，需要更強(qiáng)大的氣流。
• 我們?cè)谟糜卺勗斓牟讳P鋼石塊上取得了更大的成功，它提供了更加均勻的氣泡形成并且可以高壓滅菌。
• 我們還計(jì)劃研究玻璃纖維和熔融玻璃珠的選擇。
• 使用水族泵和氣簾的基于氣泡??的曝氣
• 低成本空氣幕的質(zhì)量不足以均勻分布?xì)馀?/font>

未來的計(jì)劃