合成生物學經典案例問題分析

文/周洋 王立蒙

中國工程院院士眼科學專家謝立信團隊曾組織全國10 省市自治區進行角膜病流行病學調查——結果顯示我國角膜病患病率約為0.32%，以此推算我國角膜病患者約有416 萬人，其中因角膜病導致的至少一眼盲者約為299 萬人，致盲率高達72%，雙眼盲者約為44 萬人，并且每年新增角膜盲患者約20 萬人。而受限于供體角膜不足，每年能夠接受角膜移植手術治療的患者僅有1 萬例左右，目前仍有大量盲人患者等待重見光明。可見，人工生物合成角膜有著巨大的市場需求。

時間回溯到1817 年，Weber 醫生首次將一片水晶玻璃植入患者角膜，開創了人工角膜植入史；到今天，人工角膜的研究和發展已經經歷了200 多年，無論是在材料設計、制作工藝、手術技巧，還是術后處理方面都有了很大的發展。然而無論移植的是水晶玻璃還是其他動物源角膜，始終都無法突破“免疫排斥”的局限，而由生物菌群代謝表達產生的合成眼角膜近年來受到更多的關注，未來有望突破其他移植方法的“免疫排斥”局限。

與傳統材料制成的角膜相比，生物合成角膜具有幾個潛在優勢，包括免疫惰性、再生功能、透光性、保質期以及工業化生產等方面。由于生物合成角膜的主要成分是人膠原蛋白，不含任何動物源性成分，可以克服異種或異體移植的免疫學缺陷。同時，該產品可為患者自身角膜上皮細胞和角膜基質細胞的遷移和生長提供一個組織工程骨架，并促進神經再生和觸覺敏感性的恢復。更值得關注的是，相較于捐贈人角膜必須在兩周內完成移植手術，該生物合成角膜的保質期可長達3 年之久。

在合成生物學領域，琺成浩鑫擁有豐富的項目案例與雄厚的技術儲備。如2022 年底經過多輪技術篩選，琺成浩鑫成功承接了蘇州生物醫藥產業園某重組膠原蛋白發酵與純化項目。恰逢國內疫情轉常態之際，設計團隊克服種種困難，與客戶緊密地進行方案溝通，為項目有序、快速交付創造了條件。如今，該項目已順利完成調試，轉入試生產階段。

生物合成角膜示例

該項目為酵母細胞在長發酵周期中通過甲醇誘導合成“全長的具有穩定三螺旋結構的重組人膠原蛋白”，該生物角膜屬于三類醫療器械，處于臨床后期開發階段。下文將根據該項目來講解合成生物中的設計難點與解決方案。

1.長周期、高轉速、高溶氧、高放熱

一般項目細胞的培養周期通常為幾小時到數天，但本項目酵母細胞所需要的培養時間則超過了10 天。在較長的培養周期中，如何保證菌種生長所需的溫度、氧含量、pH 等關鍵參數穩定，滿足菌種高效表達的營養環境需求，設計團隊進行了針對性設計。最終，試生產的過程參數曲線表明，該系列設計方案運行可靠、穩定，滿足生產需求。

生物培養車間

300 L 高硼硅玻璃工藝罐

2.精準的過程控制

由于酵母細胞是在甲醇的誘導中表達目標蛋白的，因此甲醇的添加成為決定產率的關鍵因素。相較一般補料罐位于發酵罐附近，甲醇由于其特殊的物理性質必須被設置在防爆區域，這也造成了補料管道長、存料多、輸送不穩定等因素。設計團隊在分析各種對比條件后，采取了設置過程緩沖罐、補料天平、伺服電機驅動蠕動泵以及優化程序控制等手段，成功將全周期數百升補料需求控制在±1g/min 精度內。

3.國內首臺大容量玻璃工藝罐

上游目標蛋白得到高效表達，項目只成功了一半，下游產物分離與純化質量的高低，同樣決定了生產是否能夠成功。由于末端產品的特殊性質，傳統不銹鋼容器不被允許在此工藝點使用，只能采用穩定性更好的高硼硅玻璃制作容器。國內硼硅玻璃罐的容積一般為20 L～50 L，極少有能制作容積超過50 L 的容器的廠家。美國與歐洲國家在該工藝節點通常將玻璃罐的容積定為150 L，該項目首次采用300 L 的大容積硼硅玻璃工藝罐。在接到這個挑戰后，設計團隊整合國內外項目案例、供應商資源，突破種種困難完成了系統交付。

4.零排放——CIP 流程的定制設計

該項目生產基地位于太湖水域，生產園區無集中污水處理系統，因此只能將生產所產生的廢水全部收集后統一交付第三方廠家處理，由此產生近5000 元/t 的廢水處理費。

一般清洗流程下，清洗一個反應釜需要大約3～10 m3/h 的用水量，這對于客戶而言無疑是巨大的生產成本。琺成浩鑫自控團隊立足客戶需求，與客戶反復溝通，仔細打磨了每一個可以節省用水的環節，定制每一個清洗流程，在新的程序控制下，年節約污水處理費用初步估算約120萬元。