描述

概括

我們正在構建一個開源、臺式、間歇式生物反應器，以優化生產重組蛋白的酶的產量，用于分子生物學（如 Taq 聚合酶）或無細胞提取物生產。這建立在現有的開源項目之上，以進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的全面和有用文檔的模塊化設計，以滿足預算和精度要求，我們將使這些設備更容易為大學、公司和生物制造商空間中的更廣泛用戶構建和維護：特別是那些在資源領域的用戶。受約束的上下文。

=>聊天頻道。

項目資源

通訊

• 聊天頻道
• Biomakespace 網站上的項目頁面

文檔

• Github 倉庫

背景

• 原始生物制造者挑戰賽申請
• 鏈接到其他開源生物反應器

問題

要解決的問題是可靠的細菌培養，以表達實驗室規模數量的重組細菌或制備無細胞提取物。已知此類培養物的生長速率和其他影響最終產量或活力的參數會有所不同，因此對生長條件的持續監測和優化可以提高實驗的可重復性和可靠性。現有的商業解決方案對于資源匱乏的實驗室來說過于昂貴，并且不允許輕松定制和維護。現有的開源設計通常分為兩類：

a) 用于平行進化實驗或合成生物學基因表達表征的小規模系統（例如Klavin's Lab turbidostat和Aachen iGEM 2015設計）。

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

EPFL/ Univalle 1 L 開源生物反應器是最合適的起點，但當前版本缺少幾個功能來滿足我們項目的設計目標，估計成本為 1800 美元，需要減少一半以上對于我們功能最豐富的生物反應器版本，該設備的成本達到了低于 500 英鎊的預算。

生物系統

我們將使用分子生物學大腸埃希菌的主力。在這個項目中，我們最終將在一個非專利pTTQ18 載體中表達一種非專利 Taq 聚合酶，該載體可從 Addgene 輕松獲得。目標是該生物反應器適用于表達其他重組蛋白的大腸桿菌以及具有參數優化的其他細菌和酵母菌株。

硬件設計目標

• 無菌和可高壓滅菌的部件。
• 控制溫度、pH、攪拌和培養基供應。重量和光密度的測量。
• 模塊化結構和參數化 CAD 設計的使用為用戶提供了最大的靈活性。
• 開放格式和許可：所有設計都將以開放文件格式共享，這些格式可以使用免費軟件進行編輯，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，不僅足以構建設備，而且還可以理解每個模塊的功能和設計目標。在適當的情況下，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確性。
• 易于采購：我們將盡可能使用通用和全球可用的組件，并努力避免供應商鎖定。
• 此設計的最高級版本低于 500 英鎊（將針對更昂貴的替代品及其各自的優勢提出建議）。

項目實施

該項目被分成不同的模塊進行原型設計、測試和記錄：

A：培養皿

設計目標

• 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 培養物，有足夠的空間（約 2 L 體積）

完成的工作

我們選擇了一個現成的玻璃容器和一個金屬蓋，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。

我們發現 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品都可以替代。

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未來的計劃

我們現在有一套非常簡單的連接器，但旨在進一步標準化這些連接器，并使用 v2 中的快速連接接頭加快組裝速度。另一個改進可能是為容器設計擋板。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

設計目標

• 對培養物進行充分通氣，以確保整個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

我們調查了四個選項：

電磁攪拌機

• 我們有實驗室級磁力攪拌器，但有許多 DIY 版本。
• Oscillostat 團隊使用了一種帶有計算機冷卻風扇的設計，該風扇帶有一個磁鐵，磁鐵也連接到他們的傳感器上，以避免在測量時關閉攪拌，從而避免攪拌干擾測量。

葉輪或攪拌槳

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

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

• 低成本氣石的質量不足以均勻分布氣泡。
• 選擇是有限的，因為我們需要使用金剛砂而不是不可高壓滅菌的礦物石（Yasumitsu et al., 2013）。金剛砂通常對于容器的大小來說太大了，需要更強大的氣流。
• 我們在用于釀造的不銹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
• 低成本空氣幕的質量不足以均勻分布氣泡

未來的計劃

我們還沒有對曝氣和攪拌系統進行并行測試，因此這是我們的下一個計劃，接下來是優化氣流。最終，我們將集成一個溶解氧傳感器來控制曝氣和攪拌，以通過反饋控制來維持氧氣水平。

C：溫度控制系統

這需要閉環控制中的溫度傳感器和加熱墊，以及測量整個培養體積的溫度讀數。溫度傳感器集成在光密度測量裝置中。

D：pH控制系統

我們測試了由 Arduino Uno 通過 XOD 軟件控制的傳統 pH 探頭和蠕動泵組成的 pH 控制系統。選擇蠕動泵而不是注射泵是因為我們想將其重新用于我們的光密度傳感器。

我們首先建造了一個由 Aachen iGEM 2015 團隊設計的現有泵，并遇到了現有設計的幾個問題。首先，由樹脂玻璃激光切割而成的管殼部件分層放置，因此它們的鋒利邊緣可能會破壞硅膠管。其次，現有的外殼不易組裝，主要是因為需要相互疊放的零件數量較多。這可能會帶來問題，因為必須在每次運行生物反應器之前（拆卸）組裝外殼，以便放入新的無菌管。

我們提出了另一種可 3D 打印的外殼。它將由三個部分組成，不包括層或鋒利的邊緣。帶有 3D 打印外殼的泵不需要制造額外的設備，即激光切割機。

由于我們的生物反應器至少需要一個蠕動泵（用于測量光密度），我們的目標是創建可以輕松調整到不同管道尺寸的泵設計。我們的泵尺寸參數可以在我們為OpenJSCAD開發的代碼中快速更改。

您可以在此處查看構建泵的說明：https ://www.hackster.io/anna-kuroshenkova/parametric-peristaltic-pump-b78187

E：光密度傳感器

該模塊包括用于確定培養物密度和溫度的流通式光度計和溫度傳感器單元的開發。

設計目標

• 連續密度測量
• 易于（拆卸）組裝
• 良好的培養密度分辨率

大意

培養物通過不斷測量 OD 的玻璃管不斷泵送（蠕動泵）。光度計單元基于試管光度計的單個模塊。

構建說明

您可以在其自己的Hackster 項目條目中查看構建此模塊的說明。

F：控制器系統：

該設備目前為每個模塊使用不同的板，我們將在未來幾個月內集成控制系統。

結果和好處

該項目的好處將是在資源匱乏的情況下提高可靠培養微生物的能力，以在當地生產酶或其他蛋白質，以及生產無細胞提取物。這很重要 i) 以更低的成本增加研究試劑的獲取，而不依賴于可能面臨運輸時間和冷鏈等挑戰的供應鏈；ii) 鑒于無細胞提取物在研究和教育、低成本診斷等方面的重要性日益增加，但有記載的需要在適當的生長階段收獲細菌以生產提取物。

參考

Riek、Uwe 等人。“一種自動化的自制低成本發酵罐，適用于大腸桿菌中蛋白質的大規模細菌表達。” 生物技術 45.2 (2008): 187-189。

Yasumitsu，Hidetaro，等人。“大腸桿菌的細氣泡混合 (FBM) 培養：一種極具成本效益的中等規模培養系統?！?蛋白質和肽字母 20.2 (2013): 213-217。

哈希米、佩曼等人。“用于制備 pH 光學傳感器的瓊脂糖薄膜涂層載玻片?！?傳感器和執行器 B：化學 121.2 (2007)：396-400。