构建一个开源式生物反应器

描述

概括

我们正在构建一个开源、台式、间歇式生物反应器，以优化生产重组蛋白的酶的产量，用于分子生物学（如 Taq 聚合酶）或无细胞提取物生产。这建立在现有的开源项目之上，以进一步降低组件的成本，并特别注意它们的全球可访问性。通过生成具有不同选项的全面和有用文档的模块化设计，以满足预算和精度要求，我们将使这些设备更容易为大学、公司和生物制造商空间中的更广泛用户构建和维护：特别是那些在资源领域的用户。受约束的上下文。

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项目资源

通讯

• 聊天频道
• Biomakespace 网站上的项目页面

文档

• Github 仓库

背景

• 原始生物制造者挑战赛申请
• 链接到其他开源生物反应器

问题

要解决的问题是可靠的细菌培养，以表达实验室规模数量的重组细菌或制备无细胞提取物。已知此类培养物的生长速率和其他影响最终产量或活力的参数会有所不同，因此对生长条件的持续监测和优化可以提高实验的可重复性和可靠性。现有的商业解决方案对于资源匮乏的实验室来说过于昂贵，并且不允许轻松定制和维护。现有的开源设计通常分为两类：

a) 用于平行进化实验或合成生物学基因表达表征的小规模系统（例如Klavin's Lab turbidostat和Aachen iGEM 2015设计）。

b) 大型系统，例如 Uwe 等人描述的 8 L Aeronaut Brewing Company 生物反应器和 12 L 自制发酵罐。（2008 年）。

EPFL/ Univalle 1 L 开源生物反应器是最合适的起点，但当前版本缺少几个功能来满足我们项目的设计目标，估计成本为 1800 美元，需要减少一半以上对于我们功能最丰富的生物反应器版本，该设备的成本达到了低于 500 英镑的预算。

生物系统

我们将使用分子生物学大肠埃希菌的主力。在这个项目中，我们最终将在一个非专利pTTQ18 载体中表达一种非专利 Taq 聚合酶，该载体可从 Addgene 轻松获得。目标是该生物反应器适用于表达其他重组蛋白的大肠杆菌以及具有参数优化的其他细菌和酵母菌株。

硬件设计目标

• 无菌和可高压灭菌的部件。
• 控制温度、pH、搅拌和培养基供应。重量和光密度的测量。
• 模块化结构和参数化 CAD 设计的使用为用户提供了最大的灵活性。
• 开放格式和许可：所有设计都将以开放文件格式共享，这些格式可以使用免费软件进行编辑，并且在最大允许的开放硬件/软件许可下，例如 Solderpad/CERN OHL 和 MIT/Apache。
• 有用的来源：文档将是模块化的，不仅足以构建设备，而且还可以理解每个模块的功能和设计目标。在适当的情况下，我们将展示一些可能的替代组件，以降低成本或增加功能或准确性。
• 易于采购：我们将尽可能使用通用和全球可用的组件，并努力避免供应商锁定。
• 此设计的最高级版本低于 500 英镑（将针对更昂贵的替代品及其各自的优势提出建议）。

项目实施

该项目被分成不同的模块进行原型设计、测试和记录：

A：培养皿

设计目标

• 完全可高压灭菌
• 用于保持无菌的输入和传感器的低成本连接器
• 可容纳约 1L 培养物，有足够的空间（约 2 L 体积）

完成的工作

我们选择了一个现成的玻璃容器和一个金属盖，使我们能够钻孔以连接管和连接器。我们研究了可高压灭菌粘合剂、3D 打印细丝和塑料以及连接器的可能性，以确保该装置完全可消毒。

我们发现 2L 玻璃保存罐随处可见，并且可以装上可高压灭菌的金属盖。我们选择了2.0L 的 Le Parfait Orange Top Jar，带有Familia Wiss 盖子，但任何尺寸相似且由玻璃和金属制成的产品都可以替代。

 

 

未来的计划

我们现在有一套非常简单的连接器，但旨在进一步标准化这些连接器，并使用 v2 中的快速连接接头加快组装速度。另一个改进可能是为容器设计挡板。这些是容器壁上的面板，通常用于防止涡流和提高曝气效率

B：搅拌系统

设计目标

• 对培养物进行充分通气，以确保整个容器的氧气水平良好。
• 可高压灭菌
• 易于访问的硬件

完成的工作

我们调查了四个选项：

电磁搅拌机

• 我们有实验室级磁力搅拌器，但有许多 DIY 版本。
• Oscillostat 团队使用了一种带有计算机冷却风扇的设计，该风扇带有一个磁铁，磁铁也连接到他们的传感器上，以避免在测量时关闭搅拌，从而避免搅拌干扰测量。

叶轮或搅拌桨

• 我们考虑了激光切割或 3D 打印的叶轮，但发现可高压灭菌的塑料使这不切实际。
• 我们目前正在研究易于访问的金属选项。

使用水族箱泵和气石进行基于气泡的曝气（Yasumitsu 等人，2013 年）。

• 低成本气石的质量不足以均匀分布气泡。
• 选择是有限的，因为我们需要使用金刚砂而不是不可高压灭菌的矿物石（Yasumitsu et al., 2013）。金刚砂通常对于容器的大小来说太大了，需要更强大的气流。
• 我们在用于酿造的不锈钢石块上取得了更大的成功，它提供了更加均匀的气泡形成并且可以高压灭菌。
• 我们还计划研究玻璃纤维和熔融玻璃珠的选择。
• 使用水族泵和气帘的基于气泡​​的曝气
• 低成本空气幕的质量不足以均匀分布气泡

未来的计划

我们还没有对曝气和搅拌系统进行并行测试，因此这是我们的下一个计划，接下来是优化气流。最终，我们将集成一个溶解氧传感器来控制曝气和搅拌，以通过反馈控制来维持氧气水平。

C：温度控制系统

这需要闭环控制中的温度传感器和加热垫，以及测量整个培养体积的温度读数。温度传感器集成在光密度测量装置中。

D：pH控制系统

我们测试了由 Arduino Uno 通过 XOD 软件控制的传统 pH 探头和蠕动泵组成的 pH 控制系统。选择蠕动泵而不是注射泵是因为我们想将其重新用于我们的光密度传感器。

我们首先建造了一个由 Aachen iGEM 2015 团队设计的现有泵，并遇到了现有设计的几个问题。首先，由树脂玻璃激光切割而成的管壳部件分层放置，因此它们的锋利边缘可能会破坏硅胶管。其次，现有的外壳不易组装，主要是因为需要相互叠放的零件数量较多。这可能会带来问题，因为必须在每次运行生物反应器之前（拆卸）组装外壳，以便放入新的无菌管。

我们提出了另一种可 3D 打印的外壳。它将由三个部分组成，不包括层或锋利的边缘。带有 3D 打印外壳的泵不需要制造额外的设备，即激光切割机。

由于我们的生物反应器至少需要一个蠕动泵（用于测量光密度），我们的目标是创建可以轻松调整到不同管道尺寸的泵设计。我们的泵尺寸参数可以在我们为OpenJSCAD开发的代码中快速更改。

您可以在此处查看构建泵的说明：https ://www.hackster.io/anna-kuroshenkova/parametric-peristaltic-pump-b78187

E：光密度传感器

该模块包括用于确定培养物密度和温度的流通式光度计和温度传感器单元的开发。

设计目标

• 连续密度测量
• 易于（拆卸）组装
• 良好的培养密度分辨率

大意

培养物通过不断测量 OD 的玻璃管不断泵送（蠕动泵）。光度计单元基于试管光度计的单个模块。

构建说明

您可以在其自己的Hackster 项目条目中查看构建此模块的说明。

F：控制器系统：

该设备目前为每个模块使用不同的板，我们将在未来几个月内集成控制系统。

结果和好处

该项目的好处将是在资源匮乏的情况下提高可靠培养微生物的能力，以在当地生产酶或其他蛋白质，以及生产无细胞提取物。这很重要 i) 以更低的成本增加研究试剂的获取，而不依赖于可能面临运输时间和冷链等挑战的供应链；ii) 鉴于无细胞提取物在研究和教育、低成本诊断等方面的重要性日益增加，但有记载的需要在适当的生长阶段收获细菌以生产提取物。

参考

Riek、Uwe 等人。“一种自动化的自制低成本发酵罐，适用于大肠杆菌中蛋白质的大规模细菌表达。” 生物技术 45.2 (2008): 187-189。

Yasumitsu，Hidetaro，等人。“大肠杆菌的细气泡混合 (FBM) 培养：一种极具成本效益的中等规模培养系统。” 蛋白质和肽字母 20.2 (2013): 213-217。

哈希米、佩曼等人。“用于制备 pH 光学传感器的琼脂糖薄膜涂层载玻片。” 传感器和执行器 B：化学 121.2 (2007)：396-400。