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微生物菌種是發(fā)酵工業(yè)的基礎，性能優(yōu)良的菌種是實現(xiàn)生物制品經濟高效生產的關鍵。高通量篩選技術以自動化操作系統(tǒng)進行實驗操作，依靠靈敏快速的檢測儀器采集信號，同時檢測大批量的樣品。因此，采用高通量篩選技術進行菌種選育能夠更高效地獲得優(yōu)良生產菌株，提高生物制造企業(yè)的國際競爭力。

高通量培養(yǎng)新裝備：帶有先進傳感器的八聯(lián)微型生物反應器

在菌種選育中，培養(yǎng)過程的微型化是提高篩選通量的重要手段，通過縮小培養(yǎng)裝置不僅可以減少人工和材料成本，還可以增加實驗的平行性。理想的微培養(yǎng)裝置應該是能夠準確模仿大規(guī)模培養(yǎng)過程，真實地反應微生物的生理代謝和生產能力。在高通量篩選模型中，傳統(tǒng)的復篩方式是搖瓶培養(yǎng)，但是其存在數(shù)據(jù)密度低，培養(yǎng)條件不能調控、過程參數(shù)無法在線實時采集等問題，因此在對于發(fā)酵罐菌株性能驗證存在一定的放大局限性。微型生物反應器保留了傳統(tǒng)生物反應器的實時監(jiān)測功能，體積介于搖瓶和微孔板之間，不僅帶有攪拌槳與進氣管，還配有光化學pH和DO傳感器，能夠對大型生物反應器的特征進行完全模擬，并同時對多個實驗進行平行運轉，是進行細胞株篩選、培養(yǎng)基優(yōu)化和工藝優(yōu)化的重要設備。該論文將自行研制開發(fā)的八聯(lián)平行微反應器(圖1)引入到高通量篩選模型中，用于替代復篩過程的搖瓶(圖2)，從而在保證篩選通量的基礎上，提高菌株性能驗證的可放大性。

圖1. ?八聯(lián)微型生物反應器系統(tǒng)

圖2??菌種高通量篩選流程圖

首先，通過冷模實驗對微反應器上非侵入式pH和DO光傳感器的應用條件進行優(yōu)化，表明溫度和外界光會對pH和DO的熒光測定產生顯著影響，因此需要在實際應用過程中維持恒定的檢測溫度以及對罐體進行遮光預處理。其次，通過熱模實驗在微反應器中對三種常規(guī)微生物(大腸桿菌、畢赤酵母和擬干酪乳桿菌)進行培養(yǎng)，表明微反應器能夠實現(xiàn)過程pH和DO的檢測和控制，能獲得比搖瓶更好的細胞生長表現(xiàn)以及過程代謝監(jiān)測數(shù)據(jù)。最后，將八聯(lián)平行微反應器和傳統(tǒng)搖瓶分別作為高通量L-乳酸生產擬干酪乳桿菌高產菌株的復篩工具，通過微孔板初篩2500份突變混合菌株，其中184個混合菌株孔中表現(xiàn)出有機酸生產性能，而且21個混合菌株孔中的有機酸產量高于其親株。接著將產量最高的58號孔和103號孔分別在平板上進行單菌落分離，總共獲得59個單克隆進行后續(xù)的微反應器和搖瓶復篩。通過微反應器獲得4個突變株，其L-乳酸產量高于親株15%，而搖瓶培養(yǎng)則顯示在上述4個突變株之外，另有2個突變株的L-乳酸產量提高幅度大于15%。將這6個突變株都進行5 L反應器培養(yǎng)驗證后，發(fā)現(xiàn)微反應器獲得的4個突變株確實能夠在5 L反應器中也表現(xiàn)出L-乳酸產量的提升，但是搖瓶獲得的額外2個突變株則與親株產量接近或略微降低。上述結果表明，相對于傳統(tǒng)搖瓶培養(yǎng)，微反應器能夠提供接近于大規(guī)模反應器的培養(yǎng)環(huán)境，篩選所得突變株的生理代謝特性能夠更好地適應培養(yǎng)環(huán)境，其生產性能也更適合于放大到更大規(guī)模的反應器中。綜上所述，該研究中所使用的自制八聯(lián)微型生物反應器，能夠很好地替代傳統(tǒng)搖瓶在高通量篩選中作為復篩的培養(yǎng)裝置，不但能夠保證相對高的篩選通量，還能夠有效地提高篩選的準確率和突變株生產能力的可放大性。

文獻來源：Xiwei?Tian, Gang?Zhou, Weifei?Wang, Ming?Zhang, Haifeng?Hang,?Ali?Mohsin, Ju?Chu, Yingping?Zhuang, Siliang?Zhang. Application of 8-parallel micro-bioreactor system with non-invasive optical pH and DO biosensor in high-throughput screening of l-lactic acid producing strain. Bioresources and Bioprocessing, 2018, 5: 20.

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