生物学

原位监测微生物电路

微生物代谢是工业生物技术的宝贵工具。监测和测量微生物生产力的能力至关重要,但许多标准技术受到劳动和时间强度问题的限制。通过从能源生物能源技术办公室,科学办公室和环境管理计划以及国防部的国防威胁威胁机构提供资金。查尔斯(查克)博士(查克斯)在萨凡纳河国家实验室和合作者的来自克莱姆森大学,南卡罗来纳大学和萨凡纳河咨询,已经应用了电化学技术来实现原位不受标准技术限制的微生物代谢活性监测。

微生物在工业生物技术中是令人难以置信的宝贵工具。通过基因工程进一步增加了微生物代谢的可塑性和曲目,从而产生了微生物的大量潜在用途。它们可以从海洋中清洁漏油,从植物中产生燃料,以及产生青霉素等药物。因此,生物技术行业形成了经济(称为生物经济)的重要组成部分,2012年收入总计3500亿美元,占GDP的2.5%。

为了质量控制目的和最大化工艺效率,必须监测生物工艺中微生物的活性。氧浓度、pH值、温度等的微小变化会对微生物的代谢活性产生较大的影响,从而对产物产量产生较大的影响。通过观察微生物培养中细胞数量和一系列代谢物的变化,科学家可以了解生物过程的代谢状态,以及如何操纵和优化这一状态。

测量微生物
然而,许多方法来样和分析微生物培养条件是耗时,劳动密集型和昂贵的。当微生物必须在没有氧气或苛刻的压力下生长微生物时,这尤其明显,使取样更复杂的程序。当手动收集和分析样本时(被称为离线监测)的时间和劳动限制了可能收集的数据量,以及在制定的过程中检测到过程中的问题的机会,因此,优化生物过程的能力。离线监测的不连续性质也留下了数据的差距,这可能导致误解。为避免此类问题,可以在微生物培养内淹没自动传感器,以便于连续和实时监测条件(所谓的在线原位监测)。但是,因为传感器仍然存在原位,微生物可以在传感器本身上积聚并降低其测量的准确性(称为生物污染)。然后需要昂贵且耗时的传感器的清洁和维护。在提供准确和有用的数据时,监控生物处理的理想技术应绕过这些限制。Chuck博士在萨凡纳河国家研究实验室与他的同事们,克里姆森大学J. Michael Henson博士,John Weidner博士,Pongsarun博士·萨顿议员和布莱克···莫特先生南卡罗来纳州和萨凡纳河咨询的斯科特绿道博士开发了一种自动化,无侵入性的方法,以监测微生物活动与实时数据采集执行此操作。这项工作的一部分也导致了用于监测表面上的微生物生长(生物膜)的专利。

典型的微生物生长曲线(绿色圆圈)可以通过电化学(下面)定义,并使用等效电路(INSET)来建模以提供相对于非生物控制(白圆)的生理数据。

传统上,微生物被认为是生物化学催化剂(酶)的来源,通常使用化学方法分析,例如色谱法和质谱。与所有化学反应一样,在微生物内发生的那些通过电子流动驱动。例如,微生物细胞表面带来负电荷,吸引正离子,导致在细胞膜上形成双层。因此,Chuck Turik博士及其合作者开始将微生物视为电路以及化学催化剂。可以通过观察电子流动和化学成分的变化来检测对生物过程的任何扰动。这些方法的组合产生了越来越多的电化学监测和电磁生物学领域。

查克·图里克博士和他的合作者们开始考虑微生物既是化学催化剂也是电路。

什么是电磁生物学?
电化学微生物学使用电化学技术,如循环伏安法和电化学阻抗谱,来研究微生物活动。查克·图里克博士十多年来一直在使用这种技术研究微生物如何将铀封存在受污染的土壤中。最近,查克·图里克博士开发了电化学技术来监测微生物的生长和代谢活动原位,提供标准分析方法的有吸引力的替代品。

电化学监测正在发展中,用于不同规模的生物反应器。这种技术的未来应用包括监测生物制药过程,结合萨拉·哈肯博士在克莱姆森大学的细胞培养和发酵优化实验室的研究

它是如何工作的?
循环伏安法的工作原理是测量氧化还原活性系统(如微生物培养)在一系列电位作用下产生的电流。氧化还原活性代谢物可以通过分别失去或获得一个或多个电子在氧化态和还原态之间转换。当增加的电位被应用到浸没在微生物培养基中的电极上时,该电极的电流随着时间的增加而增加,因为它获得了更多的电子。然后电极达到感兴趣的代谢物的还原电位——这意味着代谢物将在还原和氧化形式之间转换的电位,也称为峰值电流或电荷密度——电子通过细胞外电子转移从电极传递到代谢物。这会减少代谢物并氧化电极,导致电极电流的可检测下降。然后电流逆转,氧化还原反应也发生逆转,循环往复。当以这种方式监测微生物培养物时,还原峰的电荷密度作为整个培养物的平均值进行测量。峰值电荷密度的变化可以对应于培养液中活细胞与死细胞比例的变化,以及细胞代谢状态的变化。

电化学阻抗光谱(EIS)用于深入了解培养物内细胞的组成。在简单的电路中,电阻是电路抵抗电流的能力的量度。在诸如微生物培养的复杂电路中,电阻也变为更复杂的参数,而是通过阻抗描述。通过施加潜力来测量微生物培养的阻抗原位电极并监测通过培养物的电流变化。通过使用一系列频率,可以分析阻抗值以了解培养物的组成如何随着细胞生长而随着时间的推移而变化而变化。

电化学技术用于在生长期间遵循和定义微生物中的电子流。研究掺入常规的微生物方法。该方法提供与微生物活动有关的丰富数据。

在Chuck Turik博士及其合作伙伴最新出版物中,循环伏安法和EIS被证明准确且有效地监测微生物生长。该技术表明还原峰的阻抗和电荷密度对应于培养物中的细胞数及其生长状态。现在,专利技术,阻抗也被视为随着细胞生长减缓而变化,表明代谢活性的变化。

使用电化学技术的关键优势包括其实时数据采集的能力及其监控能力原位从而最大限度地减少对微生物培养的破坏并降低数据收集的劳动力和时间强度。另外,证明循环伏安法有效防止微生物积聚在蒙皮中培养物中的电极。这表明该技术可用于清洁电极而不从生物过程中移除它们,避免了生物污染所带来的限制。

电化学技术减少了数据收集的劳动和时间强度,避免了生物污染带来的限制。

由于Turick博士于2008年博士组织了第一届国际研讨会,电学生物学研究领域在过去十年中取得了很大的兴趣。电化学已经是物理科学家中的一个完善的技术,但很少超出传统电路。其新的微生物学应用现在,从不同背景之间的科学家和工程师之间的更大合作,继续开发和扩展电磁生物学领域,改变了如何考虑微生物代谢,监测,甚至操纵。

个人反应

电化学技术能取代诸如测量微生物细胞培养物光密度的标准方法吗?

在该技术的这种阶段,我们有兴趣提供额外的信息来填补传统分析之间的间隙或检测传统采样间隔之间的突然意外变化。随着该技术的成熟,它可能很好地取代了传统技术。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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