Organigramme des stratégies potentielles de biotraitement. Les cases en pointillés regroupent les principaux sous-processus de traitement de la biomasse, d’extraction des protéines et de stockage des produits. Les cases pleines donnent les étapes individuelles avec des listes à puces des méthodes courantes pour terminer l’étape. Les flèches alphabétiques (a, b, c, d, e) donnent des exemples de flux de travail possibles pour le traitement des cellules d’E. coli exprimant l’anhydrase carbonique recombinante. Crédit: npj Microgravité (2023). DOI : 10.1038/s41526-023-00324-w
La biofabrication basée dans l’espace peut améliorer la durabilité de l’exploration de l’espace lointain. Des systèmes de biotraitement doivent être développés pour faire progresser la biofabrication destinée aux applications spatiales. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans npj Microgravité, Mathangi Soundararajan et une équipe de scientifiques en bioingénierie et en biosciences spatiales du NASA Ames Research Center, en Californie, ont développé des technologies commerciales pour concevoir des systèmes de biotraitement spatial qui alimentent un épurateur de dioxyde de carbone à base d’amine liquide avec de l’anhydrase carbonique active recombinante. Les flux de travail de conception englobaient une biomasse de 1 L de cultures d’Escherichia coli utilisant la purification de protéines recombinantes.
L’équipe a décrit trois modèles qui différaient dans les approches de déshydratation de la biomasse et de purification des protéines. Les valeurs de la métrique de complexité du système, du niveau de préparation technologique et du niveau de préparation à l’intégration ont identifié une conception de système de bioprocédés qui minimisait la complexité et permettait la polyvalence.
Technologie de captage du carbone pour les missions spatiales
L’épuration aux amines liquides fournit une technologie mature de capture du carbone post-combinaison sur Terre comme approche prometteuse pour éliminer le CO2 produits lors de missions spatiales avec équipage. L’épurateur thermique aux amines de la Station spatiale internationale constitue l’une des trois méthodes candidates pour éliminer le CO2 et fonctionner dans l’espace. Dans ses mécanismes d’action, l’air de l’habitacle avec des niveaux élevés de CO2 passe à travers une amine liquide organique, qui absorbe le carbamate ou le bicarbonate, selon le solvant.
Les missions spatiales de longue durée à proximité de la Terre nécessitent un approvisionnement temporel en anhydrase carbonique qui peut être satisfait par un réapprovisionnement et un stockage à long terme. Cette option n’est cependant pas viable pour les missions spatiales sur Mars. Alors que les systèmes de biofabrication spatiale peuvent produire des enzymes et d’autres matériaux biologiques lors des missions spatiales sur Mars, les systèmes spatiaux doivent minimiser les coûts, y compris le temps de l’équipage, tout en facilitant la sécurité des astronautes pour faire face aux effets de l’augmentation des radiations et de la réduction de la gravité.
Conceptions de systèmes de biotraitement intégrant des méthodes sélectionnées de déshydratation, de lyse et de purification. (a) Schémas de conception avec les composants suivants : pompe péristaltique (1), vanne à manchon (2), réservoir de biomasse (3), cartouche de centrifugeuse (4), réservoir de milieux usés (5), batteur de billes jetable (6), résine d’affinité réservoir (7), réservoir de déchets (8), tampon de lavage (9), tampon d’élution (10), réservoir de produit (11), filtre à flux tangentiel (12), colonne de lysat brut (13), chambre de lysat brut (14), cartouche de purification par affinité (15), membrane d’affinité (16), rouleaux (17). Les flèches jaunes indiquent les étapes assistées par l’équipage. b Organigramme comparant les conceptions de bioprocédés. Les cases jaunes indiquent les opérations qui nécessitent l’assistance de l’équipage pour lancer ou terminer l’opération. Crédit: npj Microgravité (2023). DOI : 10.1038/s41526-023-00324-w
Méthodes de biofabrication dans l’espace
Les recherches sur les méthodes de biofabrication spatiale précédentes se sont concentrées sur la conception de missions à grande échelle et la cinétique de croissance microbienne, ainsi que sur la conception de bioréacteurs. Dans ce nouveau travail, Soundararajan et l’équipe ont comparé les méthodes commerciales et les conceptions potentielles de biofabrication dans l’espace.
L’équipe a développé un scénario opérationnel pour les biotraitements post-croissance afin de produire de l’anhydrase carbonique recombinante à partir d’E. coli lors d’une mission sur Mars. L’équipe a comparé qualitativement plusieurs variables et étapes assistées par l’équipage pour guider les futurs efforts de développement de prototypes.
L’équipe a examiné cinq flux de travail potentiels de biotraitement à partir de la croissance et de la production cellulaires communes. Chaque flux de travail comprenait des sous-processus de traitement de la biomasse, d’extraction et de stockage des protéines. Ils ont subdivisé le traitement de la biomasse en étapes de déshydratation et de séchage comme principales options.
Les méthodes permettaient la production de protéines recombinantes intracellulaires et nécessitaient un sous-processus d’extraction de protéines, qui comprenait la lyse cellulaire, la purification des protéines et l’échange de tampon ou le dessalage pour que le produit protéique final soit stocké sous forme de biomasse ou de produit purifié. Soundararajan et ses collègues ont fourni de l’anhydrase carbonique purifiée selon un cycle de six à huit jours pour produire des protéines recombinantes dans des applications terrestres.
Transformation de la biomasse et extraction de protéines
Étant donné que la déshydratation des cultures réduisait considérablement les volumes de traitement pour les sous-processus d’extraction des protéines ou de stockage de la biomasse, les scientifiques pouvaient également réaliser l’extraction des protéines sans étape de déshydratation. L’équipe a observé l’impact de la déshydratation sur la lyse cellulaire et la purification des protéines dans le cadre du projet. L’étape de déshydratation a facilité les méthodes à flux continu en tant qu’options dans les conceptions de bioprocédés. Les modèles d’analyse de masse du système équivalent pour la lyse ont supprimé le processus de sonication en raison des nécessités expérimentales de puissance et de refroidissement élevées. Au cours des expériences de purification des protéines, l’équipe a comparé cinq méthodes commerciales de purification par affinité.
Ils ont ensuite développé des conceptions intégrées de systèmes de bioprocédés avec une logique de réduction des ressources et des risques pour sélectionner des étapes et des méthodes spécifiques. Ils ont réduit les méthodes de stockage de la biomasse, de stockage des produits et les étapes de séchage. L’équipe a utilisé un système de centrifugation à contre-courant pour assécher la biomasse, lyser les cellules et purifier la protéine avec une méthode de résine par lots dans laquelle elle a régulé le flux de matière par une pompe péristaltique pour finalement transférer le lysat dans un réservoir de résine d’affinité pour la liaison des protéines. L’équipe de recherche a élué la protéine liée de la résine pour la séparation centrifuge et la collecte dans un réservoir de production. Ils ont ensuite conçu deux autres variantes de bioprocédés pour le péristaltisme, la déshydratation et la lyse et ont comparé les unités pour en déterminer la fonctionnalité optimale.
Paramètres de conception pour les trois conceptions de bioprocédés intégrés. Crédit: npj Microgravité (2023). DOI : 10.1038/s41526-023-00324-w
Analyse comparative des conceptions
Chaque conception intégrait différentes méthodes pour obtenir le même résultat de biotraitement. La métrique de complexité du système a estimé la complexité des systèmes de survie en ajoutant les composants et les interconnexions proposées d’une conception spécifique pour comparer le CO2 systèmes de suppression.
Les mesures plus grandes étaient plus applicables aux systèmes plus complexes. L’équipe a inclus les principaux composants et interconnexions pour calculer la complexité du système pour trois conceptions. Les trois conceptions contenaient chacune deux interfaces de sous-systèmes : une lyse par déshydratation et une purification des protéines par lyse.
Perspectives
De cette manière, Soundararajan et ses collègues ont amélioré l’efficacité de l’amine liquide CO2 systèmes de capture en utilisant l’anhydrase carbonique, une technologie candidate pour les missions dans l’espace lointain. Le système d’amine liquide assisté par des enzymes nécessitait un approvisionnement constant en anhydrase carbonique pour un stockage à long terme dans des conditions de stockage à basse température.
Au cours de l’étude, l’équipe a étudié plusieurs approches pour classer les technologies utilisées pour concevoir des systèmes intégrés destinés aux missions spatiales. Le projet NASA Space Synthetic Biology repose sur le développement d’un prototype de système de bioprocédés. Le flux de travail en cours devrait identifier et intégrer des méthodes permettant une traduction efficace et une efficacité améliorée pour les efforts de biofabrication industrielle sur Terre également.
Plus d’information:
Mathangi Soundararajan et al, Conception théorique d’un système de biotraitement spatial pour produire des protéines recombinantes, npj Microgravité (2023). DOI : 10.1038/s41526-023-00324-w
© 2023 Réseau Science X
Citation: Conception d’un système de bioprocédés spatiaux pour produire des protéines recombinantes (7 novembre 2023) récupéré le 7 novembre 2023 sur
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