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Bioprocédés
Découvrez comment la métabolomique peut renforcer l'efficacité du flux de travail des bioprocédés et améliorer la qualité des produits.
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Ressources sur les bioprocédés
La métabolomique dans les bioprocédés
Les bioprocédés exploitent la puissance des cellules vivantes pour créer une large gamme de produits, des produits biopharmaceutiques aux carburants durables et biodégradables, en passant par les produits de soins personnels, etc. Les cellules étant au cœur des bioprocédés, il est essentiel de les optimiser. Cependant, les méthodes traditionnelles de contrôle de ces usines cellulaires reposent souvent sur des indicateurs indirects (croissance cellulaire, viabilité) qui ne permettent pas d'obtenir une image claire de ce qui se passe à l'intérieur de la cellule et qui influe sur le rendement. Par conséquent, l'ingénierie d'un système biologique robuste et reproductible pour le biotraitement reste un défi.
En s'appuyant sur la métabolomique, les scientifiques peuvent relever ces défis en identifiant les changements subtils dans les cellules et les milieux de croissance qui indiquent un stress, des limitations en nutriments, des sous-produits toxiques ou les premiers stades d'une contamination. Grâce à ces informations en temps réel, les chercheurs peuvent intervenir rapidement pour résoudre les problèmes et affiner le flux de travail des bioprocédés, ce qui permet d'obtenir des flux de travail plus efficaces et des produits de meilleure qualité.
Découvrir des informations fonctionnelles et exploitables grâce à la métabolomique
L'optimisation des pipelines de biotraitement reste un défi important.Metabolon peut aider les chercheurs à mettre en œuvre des stratégies d'optimisation améliorées grâce à l'analyse métabolomique.En utilisant des panels métabolomiques globaux et ciblés, les chercheurs peuvent suivre les changements cruciaux dans les cellules et les milieux de croissance en temps réel, ce qui facilite une intervention précoce et assure des flux de travail plus efficaces.
Comprendre l'impact des nutriments sur le métabolisme cellulaire
La métabolomique peut aider les chercheurs à comprendre les besoins en nutriments des cellules et à développer des milieux améliorés pour une croissance et une production optimales. Dans une étude publiée dans Applied and Industrial Microbiology, les chercheurs ont utilisé la transcriptomique et la métabolomique pour étudier l'impact de différentes sources de nutriments sur le méthanotrophe Methylomicrobium album BG8. Les méthanotrophes étant une plateforme microbienne attrayante pour la conversion de matières premières alternatives en produits de valeur, ce travail contribue de manière importante au développement de plateformes de biotraitement encore plus durables. Les résultats ont mis en évidence plusieurs réponses métaboliques spécifiques au méthanol et à l'ammonium en tant que sources de carbone et d'azote, respectivement, et constituent un point de départ précieux pour des recherches supplémentaires sur l'optimisation des méthanotrophes en vue d'une utilisation dans le domaine des bioprocédés.
Sugden S, Lazic M, Sauvageau D, et al. Transcriptomic and Metabolomic Responses to Carbon and Nitrogen Sources in Methylomicrobium album BG8. Appl Environ Microbiol. 2021;87(13):e0038521. doi : 10.1128/AEM.00385-21.
Optimisation des lignées cellulaires à haut rendement
La métabolomique peut fournir des informations essentielles pour évaluer et optimiser la capacité de production des lignées cellulaires. Dans une étude publiée dans le Journal of Bioscience and Engineering, les chercheurs ont développé une lignée cellulaire CHO résistante à l'hyperosmose pour la production d'anticorps monoclonaux à haut rendement en utilisant l'alimentation en bolus, qui est une plateforme plus simple que l'alimentation par lots mais qui augmente l'osmolalité à des niveaux nocifs pour les cellules. En utilisant la métabolomique, ils ont montré que leur nouvelle lignée cellulaire générait préférentiellement des osmolytes comme le sorbitol et l'érythritol, ce qui suggère que ces cellules sont mieux à même de gérer le stress osmotique. Ces résultats concordent avec d'autres mesures de la croissance cellulaire et démontrent que la métabolomique peut jouer un rôle important dans la caractérisation de lignées cellulaires optimisées.
Kamachi Y et Omasa T. Development of hyper osmotic resistant CHO host cells for enhanced antibody production. J Biosci Bioeng. 2018;125(4):470-478. doi : 10.1016/j.jbiosc.2017.11.002
Comprendre et exploiter l'impact de la mise à l'échelle sur le métabolisme cellulaire
La métabolomique peut contribuer à la mise à l'échelle des processus de fermentation à petite échelle vers la production industrielle, une étape critique pour le transfert de technologie et la commercialisation. L'optimisation de la distribution des substrats et de l'oxygène lors du passage d'une fermentation à petite échelle à une fermentation à grande échelle est essentielle pour garantir une production constante et de qualité. Dans une étude publiée dans Microbial Cell Factories, des chercheurs ont effectué une analyse en temps réel de l'exométabolome de cultures de S. cerevisiae dans des bioréacteurs soumis à des différences d'oxygène dissous, de points de consigne de pression et de diluants ajoutés au cours d'une mise à l'échelle réussie. Cette approche a révélé des changements métaboliques et physiologiques critiques en réponse à l'hypoxie induite par la mise à l'échelle et a démontré que les hétérogénéités dans la distribution de l'oxygène et des nutriments dans le bioréacteur sont des considérations critiques lors de la mise à l'échelle du processus.
Fu Z, Verderame TD, Leighton JM et al. Exometabolome analysis reveals hypoxia at the up-scaling of a Saccharomyces cerevisiae high-cell density fed-batch biopharmaceutical process (Analyse de l'exométabolome révélant l'hypoxie lors de l'augmentation d'échelle d'un procédé biopharmaceutique à haute densité cellulaire de Saccharomyces cerevisiae). Microb Cell Fact. 2014;13(1):32. doi : 10.1186/1475-2859-13-32
Applications de la métabolomique pour les bioprocédés
- ECaractérisation de la lignée cellulaire
- EÉlaborer des stratégies en matière de médias et d'alimentation
- ERéduire la variabilité
- EAméliorer la qualité des produits
- EÉvaluer le passage à l'échelle
- EAffiner les conditions de croissance
- EPrévoir la performance des lignées cellulaires
- EPrévoir la qualité des produits
- EAméliorer la surveillance des processus
"Les méthodes permettant une compréhension approfondie du métabolisme des cellules CHO pendant la culture sont essentielles pour un meilleur contrôle de la production de médicaments recombinants. Une connaissance limitée de l'état physiologique de la culture cellulaire pourrait être complétée par l'analyse métabolomique, qui est capable d'identifier jusqu'à des centaines de métabolites intracellulaires différents."
Vodopivec M, Lah L, Narat M. et al.
Metabolomic profiling of CHO fed-batch growth phases at 10, 100, and 1,000 L. Biotechnol Bioeng. 2019;116(10):2720-2729. doi : 10.1002/bit.27087
Comprendre la physiologie des cultures cellulaires grâce à la métabolomique
Le contrôle des bioprocédés repose en grande partie sur des méthodes qui, bien que fiables pour contrôler les performances des procédés, ne permettent pas de connaître les états physiologiques des cultures cellulaires. La compréhension de la physiologie cellulaire à toutes les échelles du bioréacteur, du plus petit au plus grand, est essentielle pour optimiser le développement des bioprocédés. L'analyse métabolomique, qui peut identifier des centaines voire des milliers de métabolites à partir d'un seul échantillon, est un outil puissant pour comprendre la physiologie des cultures cellulaires utilisées dans les bioprocédés. Des études ont utilisé la métabolomique pour caractériser les différences entre les clones à faible production et les clones à forte production, décrire le métabolisme cellulaire pendant le fed-batch, étudier l'impact des changements de température sur la glycosylation des anticorps et identifier les causes des différences de performance des processus à différentes échelles de bioréacteurs.
Figure 1. ACP des mesures du métabolome intracellulaire. Chaque point tracé représente un métabolome et est étiqueté avec le jour de la culture.
Par exemple, Vodopivec M, Lah L, Narat M. et al.ont conçu une étude visant à évaluer l'utilité de la métabolomique pour le suivi de la culture en fed-batch de cellules CHO à différentes échelles de bioréacteurs (10L, 100L et 1 000L). En utilisant le Global Discovery Panel Metabolon, les chercheurs ont identifié quatre groupes de métabolites distincts correspondant à la phase de culture en fed-batch, et ces groupes étaient cohérents entre les différentes échelles de bioréacteurs, indépendamment de la variabilité des densités de cellules viables. Ces travaux ont constitué une première étape intéressante pour démontrer l'utilité de la métabolomique comme moyen de comprendre la physiologie de la culture cellulaire dans les bioprocédés, et ont permis d'identifier plusieurs domaines d'amélioration importants pour les études futures.
Vodopivec M, Lah L, Narat M. et al. Metabolomic profiling of CHO fed-batch growth phases at 10, 100, and 1,000 L. Biotechnol Bioeng. 2019;116(10):2720-2729. doi : 10.1002/bit.27087
Publications et citations sur les bioprocédés
Metabolon a largement contribué à des publications allant de la recherche fondamentale aux essais cliniques.
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