文/ J?rg Kempf 博士

生物技術(shù)的智能制造——位于斯圖加特的初創(chuàng)公司Variolytics 開發(fā)了一個功能強(qiáng)大的分析平臺，不僅為污水處理系統(tǒng)節(jié)省能源，還可以減少對環(huán)境有害的氣體的排放。此外，在該平臺的幫助下，藥物開發(fā)也會更加迅速。

質(zhì)譜儀在工業(yè)中用于確定物質(zhì)的組成以及監(jiān)測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，但目前為止，質(zhì)譜儀僅在氣體物質(zhì)上得到了應(yīng)用。斯圖加特初創(chuàng)公司Variolytics 常務(wù)董事Matthias Stier 博士提出了開發(fā)一種首創(chuàng)的專利進(jìn)氣系統(tǒng)的想法，該系統(tǒng)可以實(shí)時地在氣相和液相中，同時對多達(dá)30 種不同的物質(zhì)或成分進(jìn)行分析。

由Variolytics 在弗勞恩霍夫界面技術(shù)和生物工程研究所（IGB）研發(fā)的方法，為生物技術(shù)和藥劑學(xué)化學(xué)反應(yīng)以及生物技術(shù)過程的自動化監(jiān)測提供了新的可能性。第一批用戶是污水處理系統(tǒng)運(yùn)營商，在污水處理系統(tǒng)的生物凈化階段，雜質(zhì)可以在微生物的幫助下進(jìn)行生物降解。

Variolytics 開發(fā)的新型分析平臺可用于污水處理系統(tǒng)的生物凈化階段，既可以監(jiān)測曝氣池內(nèi)對環(huán)境有害的氣體，還有助于減少這些氣體的產(chǎn)生

細(xì)菌的培養(yǎng)需要適宜的氧氣環(huán)境。如果向曝氣池中供應(yīng)的氧氣太少，細(xì)菌就會死亡；反之則會導(dǎo)致能源成本增加，而產(chǎn)量卻沒有提升。需要注意的是，廢水處理系統(tǒng)會在曝氣池內(nèi)產(chǎn)生對環(huán)境有害的氣體，如甲烷和笑氣（即N2O）。而這是使用分析平臺的理想條件。Matthias Stier 說道：“在污水處理廠中，分析平臺可以監(jiān)測曝氣池中對氣候有害的氣體，并有助于減少這些氣體的產(chǎn)生。運(yùn)營者可以節(jié)省多達(dá)25%的能源。因?yàn)橐詼y量值和特殊控制策略為基礎(chǔ)來處理氣體，可以不斷優(yōu)化廢水中有機(jī)物的微生物降解過程。”

Variolytics 正在與萊茵蘭-普法爾茨州Hahnst?tten 的Aquatune公司合作。該公司常務(wù)董事J?rg Gebhardt 博士是水和廢水處理智能優(yōu)化方面的專家，也是機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的先驅(qū)，他對Matthias Stier 團(tuán)隊(duì)的成功（即對曝氣池中的氣體進(jìn)行預(yù)處理及優(yōu)化）印象深刻。于是，他決定以天使投資人的身份來支持這家初創(chuàng)公司。

生物反應(yīng)器的關(guān)鍵技術(shù)

Variolytics 在污水處理系統(tǒng)方面基于相同的硬件組件和不同的軟件，計(jì)劃盡快為生物反應(yīng)器提供一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。制藥公司可以從中受益，他們可以在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)細(xì)胞或微生物，以獲得活性物質(zhì)。例如，為了獲得對Covid-19 有效的藥物或疫苗，需要在發(fā)酵罐中培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞，這需要穩(wěn)定和理想的條件。

與污水處理系統(tǒng)相反，在生物反應(yīng)器中，必須在遵循藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）的前提下，對諸多不同的過程參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，以此進(jìn)行藥物活性成分的研發(fā)。這意味著所用的任何傳感器都不得對其過程構(gòu)成污染風(fēng)險。為了生產(chǎn)抗體藥物，現(xiàn)代精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)需要更小的反應(yīng)器，且通常裝有一次性系統(tǒng)。在造價方面，單個傳感器的使用可能會變得不劃算。Variolytics 對此進(jìn)行過計(jì)算，由于此原因，40%的必要參數(shù)沒有被記錄下來，從而導(dǎo)致多達(dá)50%的產(chǎn)能損失。

Matthias Stier 解釋道：“在這種情況下，不能將常規(guī)的控制策略作為對策。由于缺乏傳感器數(shù)據(jù)，生物反應(yīng)器最終將在低細(xì)胞密度和高死亡率的情況下運(yùn)行。為此，我們將更換5 個傳感器并提供6 個新的工藝參數(shù)。如此一來，用戶將獲得更多數(shù)據(jù)并且還節(jié)省了資金。”這樣，在加快昂貴的抗體藥物生產(chǎn)速度的同時還能降低生產(chǎn)成本，可以將新開發(fā)的藥物用于更多的患者身上。生產(chǎn)讓患者用上負(fù)擔(dān)得起的藥物才是制藥公司的初心。

易操作的分析儀

Variolytics 開發(fā)的生物反應(yīng)器分析儀有著簡單易操作的特性。首次采用的邊緣長約半米的立方體盒子的核心部件便是分析儀單元的進(jìn)樣口，不僅可用于質(zhì)譜分析，還可以分析液相中的成分。將微孔膜附接到進(jìn)樣口，在負(fù)壓的驅(qū)動下，揮發(fā)性物質(zhì)從液體樣品中蒸發(fā)并穿過該膜。除了分析儀的創(chuàng)新硬件外，Variolytics還將傳感器組合設(shè)計(jì)成了一個以智能手機(jī)為模型的全面平臺技術(shù)。

Matthias Stier 說道：“傳感器雖然多種多樣，但決定其功能的是應(yīng)用程序。我們需要將生命科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)相結(jié)合，因?yàn)橹挥幸匀斯ぶ悄芗夹g(shù)進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)建模才能更好地使用我們生成的大量傳感器數(shù)據(jù)。我們的目標(biāo)是生物技術(shù)的智能制造！”