Multiscale modeling: A mathematical-based tool for bioprocess design, control and scale up/down
تقدم هذه الورقة أداة نمذجة رياضية متعددة المقاييس تربط بين الهيدروديناميكا المعتمدة على الحجيرات في المفاعلات الحيوية على المقياس الكلي، وبين النماذج الأيضية الحركية على المقياس الدقيق، لمحاكاة التفاعلات الديناميكية ثنائية الاتجاه بين التدرجات البيئية والاستجابات الخلوية، مما يؤدي إلى تحسين تصميم العمليات الحيوية والتحكم فيها وتوسيع نطاقها.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
داخل خزان صناعي ضخم، تحاول كائنة وحيدة الخلية القيام بوظيفتها. إنها مصنع صغير، تستهلك السكر وتحوله إلى شيء مفيد، لكنها لا تعيش في عالم مثالي ومتجانس. في العالم الحقيقي للمفاعل الحيوي الكبير، تكون البيئة فوضوية؛ فالأجزاء السائلة لا تختلط فوراً، حيث توجد جيوب ذات تركيز عالٍ من السكر بجانب جيوب ذات تركيز منخفض. كما تتقلب مستويات الأكسجين مع دوران السائل. لعقود من الزمن، حاول العلماء التنبؤ بكيفية سلوك هذه الميكروبات من خلال افتراض أن الخزان عبارة عن حساء متجانس تماماً، حيث يرى كل خلية نفس الظروف بالضبط. لكن هذا الافتراض غالباً ما يفشل. فعندما تتعرض ميكروبة فجأة لفيضان من السكر في زاوية واحدة من خزان ضخم، فإنها تتفاعل بشكل مختلف عما لو كانت في وعاء مخبري صغير ومختلط تماماً. إن فهم هذه الفجوة بين المختبر الصغير والمصنع العملاق هو المفتاح لجعل العمليات الحيوية أكثر كفاءة، وأقل تكلفة، وأكثر موثوقية.
هذا هو التحدي الذي يتصدى له فريق من الباحثين من جامعة كولومبيا الوطنية. لقد شرعوا في بناء أداة رياضية يمكنها الرؤية داخل العالم غير المرئي لمفاعل حيوي كبير، وربط حركة السائل بالكيمياء الداخلية للخلايا. وبدلاً من معاملة الخزان ككتلة واحدة متجانسة، قاموا بتقسيمه إلى أقسام أصغر، مثل شبكة من الغرف الصغيرة، لتتبع كيفية انتقال السكر والأكسجين عبر السائل. ثم ربطوا هذه الخريطة للخزان بنموذج مفصل للخلية نفسها. سمح لهم ذلك بمحاكاة ما يحدث عندما يتم ضخ نبضة من السكر في النظام، ومراقبة كيف يحمل السائل ذلك السكر إلى أجزاء مختلفة من الخزان وكيف تتفاعل الخلايا في تلك المواقع تحديداً في الوقت الفعلي.
ركز الباحثون على مفاعل حيوي صناعي بسعة 22 متراً مكعباً، وهو وعاء يتسع لحمام سباحة صغير. قاموا بمحاكاة سيناريو يتم فيه حقن تيار مركز من الجلوكوز، وهو نوع من السكر، في الخزان. في مفاعل مختبري صغير، ينتشر هذا السكر بشكل شبه فوري، ويحصل كل خلية على جرعة صغيرة ومتساوية. أما في محاكاتهم للخزان الكبير، فقد كانت القصة مختلفة تماماً. ولأن السائل يستغر وقتاً ليختلط — أحياناً ما يصل إلى ثلاث دقائق تقريباً ليصبح متجانساً — فقد خلق السكر موجة مؤقتة. فالخلايا القريبة من نقطة الحقن وجدت نفسها فجأة تسبح في بحر من السكر، بينما لم تشهد الخلايا في الطرف البعيد من الخزان أي شيء تقريباً. كان الوقت الذي استغرقه انتشار السكر أسرع من الوقت الذي استغرقته الخلايا لامتصاصه، مما أدى إلى بيئة فوضوية حيث تلهث بعض الخلايا في التهام السكر بينما تتضور أخرى جوعاً.
اكتشف الفريق أن مكان وضع السكر يمثل أهمية قصوى. فعندما قاموا بمحاكاة إضافة السكر في الجزء العلوي من الخزان، وهو ممارسة شائعة في الصناعة، استغرق الخلط أطول وقت ممكن. واجهت الخلايا في الأعلى طفرة هائلة في السكر، حيث ارتفعت مستويات السكر الداخلية لديها إلى أكثر من مائة ضعف مستواها الطبيعي في غض_ون ثوانٍ معدودة. وفي الوقت نفسه، شهدت الخلايا في أسفل الخزان تغيراً طفيفاً جداً. خلق هذا وضعاً لم يكن فيه المستنبت بأكمله يعمل كوحدة واحدة، بل كمجموعة من المجموعات المختلفة، لكل منها كيمياؤها الداخلية الخاصة. اضطر الخلايا في الأعلى إلى تعديل آلاتهم الداخلية للتعامل مع الفيضان المفاجئ، بينما استمرت الخلايا في الأسفل وكأن شيئاً لم يكن. ووجد الباحثون أن عدم التوازن هذا يمكن أن يؤدي إلى مستنبت أقل كفاءة وأقل إنتاجاً للمنتج المطلوب.
ولاختبار ما إذا كان بإمكانهم إصلاح ذلك، أجرى الفريق عمليات محاكاة بإعدادات مختلفة. وجدوا أن مجرد زيادة سرعة دوران شفرات الخلط يساعد؛ فعندما زادوا سرعة التحريك، انتشر السكر بسرعة أكبر، مما أدى إلى تخفيف حدة الارتفاعات والانخفاضات الخطيرة. ومع ذلك، جاء هذا بتكلفة؛ فلتحريك سرعة الخلط من 60 دورة في الدقيقة (بطيئة) إلى 240 دورة في الدقيقة (سريعة)، ستكون الطاقة المطلة لتشغيل الآلة قد قفزت بمقدار أربعة وستين ضعفاً. هذه زيادة هائلة في التكلفة، مما يشير إلى أنه بينما يحل الخلط السريع المشكلة البيولوجية، فإنه قد لا يكون الحل الأكثر جدوى اقتصادياً للمصنع.
كما بحثت الدراسة في كيفية استجابة الخلايا داخلياً. قام الباحثون بنمذجة الشبكة المعقدة من التفاعلات داخل خلايا الخميرة، وتتبع كيفية تخزينها واستخدامها للسكر. ووجدوا أن الخلايا القريبة من نقطة حقن السكر بنت احتياطيات ضخمة من السكر الداخلي، أكثر بكثير مما يمكنها استخدامه فوراً. كان هذا التراكم الداخلي نتيجة مباشرة لكون البيئة الخارجية غنية جداً بحيث لا تستطيع الخلايا التعامل معها بسرعة. في المقابل، تمكنت الخلايا في المناطق التي اختلط فيها السكر بالفعل من الحفاظ على وتيرة ثابتة وهادئة. أظهرت المحاكاة أن هذه البيئات المختلفة يمكن أن تدفع الخلايا إلى حالات أيضية مختلفة، مما يخلق فعلياً "شخصيات" مختلفة داخل نفس الخزان.
في النهاية، يوضح هذا العمل أن الطريقة القديمة في التفكير في المفاعلات الحيوية كحاويات مختلطة تماماً هي طريقة غير كافية للعمليات واسعة النطاق. لقد أظهر الباحثون أن الوقت الذي يستغرقه السائل للاختلط والوقت الذي تستغرقه الخلايا للتفاعل هما قوتان متنافستان. فعندما يتحرك السائل ببطء، فإنه يخلق تدرجات تجبر الخلايا على التصرف بشكل مختلف اعتماداً على موقعها. ومن خلال استخدام أداتهم الجديدة لرسم خرائط هذه التفاعلات، يمكن للمهندسين الآن رؤية أين تحدث هذه المشكلات بالضبط. يمكنهم اختبار تصميمات مختلفة، مثل نقل نقطة حقن السكر إلى منتصف الخزان، وهو ما أظهرت المحاكاة أنه سيخلق ظروفاً أكثر اعتدالاً للخلايا. يقدم هذا النهج طريقة لتصميم مفاعلات حيوية أفضل والتحكم فيها بدقة أكبر، مما يضمن أن كل خلية في الخزان، من الأعلى إلى الأسفل، تعمل في تناغم بدلاً من الصراع ضد بيئة فوضوية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.