Multiscale modeling: A mathematical-based tool for bioprocess design, control and scale up/down
Questo articolo presenta uno strumento di modellazione matematica multiscala che accoppia l'idrodinamica del bioreattore su scala macroscopica basata su compartimenti con modelli metabolici cinetici su scala microscopica per simulare le interazioni dinamiche bidirezionali tra i gradienti ambientali e le risposte cellulari, migliorando così la progettazione, il controllo e lo scale-up dei processi biologici.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
All'interno di un enorme serbatoio industriale, un organismo unicellulare sta cercando di svolgere il proprio lavoro. È una minuscola fabbrica, che consuma zucchero e lo trasforma in qualcosa di utile, ma non vive in un mondo perfetto e uniforme. Nel mondo reale di un grande bioreattore, l'ambiente è disordinato. Il liquido non si mescola istantaneamente; sacche di alta concentrazione di zucchero si trovano accanto a sacche di bassa concentrazione. I livelli di ossigeno fluttuano mentre il liquido si agita. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di prevedere come si comportano questi microbi assumendo che il serbatoio sia una zuppa perfettamente miscelata, dove ogni cellula vede esattamente le stesse condizioni. Ma questa ipotesi spesso fallisce. Quando un microbo viene improvvisamente inondato di zucchero in un angolo di un enorme serbatoio, reagisce diversamente rispetto a quanto farebbe in un piccolo becher da laboratorio perfettamente agitato. Comprendere questo divario tra il piccolo laboratorio e la grande fabbrica è la chiave per rendere i processi biologici più efficienti, economici e affidabili.
Questa è la sfida affrontata da un team di ricercatori della Universidad Nacional de Colombia. Si sono posti l'obiettivo di costruire uno strumento matematico che potesse guardare dentro il mondo invisibile di un grande bioreattore, collegando il movimento del liquido alla chimica interna delle cellule. Invece di trattare il serbatoio come un unico ammasso uniforme, lo hanno suddiviso in molte sezioni più piccole, come una griglia di minuscole stanze, per tracciare come lo zucchero e l'ossigeno si muovono attraverso il liquido. Hanno poi collegato questa mappa del serbatoio a un modello dettagliato della cellula stessa. Ciò ha permesso loro di simulare cosa accade quando un impulso di zucchero viene versato nel sistema, osservando come il liquido trasporti quello zucchero in diverse parti del serbatoio e come le cellule in quei punti specifici reagiscano in tempo reale.
I ricercatori si sono concentrati su un bioreattore industriale da 22 metri cubi, un recipiente abbastanza grande da contenere una piccola piscina. Hanno simulato uno scenario in cui un flusso concentrato di glucosio, un tipo di zucchero, veniva iniettato nel serbatoio. In un piccolo reattore da laboratorio, questo zucchero si diffonderebbe quasi istantaneamente e ogni cellula riceverebbe una dose minuscola e uniforme. Nella loro simulazione del grande serbatoio, la storia era molto diversa. Poiché il liquido impiega tempo per mescolarsi — a volte quasi tre minuti per diventare uniforme — lo zucchero ha creato un'onda temporanea. Le cellule vicino al punto di iniezione si sono improvvisamente ritrovate a nuotare in un mare di zucchero, mentre le cellule all'estremità opposta del serbatoio non hanno visto quasi nulla. Il tempo impiegato affinché lo zucchero si disperdesse è stato più veloce del tempo necessario alle cellule per mangiarlo, portando a un ambiente caotico in cui alcune cellule si sono abbuffate mentre altre sono morte di fame.
Il team ha scoperto che il luogo in cui si inserisce lo zucchero conta enormemente. Quando hanno simulato l'aggiunta dello zucchero nella parte superiore del serbatoio, una pratica comune nell'industria, la miscelazione ha richiesto il tempo più lungo. Le cellule nella parte superiore hanno sperimentato un picco massiccio di zucchero, con i loro livelli interni di zucchero che sono saliti a più di cento volte il loro normale valore in pochi secondi. Nel frattempo, le cellule nella parte inferiore del serbatoio hanno visto un cambiamento molto più piccolo. Questo ha creato una situazione in cui l'intera coltura non agiva come un'unica unità, ma come una collezione di diversi gruppi, ciascuno con la propria chimica interna. Le cellule nella parte superiore sono state costrette ad adattare il proprio macchinario interno per gestire un'inondazione improvvisa, mentre le cellule nella parte inferiore hanno continuato come se nulla fosse accaduto. Questa irregolarità, come hanno scoperto i ricercatori, può portare a una coltura meno efficiente e che produce meno del prodotto desiderato.
Per testare se potevano risolvere il problema, il team ha eseguito simulazioni con diverse impostazioni. Hanno scoperto che semplicemente facendo girare le pale miscelatrici più velocemente, la situazione migliorava. Quando hanno aumentato la velocità di agitazione, lo zucchero si è diffuso più rapidamente, smorzando i pericolosi picchi e cali. Tuttavia, questo comportava un costo. Per spostare la velocità di miscelazione da una lenta di 60 rotazioni al minuto a una veloce di 240 rotazioni al minuto, l'energia necessaria per alimentare la macchina sarebbe dovuta aumentare di un fattore di sessantaquattro. Questo è un aumento massiccio dei costi, suggerendo che, sebbene una miscelazione più veloce risolva il problema biologico, potrebbe non essere la soluzione più economica per una fabbrica.
Lo studio ha anche esaminato come le cellule rispondessero internamente. I ricercatori hanno modellato la complessa rete di reazioni all'interno delle cellule di lievito, tracciando come immagazzinavano e utilizzavano lo zucchero. Hanno scoperto che le cellule vicino al punto di iniezione dello zucchero accumulavano enormi riserve di zucchero interno, molto più di quanto potessero utilizzare immediatamente. Questo accumulo interno era una conseguenza diretta del fatto che l'ambiente esterno era troppo ricco per essere gestito rapidamente dalle cellule. Al contrario, le cellule nelle aree in cui lo zucchero si era già miscelato sono state in grado di mantenere un ritmo costante e calmo. La simulazione ha mostrato che questi diversi ambienti potevano spingere le cellule verso diversi stati metabolici, creando di fatto diverse "personalità" all'interno dello stesso serbatoio.
In definitiva, il lavoro dimostra che il vecchio modo di pensare ai bioreattori come contenitori perfettamente miscelati è insufficiente per le operazioni su larga scala. I ricercatori hanno mostrato che il tempo necessario affinché il liquido si misceli e il tempo necessario affinché le cellule reagiscano sono due forze in competizione. Quando il liquido si muove lentamente, crea gradienti che costringono le cellule a comportarsi diversamente a seconda della loro posizione. Utilizzando il loro nuovo strumento per mappare queste interazioni, gli ingegneri possono ora vedere esattamente dove si verificano questi problemi. Possono testare diversi design, come spostare il punto di iniezione dello zucchero al centro del serbatoio, il che, secondo le simulazioni, creerebbe condizioni molto più miti per le cellule. Questo approccio offre un modo per progettare migliori bioreattori e controllarli con maggiore precisione, assicurando che ogni cella nel serbatoio, dalla cima al fondo, lavori in armonia invece di lottare contro un ambiente caotico.
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