Thermo Fisher Scientific supports Amyris to optimize the bioproduction of sustainable squalane

Význam tématu

Squalane je vyhledávaná složka kosmetiky pro své zvlhčující a emolientní vlastnosti. Tradiční získávání squalenu ze žraločích jater vedlo k etickým a ekologickým problémům včetně nadměrného odlovu a poškození mořských ekosystémů. Biotechnologická výroba squalanu z obnovitelné biomasy představuje udržitelnou a škálovatelnou alternativu, která zároveň poskytuje větší kontrolu nad kvalitou a konzistencí produktu. Monitorování a řízení bioprocesů v reálném čase je klíčové pro maximalizaci výtěžku a minimalizaci nechtěných vedlejších produktů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentované případové studie je popsat, jak společnost Amyris využívá inženýrskou kvasinku Saccharomyces cerevisiae k biosyntéze farnesenu z cukrové třtiny a jak nasazení online hmotnostní spektrometrie (Prima PRO Process Mass Spectrometer) umožňuje optimalizovat fermentační procesy vedoucí ke konverzi farnesenu na squalane. Studie klade důraz na udržitelnost, kontrolu procesu a zlepšení výtěžnosti prostřednictvím kontinuálního sledování plynné fáze fermentorů.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Využití geneticky upravených kmenů Saccharomyces cerevisiae pro produkci syntetického farnesenu z cukrů získaných z cukrové třtiny.
• Mnohakroková fermentace včetně tzv. master fermentation, optimalizovaná pro stabilitu kvasinek a maximální produkci.
• Konverze farnesenu na squalane chemickými kroky (dimerizace a následná hydrogenace).
• Online a neinvazivní sledování inlet a outlet plynů k výpočtu uhlíkového balancu a respiratorního kvocientu (RQ).

Instrumentace:

• Thermo Scientific Prima PRO Process Mass Spectrometer pro online analýzu plynné fáze (sparge a outlet plyny).
• Parametry sledované hmotnostním spektrometrem: koncentrace kyslíku, oxidu uhličitého, ethanolu a dalších plynů indikujících metabolickou aktivitu a tvorbu nežádoucích vedlejších produktů.

Hlavní výsledky a diskuse

Hmotnostní spektrometrie v reálném čase umožnila přesné sledování uhlíkového toku a metabolismu kvasinek během kritických fází fermentace. Klíčové poznatky zahrnují:

• Možnost okamžité detekce odchylek v uhlíkovém balancu — „chybějící“ uhlík ukazoval na tvorbu neočekávaných vedlejších sloučenin, což umožnilo rychlou korekci podmínek procesu.
• Sledování ethanolu jako indikátoru přechodu mezi aerobním a anaerobním režimem metabolismu; to sloužilo jako vodítko k úpravě provzdušňování a substrátového dávkování.
• Výpočet respiratorního kvocientu (RQ) z inlet a outlet plynů poskytl informaci o účinnosti přeměny substrátu na cílový produkt a o typu metabolizovaných živin.
• Online monitoring sparge a outlet plynů umožnil neinvazivní sledování kinetiky růstu a spotřeby substrátu bez narušení sterility.

Celkově vedlo nasazení Prima PRO k lepší stabilitě fermentačního procesu, zvýšení reprodukovatelnosti a snížení rizika procesních poruch, což přispělo k efektivnější výrobě farnesenu jako mezi produktu pro následnou syntézu squalanu.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy implementace online hmotnostní spektrometrie v bioprodukci squalanu zahrnují:

• Rychlé a cílené zásahy do procesu na základě reálných dat, což zvyšuje výtěžnost a kvalitu produktu.
• Neinvazivní monitorování, které zachovává sterilitu a minimalizuje riziko kontaminace.
• Možnost udržet provozní podmínky blízko optimálním hodnotám kyslíku a RQ, což vede k lepší metabolické účinnosti kvasinek.
• Podpora udržitelnosti snížením závislosti na živočišných zdrojích a zajištěním konzistentního dodavatelského řetězce pro kosmetické suroviny.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a rozšíření této přístupu zahrnují:

• Integrace online MS dat do řídicích systémů fermentoru pro automatizované regulace (Closed-loop control) a využití strojového učení pro predikci odchylek před jejich eskalací.
• Použití pokročilých MS metod a měkkých ionizačních technik pro lepší identifikaci a kvantifikaci stopových vedlejších produktů.
• Propojení s dalšími analytickými platformami (metabolomika, proteomika) pro holistické pochopení metabolismu a optimalizaci cest k cílovým produktům.
• Škálování technologie do průmyslové výroby s důrazem na standardizaci, validaci a regulativní akceptaci biotechnologicky vyráběných surovin v kosmetickém průmyslu.

Závěr

Případová studie společnosti Amyris demonstruje, že kombinace geneticky upravených kvasinek, cílené fermentační strategie a online hmotnostní spektrometrie představuje efektivní a udržitelnou cestu k výrobě squalanu z obnovitelných zdrojů. Real‑time monitoring plynné fáze umožňuje optimalizovat metabolismus mikroorganismů, udržet stabilitu procesu a rychle detekovat vznik nežádoucích produktů, což vede k vyšší výtěžnosti a konzistenci finálního produktu. Tento přístup podporuje přechod kosmetického průmyslu k odpovědnějším a škálovatelným surovinám.

Reference

1. Thermo Fisher Scientific. Case study: Thermo Fisher Scientific supports Amyris to optimize the bioproduction of sustainable squalane. Prima PRO Process Mass Spectrometer application note / case study, 2024.