摘要
背景：本文介绍了一种先进的高通量发酵系统（称为BioLector）及其验证，该系统具有在线测量功能，是近期报道系统的升级版。该技术通过在连续摇匀的微滴度板中进行在线散射光和荧光强度监测，将高通量筛选与高信息量相结合。文中给出了光学测量校准、克隆和培养基筛选以及启动子表征的各种示例。
结果：高达50 g/L细胞干重的细菌和酵母生物量浓度可与散射光强度线性相关。在培养基筛选中，BioLector 能够清晰地展示其在检测不同生物量和产物产量以及推导比生长速率以定量评估培养基和营养成分方面的潜力。不适当的缓冲条件导致的生长抑制可以通过降低的生长速率和NADH荧光的暂时增加来检测。GFP（绿色荧光蛋白）作为一种报告蛋白，在酵母菌株中研究不同碳源下的启动子调节方面表现非常好。对90个不同的表达GFP的Hansenula polymorpha（多形汉逊酵母）克隆进行的筛选显示了生长行为的广泛分布以及GFP表达更为广泛的分布。通过改变大肠杆菌（E. coli）培养物在96孔微滴度板（MTP）中的填充体积，证明了传质条件的重要性。不同的填充体积分别通过散射光强度和pH指示剂荧光监测，导致培养物生长和酸化的偏差。
结论：BioLector 技术是在工程化的反应条件下进行定量微发酵的一个非常有用的工具。利用该技术，可以直接从在线生物量和产物浓度推导出比产量和速率，这优于现有的技术，如微孔板读数仪或基于光极的培养系统。特别是在对高通量有强烈需求的领域，如克隆和培养基筛选以及系统生物学，可以受益于其简单的操作、高定量信息含量及其自动化能力。
背景
为了处理大量不同的克隆并应对现代生物技术中生物和生化系统的巨大复杂性，许多研究小组已经开发了新的微生物反应器系统。在工业和学术研究中，对高通量和高信息量（关于随时间变化的过程）的需求推动了微生物反应器的发展。已经提出了各种用于微生物反应器的个体化解决方案和原型。其中包括微型搅拌釜反应器、气体诱导搅拌系统、包含原位电化学氧生成的鼓泡塔以及磁力搅拌器和膜表面曝气的组合。然而，这些研究小组主要为自己实验室开发了个体化解决方案，只有少数系统实现了商业化，从而为更广泛的研究界所使用。
一种商业解决方案是Bioprocessors公司的SimCell系统。pH、溶解氧张力（DOT）和光密度（OD）值可以在与培养室分离的单独读数站中记录。该系统不能为微生物细胞提供足够的氧气（比传质系数 kLa = 10 1/h），因此仅限于具有更高真核细胞（如哺乳动物细胞培养物）的应用。
另一种由Microreactor Technologies公司提供的微型生物反应器系统（MBR）基于摇动和曝气的24孔微孔板，可测量和控制温度、pH和DOT。据报道，在800 rpm的摇动频率和非曝气条件下，最大kLa值可达56 1/h。
虽然新的微生物反应器设计需要适配的基础设施，但微滴度板（MTPs）已经是生物技术领域的行业标准。因此，最方便的是维持这一标准，并适当调整操作条件、孔几何设计和测量方法以适应研究人员的需求。Betts等人曾报告，与其他MBR不同，MTP具有独特的优势，它们具有固有的高通量能力并允许自动化。MTP在传质方面已得到很好的表征。对于标准的圆形96孔板，发现相对较小的kLa值（150-160 1/h），而对于方形96深孔板和标准圆形48孔板，在200 μL和300 μL填充体积下，分别发现高达860 1/h和1600 1/h的非常高的kLa值。这些高kLa值只能在非常小的填充体积下实现，而这通常与进一步的离线分析或小孔中的在线分析不兼容。在小规模上工作时，人们可能更深入地了解微观反应。取样会进一步减少填充体积，并可能干扰反应。因此，在线测量是最理想的。
MTP最流行和最广泛的测量技术是微孔板读数仪。它们配备了不同的光学装置，通常检测吸光度或荧光。Lu等人使用标准微孔板读数仪，以绿色荧光蛋白（GFP）作为报告蛋白，对大肠杆菌中的启动子调控进行了研究。常见的微孔板读数仪摇动能力非常差，没有湿度控制，仅有温度控制。因此，此类读数仪中的操作条件在氧气供应方面也较差。不均匀的蒸发可能导致结果误读。由于这些微孔板读数仪中的测量过程通常与摇动分离，测量过程中细胞的沉降也可能导致假象。一个广泛用于监测细胞生长的微孔板读数仪是BioScreen C设备。该系统具有两个带盖的蜂窝板，每个板包含100个孔，可以同时运行200个样品。即使通过板的透明盖可以进行吸光度测量，并且它减少了与环境的空气交换。其kLa值范围与96孔MTP（kLa = 150-160 1/h）或更低的kLa值相当，因此限制了其在厌氧或低密度培养物中的应用。
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