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바이오리액터 설계 요소인 교반, 산소 공급, pH·온도 제어 등은 세포의 대사 플럭스와 미세환경을 직접 조절함으로써 성장 속도, 생산성, 부산물 생성량, 최종 수율을 결정합니다.
교반은 배양액 내부의 산소, 영양분, 열, pH의 공간적 불균일을 제거하는 역할을 하며, 이는 세포가 경험하는 미세환경을 일정하게 유지하도록 돕습니다. 교반 속도가 적절할 때는 세포가 산소 및 기질 결핍없이 최대 대사를 유지할 수 있지만, 과도하게 높으면 전단응력이 증가해 미생물 막단백질이나 동물세포의 세포골격을 손상시키고 사멸을 증가시킵니다. 즉, 교반은 대사 효율을 높이는 데 필수적이지만 세포 구조를 보존할 수 있는 수준에서 균형을 맞춰야 하며, 이 균형점이 곧 생산성의 최적지점을 형성합니다.
호기성 미생물과 대부분의 포유류 세포는 ATP 생산과 생장·단백질 합성에 산소가 필요한데요 바이오리액터에서는 산소가 액체에 용해되는 속도가 이 세포의 산소 소비 속도를 충족해야 합니다.
세포는 각종 효소 반응의 최적 pH 범위를 갖고 있어 pH가 변하면 대사 경로의 플럭스 배분이 크게 변하는데요 pH가 낮아지면 대부분의 세포는 유기산 배출 억제·스트레스 반응 유도가 일어나고, 반대로 너무 높은 pH는 단백질 변성, 암모니아 독성 증가, 막전위 변화를 일으켜 대사 효율이 떨어집니다. 특히 동물세포 배양에서는 젖산·암모니아 같은 대사 부산물이 배양액 pH를 변화시키므로, pH 제어는 단순 안정화 기능을 넘어서 대사 부산물 축적을 간접적으로 조절하는 역할을 합니다. 즉, pH 유지가 곧 대사 스트레스 억제가 생산성 유지로 이어지는 원리입니다. 감사합니다.