Command Palette
Search for a command to run...
يعمل الذكاء الاصطناعي على تمكين التصنيع الحيوي الفعال، واستكشاف نماذج جديدة في الإنتاج الذكي من خلال البحث في بيتا فينيل إيثانول والجلوتاثيون

يُعدّ التصنيع الحيوي دافعًا أساسيًا لتطوير الاقتصاد الحيوي. فمن خلال تسخير الأنشطة الأيضية للخلايا الحية لإنتاج مجموعة واسعة من المنتجات، يلعب دورًا حاسمًا في ضمان التنمية الاجتماعية المستدامة. وقد وفّر نهضة علم الأحياء التركيبي أدوات فعّالة لبناء سلالات فعّالة. وتُعدّ هندسة المفاعلات الحيوية، وهي عنصر أساسي في التصنيع الحيوي، إلى جانب التقنيات الذكية أمرًا بالغ الأهمية لتصنيعه. وفي السنوات الأخيرة، أتاحت التطورات في الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة وتقنيات الاستشعار المتقدمة تحقيق اختراقات جديدة في تحسين كفاءة عمليات التصنيع الحيوي والتحكم الدقيق فيها.
في الآونة الأخيرة، في المدرسة الصيفية الثالثة للذكاء الاصطناعي في الهندسة الحيوية في عام 2025،**شاركت البروفيسورة تشوانغ ينغ بينج من المختبر الوطني الرئيسي لهندسة المفاعلات الحيوية بجامعة شرق الصين للعلوم والتكنولوجيا تجربتها في موضوع "الذكاء الاصطناعي يساعد عمليات التصنيع الحيوي الفعالة".**من العلاقة بين التصنيع الحيوي والبيولوجيا التركيبية، واستكشاف تطبيقات منتجات البيولوجيا التركيبية، إلى بناء وممارسة أنظمة تكنولوجيا التصنيع الحيوي الذكية، تم تقديم نتائج أبحاث الفريق في هذا المجال بشكل منهجي.

التصنيع الحيوي والبيولوجيا الاصطناعية يكملان بعضهما البعض
إن جوهر تكنولوجيا التصنيع الحيوي هو العملية التي تستخدم فيها خطوط الخلايا الحية المختلفة المواد الخام (مثل مصادر الكربون، ومصادر النيتروجين، والنشا، والجلوكوز، وما إلى ذلك) في المفاعلات لإنتاج منتجات بيولوجية مختلفة من خلال التمثيل الغذائي الخلوي.**يحقق علم الأحياء الاصطناعي أهداف التصميم ويغير أساليب الإنتاج ويطور منتجات جديدة من خلال دورة DBTL (التصميم والبناء والاختبار والتعلم).**لقد أدت الاختراقات التكنولوجية مثل تحرير الجينات وتعديل المضيف إلى توفير خلايا هيكل فعالة للتصنيع الحيوي - ولكن تحويل إمكانات سلالات المختبر إلى قدرة إنتاجية صناعية يتطلب دعم هندسة المفاعلات الحيوية.
مع ازدياد شعبية تكنولوجيا البيولوجيا التركيبية في السنوات الأخيرة، أصبح البحث في هندسة المفاعلات الحيوية محورًا مهمًا في هذه الصناعة. ومن المتوقع أن تصل قيمة صناعة التصنيع الحيوي العالمية إلى 125 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2025، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 10.81%؛ وتنمو قيمة الإنتاج السنوي للصناعة الحيوية في الصين بمعدل يقارب 20.1%. وفي ظل هذه الخلفية،كيف يُمكن جعل نفس السلالة تُنتج المزيد من المنتجات في المُفاعل؟ هذه هي المسألة الجوهرية في التصنيع الحيوي.
استكشاف منتجات البيولوجيا الاصطناعية في مجال مستحضرات التجميل
يُعدّ تطبيق علم الأحياء التركيبي والتصنيع الحيوي في مجال مستحضرات التجميل متطورًا نسبيًا وله نطاق واسع من التطبيقات. ويرجع ذلك إلى أن مستحضرات التجميل تتطلب كميات صغيرة، وحتى مع ارتفاع تكلفتها، لا يزال هناك سوق. على سبيل المثال، بعد زراعة زهرة اللوتس الثلجية تيانشان على نطاق واسع، يمكن لكمية صغيرة فقط أن تؤدي إلى ارتفاع كبير في أسعار المنتجات ذات الصلة. بالإضافة إلى ذلك، تُشتق العديد من منتجات التجميل من مكونات طبيعية فعالة، مثل ريسفيراترول، ونارينجين، وأنزيم كيو 10 المساعد، وغيرها.على الرغم من وجود المئات من مستحضرات التجميل التي يمكن التعبير عنها بواسطة الكائنات الحية الدقيقة، إلا أن القليل منها فقط يتم تصنيعه بيولوجيًا بالكامل.


أصبحت المكونات النشطة النباتية مجالًا بحثيًا هامًا في السنوات الأخيرة. يمكن للخلايا النباتية إنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات، وتتم زراعتها على نطاق واسع وفق عملية محددة: أولًا، يُفرز نسيج الكالس، ثم يُزرع على هزاز حتى يزداد عدد الخلايا. ولأن الخلايا النباتية تحتاج إلى أكسجين أقل بقليل من الكائنات الدقيقة، تُستخدم الزراعة الهوائية لتحقيق كتلة خلوية محددة.
تُستخدم تقنية البيولوجيا التركيبية في العديد من مستحضرات التجميل، ومن أبرزها حمض الهيالورونيك والكولاجين، وهما من أفضل الصناعات التي تستخدم هذه التقنية في بلدي. هذه المنتجات ذات القيمة المضافة العالية تُعدّ أكثر ملاءمةً لتصنيعها باستخدام البيولوجيا التركيبية.
المفاعلات الحيوية والتصنيع الحيوي الذكي
إن مفتاح تحسين تكنولوجيا التصنيع الحيوي الذكي وبالتالي زيادة الكفاءة يكمن في ترسيخ مفهوم أن "الخلايا والمفاعلات الخارجية هما مفاعلان".**اعتبر الخلايا بمثابة نظام مفاعل حيوي، والثقافة واسعة النطاق بمثابة نظام مفاعل حيوي آخر.**الخلايا بحد ذاتها أنظمة أيضية معقدة، والمسارات الأيضية التي نحتاجها للمنتجات الصناعية محددة. جوهر هندسة العمليات هو توجيه الخلايا نحو عملية الأيض وفق مسارات أيضية مصممة، بدلاً من الاعتماد فقط على السلالات المصنعة للإنتاج المباشر. يتطلب هذا التركيز على كيفية توجيه عملية الأيض الخلوية نحو المسار الصناعي المستهدف.
من أجل تعزيز أبحاث هندسة العمليات، قمنا بتطوير مفاعل حيوي خصيصًا للكشف عن المعلمات المتعددة، وهو أيضًا أحد ميزات المختبر الوطني الرئيسي لهندسة المفاعلات الحيوية.**بالإضافة إلى الكشف الروتيني عن النباتات البكتيرية ودرجة الحرارة، يقوم نظام التكنولوجيا أيضًا بمراقبة حجم سائل التخمير، والأهم من ذلك، استخدام مقياس البروتون للكشف عن الغاز الخلفي لسائل التخمير.**من خلال ربط عملية التمثيل الغذائي الخلوي باستهلاك الأكسجين وإنتاج ثاني أكسيد الكربون، وجدنا اختلافات في بيانات العادم لمسارات التمثيل الغذائي المختلفة.

يُعد تصميم المفاعل بالغ الأهمية أيضًا، إذ يجب أن يلبي احتياجات أيض الخلايا من العناصر الغذائية. أثناء التخمير، يُعد الكربون والنيتروجين والفوسفور عناصر غذائية أساسية لنمو الخلايا، وتتطلب إمدادات متوازنة. لا يدعم الكربون نمو الخلايا والحفاظ على البكتيريا وتخليق المنتجات فحسب، بل يوفر أيضًا الطاقة. يُعد النيتروجين والفوسفور ضروريين بشكل أساسي لنمو البكتيريا. تضمن العناصر الغذائية نمو البكتيريا، ويمكن لاستراتيجية تغذية الركيزة أن تضمن لجميع البكتيريا الحفاظ على نشاط عالٍ وتخليق المستقلبات بكفاءة. يُعد كل من الأيض الأولي (مثل الأحماض الأمينية والعضوية) والأيض الثانوي (مثل المضادات الحيوية ومنتجات البكتيريا المعدلة وراثيًا) مجالات بحثية رئيسية في التحكم في العلاقة بين وفرة البكتيريا وإنتاجيتها. وكما هو موضح في الشكل التجريبي أدناه، فإن المجموعة ذات معدل استهلاك الأكسجين العالي كان إنتاجها منخفضًا، مما يدل على أن تغذية الركيزة عند الطلب أهم من السعي إلى تركيزات عالية.

نظام تكنولوجيا التصنيع الحيوي الذكي: ابتكار شامل للإدراك والتحليل والتنظيم
مع دخول العصر الذكي، فإن الفكرة الشاملة للتصنيع الحيوي الذكي تدور حول العمليات الأيضية المعقدة للخلايا.ويتمثل جوهر هذا المشروع في تحقيق نظام ابتكار ذكي متكامل للسلسلة الكاملة من الإدراك الذكي والتحليل الذكي والتنظيم الذكي.




**الأول هو β-فينيل إيثانول،**باعتبارها ثاني أكثر النكهات شيوعًا بعد الفانيلين، فإن لها نطاقًا واسعًا من التطبيقات. من حيث التكلفة، تبلغ تكلفة بيتا فينيل إيثانول المُصنّع كيميائيًا حوالي 3.8 دولار للكيلوغرام، بينما تصل تكلفة بيتا فينيل إيثانول الطبيعي إلى 1000 دولار للكيلوغرام. يبلغ السعر الحالي للتخليق الحيوي حوالي 200 دولار للكيلوغرام، لذا لا تزال المنتجات المُصنّعة كيميائيًا تشغل حصة سوقية كبيرة. من أجل تعزيز استبدال الطرق الكيميائية بالطرق البيولوجية، نفذ فريق البحث عددًا من المهام، بما في ذلك استخدام التطور التكيفي لفحص السلالات الممتازة، إلى جانب التحول في الهندسة الأيضية، لإيجاد النقاط الرئيسية لتنظيم العملية. نظرًا لسمية المنتج، قام البحث أيضًا باستخراج المنتج مباشرةً في خزان التخمير، وهي عملية معقدة نسبيًا. في النهاية، تم تحقيق التحسين الديناميكي بناءً على الذكاء الاصطناعي، مما أدى إلى زيادة العائد إلى 20 جرامًا لكل لتر. على الرغم من انخفاض تكلفة التصنيع مقارنةً بالطريقة البيولوجية السابقة، لا تزال هناك فجوة مع الطريقة الكيميائية.



تطبيق الحالة: ممارسة التحسين الذكي على نطاق صناعي
وفي التصنيع الحيوي على نطاق صناعي، لدينا أيضًا العديد من حالات التطبيق النموذجية للتحسين والتنظيم الذكي.
الأول هو إنتاج الإريثروميسين. الإريثروميسين مضاد حيوي من مجموعة الماكروليد، وتُستخدم مشتقاته، مثل الكلاريثروميسين والأزيثروميسين، على نطاق واسع.**أثناء عملية التخمير، نستخدم مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار لإجراء الكشف الشامل، في الوقت الحقيقي، عبر الإنترنت، ومتعدد الأبعاد للخصائص والميزات الأيضية الفسيولوجية العيانية بكفاءة عالية للغاية.**تم تقليل وقت قياس تركيزات السكر والكحول والزيت من ١٢ ساعة بالطرق التقليدية إلى دقيقتين فقط. من خلال نمذجة أكثر من ١٠٠ دفعة من بيانات المعلمات الكاملة من وحدة تخمير إريثروميسين سعة ٣٧٠ طنًا، وجدنا في النهاية أن وحدة تخمير الإريثروميسين ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتركيز البكتيريا ولزوجتها وفعاليتها الكيميائية أثناء عملية التخمير. بناءً على هذا النموذج ذي الارتباط العالي لتركيز البكتيريا والفعالية الكيميائية، يتم الآن تحديد تغذية السكر والنيتروجين والزيت للتخمير سعة ٣٧٠ طنًا بواسطة الكمبيوتر بناءً على هذا النموذج. يسمح هذا بكميات تغذية أكثر دقة، مما يؤدي إلى زيادة وحدات التخمير والعائد الإجمالي. يوفر تقليل التغذية وحده ١٠ ملايين يوان سنويًا ويزيد من ربح الشركة السنوي بما لا يقل عن ٦٠ مليون يوان.


حول البروفيسور تشوانغ ينغ بينغ
المتحدث الضيف في هذه الجلسة التشاركية هو البروفيسور تشوانغ ينغ بينج، الذي يشغل حاليًا منصب عميد معهد تشينغداو للابتكار بجامعة شرق الصين للعلوم والتكنولوجيا، ومدير المركز الوطني لبحوث تكنولوجيا الهندسة الكيميائية الحيوية (شنغهاي)، وخبير التكنولوجيا الحيوية الصناعية "863" في علم الأحياء والطب، ونائب رئيس اللجنة المهنية للهندسة الكيميائية الحيوية لجمعية الصناعة الكيميائية والهندسة في الصين، ونائب رئيس جمعية شنغهاي لعلم الأحياء الدقيقة.

احصل على أوراق بحثية عالية الجودة ومقالات تفسيرية متعمقة في مجال AI4S من عام 2023 إلى عام 2024 بنقرة واحدة⬇️












