EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Forskere gør celleeksperimenter meget billigere

Celleeksperimenter i laboratorier verden over kan laves meget billigere, efter forskere har udviklet et system til at opbevare og arbejde med celler under forsøgene. Systemet er 100 gange mindre end nutidens standarder og derfor også meget billigere i drift.

Kemostat …

Ja, de fleste mennesker har givetvis ikke et fløjtende fis forstand på, hvad sådan en er.

Forskere, der arbejder med celleeksperimenter, ved dog kun alt for godt, hvad en kemostat er, og de kender også udmærket til de skyhøje omkostninger, som ofte følger med at lave forsøg i disse celledyrkningstanke.

Udgifter til blandt andet vækstmedie og næringsstoffer kan hurtigt løbe op i rigtig mange tusinde kroner, når forsøgene skal laves ordentligt.

De høje omkostninger i forbindelse med mange forsøg kan dog være fortid, efter forskere fra Danmark og Sverige har udviklet en ny måde at lave forsøg på i meget mindre målestok. Når størrelsen bliver mindre, bliver forsøgene også billigere at lave, og forskerne kan desuden sætte meget større forsøg op ad gangen.

”Mange gange, når vi laver forsøg, er der decideret tale om ressourcespild, fordi vi benytter os af de her store tanke på 1-2 liter, der er dyre i drift. Derfor har vi nu lavet en protokol for nogle meget mindre tanke, der både er lettere, hurtigere og billigere at arbejde med,” fortæller manden bag udviklingen af det nye system, Jens Nielsen fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved DTU og professor på Chalmers University of Technology i Sverige.

Jens Nielsen har vejledt ph.d.-studerende David Bergenholm fra Chalmers University of Technology, der har udviklet systemet, og nu har de to forskere sammen publiceret en protokol i det videnskabelige tidsskrift Biotechnology and Bioengineering.

Kemostater er essentielle i arbejdet med celler

For at forstå behovet for de mindre kemostater vender vi lige, hvordan forskere bruger kemostater i det hele taget.

En kemostat er i sin enkelthed en opsætning af et system med en tank, hvori celler kan gro under kontrollerede forhold. Det kan dreje sig om alt fra alger og gærceller til bakterier og celler fra mennesker og dyr.

Princippet er i og for sig meget simpelt. Man dyrker nogle celler, eksempelvis gærceller, i en lukket tank med et vækstmedie og tilfører løbende ilt og kvælstof, så cellerne kan vokse. Idet tanken er lukket, bliver forsøget heller ikke forurenet med bakterier eller andet. Sideløbende sørger man som forsker for, at temperaturen i tankene og vækstmediets surhedsgrad er konstant, så disse parametre ikke har indflydelse på forsøgenes udfald.

I Jens Nielsens egen forskning arbejder forskerne eksempelvis med gensplejsede gærceller, som de ændrer for at få dem til at producere blandt andet jetbrændsel, ingredienser til parfume og plastik.

Kemostaterne fås dog i mange forskellige størrelser, hvor man hos eksempelvis Novo Nordisk benytter tanke på flere tusinde liter til at få gærceller til at lave insulin, mens de fleste universitetslaboratorier laver forsøg i forholdsvis små tanke på 1-2 liter.

Kemostater bruger litervis af dyrt vækstmedie

Problemet med tankene på 1-2 liter er dog, at når forskere skal lave forsøg, udtager de typisk hver time 100 ml vækstmedie fra tankene for at lave en analyse af de processer, som foregår inden i dem.

Efterfølgende erstatter de det udtagne vækstmedie med noget nyt, altså også 100 ml hver time.

100 ml hver time lyder måske ikke af meget, men med op imod 10 dage per tank i ét forsøg bliver det til 24 liter per 10. dag per tank. Hvis forskere i et forsøg arbejder med 20 forskellige tanke med forskellige gærceller i, bliver det en rigtig omkostningsfuld fornøjelse i indkøb og forbrug af flere hundrede liter dyrt vækstmedie.

”Det var udgangspunktet for, at vi gerne ville lave nogle meget mindre tanke til at dyrke celler i, så vi både kunne lave billigere forsøg og gøre det lettere at lave dem,” forklarer Jens Nielsen.

Lavede kemostater med kun 10 ml vækstmedie

I det nye studie har Jens Nielsen med kollegaer lavet en protokol for kemostater, der kun indeholder 10 ml vækstmedie. Uden at gå helt ned i de tekniske detaljer indebærer protokollen blandt andet, at mikro-kemostaterne kan alt det, som de store kemostater også kan.

Det vil sige, at forskerne også i mikro-kemostaterne meget nøjagtigt kan kontrollere temperaturen og surhedsgraden i vækstmediet samt styrken på ilttilførslen, så cellerne har de optimale betingelser at vokse i.

Derudover udviklede forskerne også et computerprogram til at holde styr på alle parametrene under forsøg.

”Der var selvfølgelig nogle tekniske udfordringer, når vi nu går så meget ned i størrelse, men resultatet er, at vi nu har mulighed for at arbejde med de her mikro-kemostater, hvori forsøgsresultaterne fuldstændigt matcher de forsøg, som vi laver i meget større opsætninger,” siger Jens Nielsen.

Forskere bruger næsten udelukkende små kemostater nu

I Jens Nielsens eget laboratorium benytter de nu næsten udelukkende de små kemostater, når forsøgene muliggør det.

Det betyder, at forskerne meget hurtigere, lettere og billigere kan opsætte store forsøg med et meget stort antal kemostater ad gangen. Samtidig kan forsøgene administreres af én enkelt forsker, som kan have hele opsætningen på et lille hjørne af et bord sammenlignet med hele laboratoriet i tidligere forsøg med de store tanke.

David Bergenholdt har sammen med sin medstuderende David Hansson på baggrund af deres udviklingsarbejde startet selskabet D2 Biotech, som netop sælger systemet eller dele til det.

Jens Nielsen håber og tror, at flere af hans kollegaer rundt om i verden også kan se ideen i at lave forsøg i mindre målestok og dermed ikke gøre for dybe indhug i deres forskningsøkonomi.

”Vi har lavet den her protokol som noget, enhver forsker selv kan samle og opsætte. Jeg tror på, at der vil være mange steder, hvor man vil samle den her idé op. Vi bruger selv store tanke, når vi har brug for mange gærceller, men vi bruger primært det her nu. I et forsøg, hvor vi førhen brugte 24 liter per tank, bruger vi nu 240 ml,” siger Jens Nielsen.

Artiklen ‘Construction of Mini-Chemostats for High-throughput Strain Characterization’ er udgivet i Biotechnology and Bioengineering. En af artiklens hovedforfattere er Jens Nielsen fra The Novo Nordisk Foundation Centre for Biosustainability og professor på Chalmers University of Technology i Göteborg.

Jens Nielsen
Professor
To achieve large‐scale, high‐throughput experiments for systems biology research of microorganisms, reliable data from robust cultivation systems are needed. Chemostats are such systems, ensuring reproducibility and quality by providing a stable, well‐controlled environment for the cells. However, many of the available chemostat systems require large amounts of media and are complex to set up and expensive to purchase and maintain. To address these concerns, we developed a mini‐chemostat (MC) system with 16 reactors, each at a working volume of 40 ml. Sensors measure dissolved oxygen in the reactor, while OD600 is measured in the outflow. We further developed a CO2and pH sensor array that can be plugged into the outflow of the reactors. The system was used to characterize yeast physiology at four metabolically different conditions: limitations of glucose, both aerobic and anaerobic, nitrogen, and ethanol.