Od kultury in vitro do procesu przemysłowego. Czy bioreaktory zmienią wytwarzanie roślinnych metabolitów?

Produkcja związków pochodzenia roślinnego nie musi w przyszłości zaczynać się wyłącznie na plantacji. Kultury komórkowe, tkankowe i korzeniowe prowadzone w kontrolowanych warunkach, wspierane elicytacją, inżynierią metaboliczną oraz technologią bioreaktorową, mogą stanowić alternatywną platformę otrzymywania wybranych metabolitów o znaczeniu farmaceutycznym. Polski zespół naukowców w przeglądzie opublikowanym 19 sierpnia 2026 r. analizuje możliwości integracji tych technologii. Z perspektywy producenta najważniejsze pytanie pojawia się jednak dopiero później: jak przełożyć wydajną kulturę laboratoryjną na powtarzalny i ekonomicznie uzasadniony proces, w którym można kontrolować kluczowe parametry oraz zapewnić odpowiednią jakość kolejnych serii?

Rośliny lecznicze pozostają ważnym źródłem metabolitów wykorzystywanych w farmacji, jednak klasyczny model ich pozyskiwania wiąże się ze zmiennością dobrze znaną producentom i technologom. Zawartość poszczególnych związków może zależeć od genotypu, warunków uprawy, klimatu, terminu zbioru, sposobu suszenia i dalszego przetwarzania. Na poziomie zakładu zmienność tę trzeba następnie kompensować poprzez kwalifikację materiału wyjściowego, standaryzację, odpowiednio zaprojektowaną ekstrakcję i kontrolę jakości.

Publikacja „The Convergence of Biotechnological Strategies in Medicinal Plants: From Individual Approaches Toward an Integrated Systems Framework”, która ukazała się 19 sierpnia 2026 r. w „International Journal of Molecular Sciences”, proponuje inne spojrzenie. Autorzy reprezentujący polskie ośrodki naukowe analizują możliwość łączenia kultur in vitro, elicytacji, inżynierii metabolicznej, narzędzi omicznych i systemów bioreaktorowych w bardziej zintegrowane platformy otrzymywania metabolitów roślinnych.

Dla przemysłu interesujące jest więc nie samo istnienie tych technologii, ale możliwość przeniesienia części zmienności charakterystycznej dla materiału roślinnego do środowiska, w którym znacznie większa liczba parametrów może być monitorowana i kontrolowana.

Z surowca naturalnego do kontrolowanego procesu biologicznego

W klasycznym modelu producent otrzymuje materiał roślinny, z którego następnie izoluje interesujące go związki. W systemie opartym na kulturach komórkowych lub korzeniowych sam etap biosyntezy może być prowadzony w bardziej kontrolowanych warunkach.

Kultury zawiesinowe, kultury pędów czy tzw. hairy roots pozwalają utrzymywać biologicznie aktywny materiał bez konieczności prowadzenia pełnego cyklu uprawy rośliny. Jeżeli odpowiednia linia zachowuje zdolność do biosyntezy poszukiwanego metabolitu, proces może potencjalnie ograniczać zależność od sezonowości, części czynników klimatycznych oraz niektórych problemów związanych z dostępnością materiału roślinnego.

Nie oznacza to jednak eliminacji zmienności. Z punktu widzenia technologa zmienia się przede wszystkim jej źródło.

Znaczenia nabierają skład pożywki, pH, temperatura, natlenienie, intensywność mieszania, zagęszczenie biomasy, faza wzrostu, stabilność linii biologicznej i czas prowadzenia procesu. Parametry te mogą wpływać zarówno na wzrost kultury, jak i na profil powstających metabolitów.

Jeżeli podobna platforma miałaby zostać rozwinięta w kierunku zastosowania przemysłowego, konieczne byłoby więc ustalenie, które parametry procesu mają rzeczywisty wpływ na cechy jakościowe otrzymywanego materiału i wymagają szczególnie ścisłej kontroli.

Scale-up może być trudniejszy niż optymalizacja samej biosyntezy

Największe wyzwanie zaczyna się zwykle wtedy, gdy proces opuszcza skalę laboratoryjną.

W niewielkiej objętości łatwiej zapewnić względnie jednorodne warunki hodowli. Po zwiększeniu skali pojawiają się problemy związane z transferem tlenu, mieszaniem, transportem składników odżywczych oraz powstawaniem lokalnych gradientów pH czy stężenia substratów.

W przypadku komórek i tkanek roślinnych dochodzi jeszcze ich wrażliwość mechaniczna. Intensywniejsze mieszanie może poprawić transfer masy, ale równocześnie zwiększać naprężenia ścinające. Przy kulturach korzeniowych dodatkowym problemem staje się geometria biomasy, która może utrudniać równomierny przepływ medium i napowietrzanie.

Z perspektywy inżynierii procesu oznacza to, że scale-up nie może polegać wyłącznie na zwiększeniu objętości bioreaktora. Parametry odpowiednie dla kolby czy niewielkiego układu laboratoryjnego nie muszą zachowywać się w ten sam sposób w skali pilotażowej.

Dlatego wysoka produkcja konkretnego metabolitu uzyskana w laboratorium jest dopiero punktem wyjścia. Dla producenta większe znaczenie ma odpowiedź na pytanie, czy podobną produktywność i profil jakościowy można utrzymać po zwiększeniu skali.

Elicytacja zwiększa możliwości, ale również liczbę parametrów do kontrolowania

Jednym z narzędzi omawianych w publikacji jest elicytacja, czyli wykorzystanie określonych bodźców do modyfikowania odpowiedzi metabolicznej kultury i zwiększania biosyntezy wybranych metabolitów.

Dla R&D jest to atrakcyjna możliwość, ponieważ wzrost produktywności nie musi wynikać wyłącznie ze zwiększania ilości biomasy. Z przemysłowego punktu widzenia pojawia się jednak kolejne zagadnienie: powtarzalność tej odpowiedzi.

Znaczenie może mieć nie tylko rodzaj elicytora, ale również jego stężenie, moment zastosowania, czas ekspozycji, faza wzrostu i stan fizjologiczny kultury. Niewielkie różnice pomiędzy seriami mogą potencjalnie zmieniać nie tylko ilość głównego metabolitu, ale również szerszy profil wytwarzanych substancji.

Dlatego w procesie rozwijanym z myślą o skali przemysłowej samo osiągnięcie maksymalnej produktywności nie powinno być jedynym celem. Znacznie większą wartość może mieć proces dający nieco niższą, ale stabilną i przewidywalną wydajność w kolejnych cyklach produkcyjnych.

Bioreaktor to dopiero upstream. O ekonomice może zdecydować downstream

W dyskusji o biotechnologicznej produkcji metabolitów roślinnych łatwo skoncentrować się na samym bioreaktorze. Z punktu widzenia producenta to jednak tylko część procesu.

Jeżeli interesujący metabolit pozostaje wewnątrz komórek, potrzebne będzie oddzielenie biomasy, odpowiednie jej przygotowanie, ekstrakcja i oczyszczanie. Jeżeli związek jest wydzielany do medium, konfiguracja downstreamu może wyglądać inaczej, ale nadal konieczne będzie jego odzyskanie z rozcieńczonego i złożonego środowiska.

W zależności od właściwości substancji mogą być wymagane kolejne etapy filtracji, separacji, ekstrakcji, chromatografii, koncentracji czy suszenia.

Dlatego dla producenta niewystarczająca jest informacja, ile metabolitu udało się uzyskać w litrze kultury. Znacznie bardziej praktyczne pytanie dotyczy tego, ile materiału o wymaganej specyfikacji można finalnie odzyskać z całego procesu i jaki będzie rzeczywisty koszt jego wytworzenia.

Może się okazać, że system o najwyższej produktywności biologicznej wymaga kosztownego i złożonego oczyszczania, podczas gdy proces dający nieco mniej metabolitu pozwala znacznie łatwiej przeprowadzić dalszą separację.

Z perspektywy developmentu przemysłowego przemawia to za równoległym projektowaniem upstream i downstream już na stosunkowo wczesnym etapie prac.

Jeden marker nie zawsze opisze jakość całej serii

Kolejnym obszarem istotnym dla przemysłu jest analityka.

W przypadku klasycznych surowców botanicznych często stosowana jest standaryzacja na jeden lub kilka charakterystycznych markerów. Przy materiale otrzymywanym w kontrolowanym procesie biologicznym takie podejście może w części projektów okazać się niewystarczające.

Zmiana parametrów kultury może wpływać nie tylko na zawartość głównego związku, lecz również na szerszy profil metabolitów należących do tego samego lub powiązanych szlaków biosyntezy.

Dla laboratoriów QA i QC oznacza to konieczność określenia, jakie cechy rzeczywiście powinny definiować porównywalność kolejnych serii. W jednych procesach wystarczy oznaczanie jednego lub kilku markerów. W innych może być potrzebny szerszy fingerprint chemiczny oparty np. na chromatografii, spektrometrii mas lub analizach metabolomicznych.

Dopiero na tym poziomie materiał można traktować nie tylko jako „substancję uzyskaną z rośliny”, ale jako dobrze scharakteryzowany produkt określonego procesu.

Dla producenta ważniejsza może być seria numer sto niż seria numer jeden

Pierwsza udana kultura pokazuje, że koncepcja biologiczna działa. Z perspektywy produkcji komercyjnej istotniejsze jest jednak to, czy podobny wynik można uzyskać po raz kolejny, a następnie powtórzyć go dziesiątki razy.

Stabilność linii komórkowej, długotrwałe pasażowanie, adaptacja kultury czy zmiany zachodzące w materiale biologicznym mogą wpływać na produktywność i profil metabolitów.

Dlatego development procesu powinien obejmować sposób utrzymywania materiału biologicznego, jego charakterystykę oraz monitorowanie ewentualnych zmian pojawiających się wraz z kolejnymi cyklami hodowli.

Dla producenta najważniejsze pytanie nie brzmi więc: czy kultura potrafi wytworzyć interesujący metabolit?

Znacznie ważniejsze jest: czy można zapewnić, że będzie wytwarzała go w przewidywalny sposób również po wielu kolejnych seriach?

To właśnie powtarzalność, a nie pojedynczy rekord wydajności, decyduje o wartości technologii przemysłowej.

Inżynieria metaboliczna daje większą kontrolę nad biosyntezą

Autorzy przeglądu omawiają również wykorzystanie inżynierii metabolicznej i narzędzi molekularnych do wpływania na szlaki biosyntezy.

Jeżeli znane są enzymy ograniczające wydajność określonego szlaku, możliwe jest zwiększanie ich aktywności, ograniczanie reakcji konkurencyjnych lub przekierowywanie metabolizmu w kierunku pożądanego produktu.

Daje to możliwość coraz bardziej świadomego traktowania komórki roślinnej jako platformy biosyntetycznej, ale jednocześnie zwiększa wymagania dotyczące charakterystyki i kontroli procesu.

Z perspektywy potencjalnego wdrożenia przemysłowego większe znaczenie zyskują stabilność uzyskanych cech, zachowanie linii podczas kolejnych pasaży oraz wpływ warunków hodowli na cały profil metabolitów.

Im bardziej zaawansowana biologicznie jest platforma, tym większej precyzji wymaga późniejsza strategia analityczna i procesowa.

Monitoring procesu może być jednym z warunków skalowania

Jeżeli kultury roślinne mają być rozwijane w kierunku bardziej zaawansowanych zastosowań produkcyjnych, istotny staje się również sposób monitorowania procesu.

Klasyczne pobieranie próbek i analiza offline dostarczają informacji z pewnym opóźnieniem. W większej skali szczególnego znaczenia mogą nabierać rozwiązania umożliwiające częstszą lub ciągłą obserwację parametrów procesu.

Z perspektywy przemysłowej można tu rozważać podejście charakterystyczne dla Process Analytical Technology. Monitoring tlenu rozpuszczonego, pH, zmian biomasy czy zużycia wybranych składników może ułatwiać wcześniejsze wykrywanie odchyleń oraz analizowanie zależności między warunkami hodowli a końcową jakością materiału.

Nie jest to bezpośredni wniosek autorów oznaczający gotowość konkretnego procesu do implementacji PAT. Jest natomiast naturalnym kierunkiem technologicznym, jeśli system biologiczny miałby zostać rozwijany w stronę bardziej kontrolowanej i skalowalnej produkcji.

Czy bioreaktor może konkurować z klasyczną ekstrakcją?

To pytanie powinno być rozstrzygane przede wszystkim ekonomicznie i technologicznie.

Nie każdy metabolit pochodzenia roślinnego warto produkować w kulturze in vitro. Jeżeli roślina jest łatwa w uprawie, zawiera dużo interesującego związku, a ekstrakcja jest stosunkowo prosta i tania, tradycyjny model może pozostać znacznie bardziej konkurencyjny.

Platforma biotechnologiczna staje się bardziej interesująca wtedy, gdy związek występuje w małych ilościach, dostępność surowca jest ograniczona, materiał wykazuje dużą zmienność albo szczególnie ważna jest kontrola nad profilem chemicznym.

Wtedy wyższe koszty związane z bioreaktorem, kontrolowanym środowiskiem i zaawansowaną analityką mogą być częściowo równoważone większą przewidywalnością procesu.

Dla producenta wybór nie powinien więc opierać się na tym, która technologia jest bardziej nowoczesna. Potrzebne jest porównanie całego procesu: produktywności, czasu cyklu, kosztów downstreamu, zapotrzebowania inwestycyjnego, ryzyka dostaw, wymagań analitycznych i możliwości utrzymania odpowiedniej jakości w skali komercyjnej.

Dopiero taki rachunek pokaże, dla których metabolitów biotechnologiczna droga wytwarzania może mieć rzeczywiste uzasadnienie przemysłowe.

Od eksperymentu laboratoryjnego do procesu dla farmacji

Publikacja z 19 sierpnia jest przeglądem naukowym, a nie opisem gotowego procesu wdrożonego do komercyjnej produkcji farmaceutycznej. Nie daje więc podstaw do stwierdzenia, że omawiane platformy można bezpośrednio przenieść z laboratorium do zakładu.

Jeżeli konkretna technologia miałaby zostać rozwinięta w kierunku zastosowania w farmacji, pomiędzy skuteczną kulturą laboratoryjną a przemysłowym wytwarzaniem pozostają m.in. skalowanie, rozwój analityki, określenie parametrów wpływających na jakość, transfer technologii, kwalifikacja wyposażenia, odpowiednia strategia kontroli procesu i – zależnie od przeznaczenia otrzymywanego materiału – spełnienie właściwych wymagań regulacyjnych i jakościowych.

Dlatego najbardziej interesującym wnioskiem dla przemysłu nie jest samo stwierdzenie, że roślinne metabolity można otrzymywać w systemach biotechnologicznych.

Znacznie ważniejsza jest możliwość traktowania takiego rozwiązania jako pełnego procesu produkcyjnego, obejmującego biologię systemu, warunki hodowli, skalowanie, analitykę, downstream i kontrolę powtarzalności.

Od kompetencji naukowych do technologii przemysłowej

Polski kontekst publikacji jest interesujący nie tylko dlatego, że jej autorzy reprezentują krajowe ośrodki rozwijające kompetencje w zakresie biotechnologii roślin, kultur in vitro czy analityki metabolitów. Z punktu widzenia przemysłu znacznie ważniejsze jest pytanie, czy wiedzę zgromadzoną w laboratoriach można przełożyć na technologię zdolną funkcjonować w warunkach rzeczywistej produkcji.

Właśnie na tym etapie pojawia się często największa luka pomiędzy badaniem a wdrożeniem. Biotechnolog może zoptymalizować linię biologiczną i zwiększyć biosyntezę wybranego metabolitu, ale technolog musi przełożyć te wyniki na parametry możliwe do kontrolowania podczas procesu. Inżynier procesu musi rozwiązać problemy skalowania, laboratorium analityczne określić cechy decydujące o jakości, a system jakości zapewnić porównywalność kolejnych serii.

Potencjalna wartość takich platform dla krajowego przemysłu może więc leżeć nie tylko w możliwości otrzymywania konkretnej cząsteczki. Równie interesująca jest możliwość zwiększenia kontroli nad sposobem wytwarzania wybranych surowców, ograniczenia części zmienności charakterystycznej dla tradycyjnego materiału roślinnego oraz budowania własnego know-how procesowego.

Nie oznacza to, że bioreaktor automatycznie stanie się konkurencyjną alternatywą dla uprawy i ekstrakcji. O powodzeniu takiego modelu zdecydują parametry bardzo dobrze znane każdemu producentowi: produktywność, koszt wytworzenia, łatwość skalowania, wymagania downstreamu, stabilność procesu i możliwość zapewnienia powtarzalnej jakości.

Najważniejsze pytanie nie brzmi więc już: czy roślina potrafi biosyntetyzować interesujący nas metabolit?

Znacznie bardziej przemysłowe pytanie brzmi: czy można przełożyć tę zdolność biologiczną na stabilny, kontrolowalny i ekonomicznie uzasadniony proces, który będzie dostarczał materiał o przewidywalnej jakości również w kolejnych seriach produkcyjnych?

Dopiero odpowiedź na to pytanie pokaże, w których obszarach biotechnologia roślinna będzie mogła wyjść poza laboratorium i stać się realnym narzędziem wytwarzania dla przemysłu farmaceutycznego.