하향 공정의 과학: 종합 가이드

하향 공정(Downstream processing, DSP)은 생물 제조의 중요한 단계로, 복잡한 생물학적 혼합물에서 원하는 제품을 분리하고 정제하는 데 필요한 모든 단위 작업을 포함합니다. 이 과정은 제품이 세포 배양이나 발효를 통해 생성되는 상향 공정(Upstream processing, USP) 다음에 이어집니다. DSP의 효율성과 효과는 제품 수율, 순도, 그리고 궁극적으로 생물 의약품, 효소, 바이오 연료 및 기타 생물 제품의 상업적 생존 가능성에 직접적인 영향을 미칩니다.

하향 공정의 기본 이해

DSP는 원하는 제품을 세포 잔해, 배지 성분 및 기타 불순물로부터 분리하기 위해 고안된 일련의 단계를 포함합니다. 이러한 단계는 목표 분자를 점진적으로 농축하고 정제하는 순서로 배열되는 경우가 많습니다. DSP에 사용되는 구체적인 단계는 제품의 특성, 생산 규모 및 요구되는 순도 수준에 따라 달라집니다.

하향 공정의 주요 목표:

• 분리: 발효액이나 세포 배양액의 대부분으로부터 제품을 분리하는 것.
• 정제: 숙주 세포 단백질(HCPs), DNA, 내독소 및 배지 성분과 같은 원치 않는 오염 물질을 제거하는 것.
• 농축: 제품 농도를 제제화 및 최종 사용에 필요한 수준까지 높이는 것.
• 제제화: 정제된 제품을 안정적이고 사용 가능한 형태로 준비하는 것.

일반적인 하향 공정 기술

DSP에는 다양한 기술이 사용되며, 각각 특정 분리 및 정제 과제에 대해 고유한 이점을 제공합니다.

1. 세포 파쇄

세포 내에 위치한 제품의 경우, 첫 번째 단계는 세포를 파쇄하여 제품을 방출시키는 것입니다. 일반적인 세포 파쇄 방법은 다음과 같습니다:

• 기계적 용해: 고압 균질기, 비드 밀 또는 초음파 처리를 사용하여 세포를 물리적으로 파쇄합니다. 예를 들어, *대장균*에서 재조합 단백질을 생산할 때, 균질화는 종종 세포에서 단백질을 방출시키기 위해 사용됩니다. 일부 대규모 시설에서는 대량의 부피를 처리하기 위해 여러 개의 균질기를 병렬로 운영할 수 있습니다.
• 화학적 용해: 세제, 용매 또는 효소를 사용하여 세포막을 파괴합니다. 이 방법은 거친 기계적 방법이 분해를 유발할 수 있는 더 민감한 제품에 자주 사용됩니다.
• 효소적 용해: 리소자임과 같은 효소를 사용하여 세포벽을 분해합니다. 이는 박테리아 세포에 일반적으로 사용되며, 기계적 방법보다 부드러운 접근 방식을 제공합니다.

2. 고액 분리

세포 파쇄 후, 고액 분리는 세포 잔해 및 기타 입자상 물질을 제거하는 데 중요합니다. 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

• 원심분리: 원심력을 사용하여 밀도 차이에 따라 고체와 액체를 분리합니다. 높은 처리량과 효율성 때문에 대규모 생물 공정에서 널리 사용됩니다. 공급 스트림의 부피와 특성에 따라 디스크 스택 원심분리기와 같은 다양한 유형의 원심분리기가 사용됩니다.
• 미세여과: 0.1에서 10μm 범위의 기공 크기를 가진 막을 사용하여 박테리아, 세포 잔해 및 기타 입자상 물질을 제거합니다. 미세여과는 종종 한외여과나 크로마토그래피 전의 전처리 단계로 사용됩니다.
• 심층여과: 다공성 매트릭스를 사용하여 액체가 통과할 때 고체 입자를 포획합니다. 심층 필터는 높은 세포 밀도를 포함하는 세포 배양액을 정화하는 데 자주 사용됩니다.

3. 크로마토그래피

크로마토그래피는 분자의 물리적, 화학적 특성 차이를 이용하여 고해상도 정제를 달성하는 강력한 분리 기술입니다. DSP에서는 여러 유형의 크로마토그래피가 일반적으로 사용됩니다:

• 친화성 크로마토그래피: 목표 분자와 고체 지지체에 고정된 리간드 사이의 특정 결합 상호작용을 활용합니다. 이는 매우 선택적인 방법으로 초기 정제 단계로 자주 사용됩니다. 예를 들어, His-tag 친화성 크로마토그래피는 폴리히스티딘 태그를 포함하는 재조합 단백질을 정제하는 데 널리 사용됩니다.
• 이온 교환 크로마토그래피 (IEX): 분자의 순 전하를 기반으로 분리합니다. 양이온 교환 크로마토그래피는 양전하를 띤 분자를 결합하는 데 사용되고, 음이온 교환 크로마토그래피는 음전하를 띤 분자를 결합합니다. IEX는 단백질, 펩타이드 및 핵산을 정제하는 데 일반적으로 사용됩니다.
• 크기 배제 크로마토그래피 (SEC): 분자를 크기에 따라 분리합니다. 이 방법은 목표 분자의 응집체나 단편을 제거하기 위한 정제 단계에서 자주 사용됩니다.
• 소수성 상호작용 크로마토그래피 (HIC): 분자를 소수성에 따라 분리합니다. HIC는 변성에 민감한 단백질을 정제하는 데 자주 사용됩니다.
• 다중 모드 크로마토그래피: 여러 상호작용 메커니즘을 결합하여 선택성과 정제 효율을 향상시킵니다.

4. 막 여과

막 여과 기술은 농축, 정용 여과 및 완충액 교환에 사용됩니다.

• 한외여과 (UF): 1에서 100nm 범위의 기공 크기를 가진 막을 사용하여 제품을 농축하고 저분자량 불순물을 제거합니다. UF는 단백질, 항체 및 기타 생체 분자를 농축하는 데 널리 사용됩니다.
• 정용 여과 (DF): UF 막을 사용하여 제품 용액에서 염분, 용매 및 기타 작은 분자를 제거합니다. DF는 완충액 교환 및 탈염에 자주 사용됩니다.
• 나노여과 (NF): 1nm보다 작은 기공 크기를 가진 막을 사용하여 2가 이온 및 기타 작은 하전 분자를 제거합니다.
• 역삼투 (RO): 극도로 작은 기공 크기를 가진 막을 사용하여 물에서 거의 모든 용질을 제거합니다. RO는 수질 정화 및 고농도 용액의 농축에 사용됩니다.

5. 침전

침전은 용액에 시약을 첨가하여 목표 분자의 용해도를 감소시켜 용액에서 침전되도록 하는 과정입니다. 일반적인 침전제는 다음과 같습니다:

• 황산 암모늄: 소수성에 따라 단백질을 선택적으로 침전시킬 수 있는 널리 사용되는 침전제입니다.
• 유기 용매: 에탄올이나 아세톤과 같이 용액의 유전 상수를 변경하여 단백질의 용해도를 감소시킬 수 있습니다.
• 폴리머: 폴리에틸렌 글리콜(PEG)과 같이 단백질 분자를 밀어내어 침전을 유도할 수 있습니다.

6. 바이러스 제거

생물 의약품의 경우, 바이러스 제거는 중요한 안전 요구 사항입니다. 바이러스 제거 전략은 일반적으로 다음의 조합을 포함합니다:

• 바이러스 여과: 바이러스를 물리적으로 제거할 수 있을 만큼 작은 기공 크기의 필터를 사용합니다.
• 바이러스 불활성화: 화학적 또는 물리적 방법을 사용하여 바이러스를 불활성화합니다. 일반적인 방법에는 저pH 처리, 열처리 및 자외선 조사가 포함됩니다.

하향 공정의 과제

DSP는 여러 요인으로 인해 복잡하고 어려운 과정이 될 수 있습니다:

• 제품 불안정성: 많은 생체 분자는 온도, pH 및 전단력에 민감하여 분해를 방지하기 위해 공정 조건을 신중하게 제어해야 합니다.
• 낮은 제품 농도: 발효액이나 세포 배양액 내 목표 분자의 농도가 종종 낮아 상당한 농축 단계가 필요합니다.
• 복잡한 혼합물: 숙주 세포 단백질, DNA 및 내독소와 같은 수많은 불순물의 존재로 인해 높은 순도를 달성하기 어려울 수 있습니다.
• 높은 비용: DSP는 장비, 소모품 및 인건비로 인해 비용이 많이 들 수 있습니다.
• 규제 요구 사항: 생물 의약품은 엄격한 규제 요구 사항의 적용을 받으므로 광범위한 공정 검증 및 품질 관리가 필요합니다.

하향 공정 최적화 전략

DSP를 최적화하고 제품 수율과 순도를 향상시키기 위해 여러 전략을 사용할 수 있습니다:

• 공정 집약화: 연속 크로마토그래피 및 통합 공정 설계와 같이 DSP 운영의 처리량과 효율성을 높이는 전략을 구현합니다.
• 공정 분석 기술 (PAT): 실시간 모니터링 및 제어를 사용하여 공정 매개변수를 최적화하고 일관된 제품 품질을 보장합니다. PAT 도구에는 pH, 온도, 전도도 및 단백질 농도를 위한 온라인 센서가 포함될 수 있습니다.
• 일회용 기술: 일회용 장비를 사용하여 세척 검증 요구 사항을 줄이고 교차 오염 위험을 최소화합니다. 일회용 생물 반응기, 필터 및 크로마토그래피 컬럼이 생물 제조에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다.
• 모델링 및 시뮬레이션: 수학적 모델을 사용하여 공정 성능을 예측하고 공정 매개변수를 최적화합니다. 전산 유체 역학(CFD)은 생물 반응기 및 기타 공정 장비에서 혼합 및 물질 전달을 최적화하는 데 사용될 수 있습니다.
• 자동화: DSP 운영을 자동화하여 수작업을 줄이고 공정 일관성을 향상시킵니다. 자동화된 크로마토그래피 시스템 및 액체 처리 로봇이 생물 제조에서 널리 사용됩니다.

다양한 산업에서의 하향 공정 예시

DSP 원칙은 다양한 산업에 걸쳐 적용됩니다:

• 생물 의약품: 단일클론항체, 재조합 단백질, 백신 및 유전자 치료제 생산. 예를 들어, 인슐린 생산에는 세포 용해, 크로마토그래피 및 한외여과를 포함한 여러 DSP 단계가 포함됩니다.
• 효소: 식품 가공, 세제 및 바이오 연료에 사용되는 산업용 효소 생산. 식품 산업에서 아밀라아제 및 프로테아제와 같은 효소는 발효를 통해 생산된 다음 하향 공정 기술을 사용하여 정제됩니다.
• 식음료: 식품 첨가물, 향료 및 성분 생산. 예를 들어, 발효액에서 구연산을 추출하고 정제하는 과정에는 침전 및 여과와 같은 DSP 기술이 포함됩니다.
• 바이오 연료: 재생 가능한 자원으로부터 에탄올, 바이오디젤 및 기타 바이오 연료 생산. 옥수수에서 에탄올을 생산하는 과정에는 발효 후 에탄올을 정제하기 위한 증류 및 탈수 단계가 포함됩니다.

하향 공정의 최신 동향

DSP 분야는 생물 제조의 과제를 해결하기 위해 새로운 기술과 접근법이 개발되면서 끊임없이 발전하고 있습니다. 몇 가지 새로운 동향은 다음과 같습니다:

• 연속 제조: 효율성을 높이고 비용을 절감하기 위해 연속 공정을 구현합니다. 연속 크로마토그래피 및 연속 흐름 반응기가 대규모 생물 제조에 채택되고 있습니다.
• 통합 생물 공정: USP와 DSP 운영을 단일 통합 공정으로 결합하여 수동 처리를 최소화하고 공정 제어를 개선합니다.
• 고급 크로마토그래피 기술: 선택성과 분해능을 향상시키기 위해 새로운 크로마토그래피 수지 및 방법을 개발합니다.
• 인공 지능 및 머신 러닝: AI 및 ML을 사용하여 DSP 공정을 최적화하고 공정 성능을 예측합니다. 머신 러닝 알고리즘은 대규모 데이터 세트를 분석하고 최적의 공정 매개변수를 식별하는 데 사용될 수 있습니다.
• 3D 프린팅: 3D 프린팅을 사용하여 맞춤형 분리 장치 및 크로마토그래피 컬럼을 제작합니다.

하향 공정의 미래

DSP의 미래는 더 효율적이고 비용 효율적이며 지속 가능한 생물 제조 공정에 대한 필요성에 의해 주도될 것입니다. 연속 제조, 통합 생물 공정 및 AI 기반 공정 최적화와 같은 새로운 기술과 접근법의 개발은 이러한 요구를 충족시키는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

결론

하향 공정은 생물 제조의 핵심 구성 요소로, 광범위한 생물 제품 생산에 중요한 역할을 합니다. DSP의 원리와 기술을 이해하고 공정 최적화를 위한 혁신적인 전략을 채택함으로써 제조업체는 제품 수율, 순도, 그리고 궁극적으로 제품의 상업적 생존 가능성을 향상시킬 수 있습니다. DSP 기술의 지속적인 발전은 앞으로 몇 년 동안 생물 제조의 효율성과 지속 가능성을 더욱 향상시킬 것을 약속합니다. 대형 제약 회사에서 소규모 바이오테크 스타트업에 이르기까지 하향 공정의 과학을 이해하는 것은 생물 공정 산업에서 성공을 위한 필수 요소입니다.