महामारी के दौरान अच्छे परिणाम प्राप्त करने और बड़ी क्षमता दिखाने के बावजूद, mRNA तकनीक में अभी भी कई सीमाएँ हैं, जैसे कि कम अभिव्यक्ति समय और सीमित प्रोटीन अनुवाद। जबकि ये विशेषताएँ एक निश्चित स्तर की सुरक्षा प्रदान कर सकती हैं, वे प्रोटीन प्रतिस्थापन जैसी चिकित्सा के लिए सीमाएँ बन जाती हैं। इसके लिए प्रोटीन अभिव्यक्ति के स्तर को बनाए रखने के लिए बार-बार खुराक की आवश्यकता होती है, जिससे इम्युनोजेनेसिटी और न्यूट्रलाइज़िंग एंटीबॉडी जैसे नए जोखिम और चुनौतियाँ सामने आती हैं।
स्व-प्रवर्धित आरएनए (एसएआरएनए) पारंपरिक एमआरएनए की तुलना में सैकड़ों या यहां तक कि हजारों गुना छोटी खुराक पर समान प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकता है। कम खुराक का मतलब है कम उत्पादन लागत, और कम बार इंजेक्शन लगाने से एमआरएनए और डिलीवरी वेक्टर से संभावित विषाक्त दुष्प्रभावों को कम किया जा सकता है। वर्तमान में, कई saRNA उम्मीदवार दुनिया भर में नैदानिक परीक्षणों में प्रवेश कर चुके हैं। BioNTech जैसी प्रमुख कंपनियां सक्रिय रूप से saRNA प्रौद्योगिकी पाइपलाइन विकसित कर रही हैं।
हालांकि saRNA महत्वपूर्ण लागत और सुरक्षा लाभ प्रदान करता है, लेकिन इसकी अनूठी संरचना नई उत्पादन चुनौतियों को प्रस्तुत करती है। saRNA अणु, जो लक्ष्य प्रोटीन अनुक्रम के साथ RNA पॉलीमरेज़ को एन्कोड करने वाले अनुक्रम को जोड़ता है, पारंपरिक mRNA की तुलना में बहुत बड़ा (~ 10kb) और अधिक जटिल (अधिक द्वितीयक संरचनाओं वाला) होता है। यह इन विट्रो प्रतिलेखन प्रतिक्रियाओं की कठिनाई को काफी हद तक बढ़ाता है, जिससे saRNA उत्पादन की उपज और शुद्धता कम हो जाती है। इसलिए, saRNA उत्पादन संश्लेषण, पृथक्करण और शुद्धिकरण प्रक्रियाओं में उच्च मानकों की मांग करता है।
पृथक्करण और शुद्धिकरण के लिए उपयोग की जाने वाली विधि, एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी, में कम लक्ष्य उत्पाद उपज और अखंडता जैसे मुद्दे हैं। कई क्रोमैटोग्राफिक शुद्धिकरण विधियों (जैसे, सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी, हाइड्रोफोबिक रिवर्स-फेज क्रोमैटोग्राफी जोड़ना) को संयोजित करना बोझिल है, नई अशुद्धियों को पेश करता है, इसकी रिकवरी दर कम है, और यह महंगा है। इसके अतिरिक्त, बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयोग की जाने वाली IVT प्रतिक्रिया प्रणाली 100nt न्यूक्लिक एसिड अनुक्रमों को संश्लेषित करने के लिए उपयुक्त प्रणालियों से अनुकूलित है, जो इसे saRNA के लिए अनुपयुक्त बनाती है, जिसका आकार 10kb से अधिक है। यह मौजूदा IVT प्रतिक्रिया प्रणालियों के अनुकूलन की आवश्यकता है। वर्तमान में, पारंपरिक mRNA शुद्धिकरण विधियाँ औद्योगिक कच्चे तरल गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती हैं। इसलिए, स्व-प्रवर्धित RNA के लिए एक पूर्ण और कुशल औद्योगिक-ग्रेड पृथक्करण और शुद्धिकरण प्रक्रिया को विकसित और अनुकूलित करने की तत्काल आवश्यकता है।
औद्योगिक उत्पादन और शुद्धिकरण विधियों का अनुकूलन
स्व-प्रवर्धित mRNA (saRNA) के लिए औद्योगिक उत्पादन प्रणाली विकसित करने के लिए, सबसे पहले IVT सह-प्रतिलेखन प्रणाली में बफर आयन प्रकारों और घटकों को छोटे पैमाने पर अनुकूलित करना आवश्यक है। इसमें डाउनस्ट्रीम शुद्धिकरण प्रक्रियाओं के लिए क्रोमैटोग्राफिक बफर और नमूना धुलाई अनुपात को परिष्कृत करना भी शामिल है। इन अनुकूलित स्थितियों को तब बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए बढ़ाया जा सकता है ताकि यह सत्यापित किया जा सके कि क्या सिस्टम प्रभावी रूप से उत्पादन क्षमता बढ़ा सकता है और कच्चे उत्पाद की गुणवत्ता में सुधार कर सकता है।
सह-प्रतिलेखन कैप-एडिंग प्रतिक्रिया प्रणाली
सह-प्रतिलेखन कैप-एडिंग प्रतिक्रिया प्रणाली में, T7 बफर घटकों में 400mM HEPES, 20mM स्पर्मिडीन, 100mM DTT और Mg2+ लवण शामिल हैं।
T7 बफर - मैग्नीशियम आयन नमक प्रकार
प्रयुक्त मैग्नीशियम आयन लवण का प्रकार लक्ष्य saRNA उत्पाद की उपज और अखंडता को प्रभावित करता है।
- 1 मिलीग्राम mRNA के छोटे पैमाने पर सह-अनुलेखन संश्लेषण के लिए, Mg2+ लवण के रूप में Mg(OAc)2 का उपयोग करने से सर्वोत्तम उपज और अखंडता प्राप्त होती है, जिसका मान क्रमशः 100.5µg और 62.9% होता है।
- इसके विपरीत, अन्य मैग्नीशियम आयन लवणों जैसे MgCl2 और MgSO4 के उपयोग से उपज लगभग 25-50% कम हो जाती है और अखंडता लगभग 10% कम हो जाती है, जिससे उपज और अखंडता दोनों में उल्लेखनीय कमी आती है।
T7 बफर - मैग्नीशियम आयन सांद्रता
मैग्नीशियम एसीटेट आयनों (30-50mM) की इष्टतम सांद्रता लक्ष्य saRNA की उपज और अखंडता को बढ़ाती है, तथा 35mM पर सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त होते हैं।
- 30-50mM मैग्नीशियम एसीटेट आयन सांद्रता पर, saRNA की उपज 88.5-100.5µg तक पहुंच जाती है, और अखंडता 58.6-62.9% होती है, जो अच्छे परिणाम दिखाती है।
- 35mM की सांद्रता पर, उपज और अखंडता अपने उच्चतम स्तर पर होती है, जो क्रमशः 100.5µg और 62.9% तक पहुंच जाती है।
टी7 बफर - मैग्नीशियम आयन लवण अन्य लवणों के साथ संयुक्त
टी7 बफर में अन्य लवणों को मिलाने से लक्ष्य उत्पाद की उपज और अखंडता में महत्वपूर्ण सुधार हो सकता है।
- आधार T7 बफर में 400mM HEPES, 20mM स्पर्मिडीन, 100mM DTT और Mg2+ लवण शामिल हैं, जिसके परिणामस्वरूप क्रमशः 100.5µg और 62.9% की उपज और अखंडता प्राप्त होती है।
- दूसरा लवण, NaOAc, मिलाने से उपज और अखंडता में और वृद्धि होती है: उपज 20-110µg तक बढ़ जाती है, और अखंडता में लगभग 2-8% सुधार होता है।
T7 बफर - संयुक्त लवणों की सांद्रता
जब दूसरा लवण घटक NaOAc (Na+) 5-30mM की सांद्रता पर होता है, तो लक्ष्य saRNA की उपज और अखंडता में उल्लेखनीय सुधार होता है, तथा सर्वोत्तम सांद्रता 15mM पर होती है।
- 3-30mM की Na+ सांद्रता पर, saRNA की उपज 120-210µg तक पहुंच जाती है, और अखंडता 64.4-70.2% होती है, जो अच्छे परिणाम दर्शाती है।
- 15mM की Na+ सांद्रता पर, उपज और अखंडता अपने उच्चतम स्तर पर होती है, जो क्रमशः 210µg और 70.2% तक पहुंच जाती है।
एकल शुद्धिकरण विधियाँ
छोटे पैमाने पर (<50mg) saRNA उत्पादन और शुद्धिकरण के दौरान, विभिन्न शुद्धिकरण विधियों का उपयोग करके dsRNA सामग्री और प्रोटीन अवशेषों को काफी हद तक कम किया जा सकता है, जिससे उच्च उपज, कैपिंग दक्षता और उत्पाद अखंडता सुनिश्चित होती है। सबसे अच्छे से सबसे खराब तक शुद्धिकरण विधियों की प्रभावशीलता इस प्रकार है: एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी > लिथियम क्लोराइड अवक्षेपण > अल्ट्राफिल्ट्रेशन, सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी।
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एफ़िनिटी क्रोमेटोग्राफ़ी
बड़े पैमाने पर mRNA उत्पादन के लिए, क्रोमैटोग्राफी को प्राथमिकता दी जाती है। विकल्पों में रिवर्स-फ़ेज़, आयन एक्सचेंज, हाइड्रोफोबिक और एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने फायदे और नुकसान हैं। एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी, जिसका उपयोग अक्सर पॉली (ए) mRNA को कैप्चर करने के लिए किया जाता है, 90% से अधिक रिकवरी दरों के साथ स्केलेबिलिटी और प्लेटफ़ॉर्म समाधान प्रदान करता है।
mRNA की मुख्य संरचनात्मक विशेषताएँ, 5' कैप और 3' पॉली (A) टेल, शुद्धिकरण की सुविधा प्रदान करती हैं। चुंबकीय मनका शुद्धिकरण के समान, एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी, पॉली (A) टेल mRNA को पकड़ने के लिए dT-लिंक्ड बीड्स का उपयोग करती है। उच्च नमक की स्थिति नकारात्मक आवेशों को ढाल देती है, जिससे AT हाइड्रोजन बॉन्ड के माध्यम से बंधन संभव होता है, और mRNA को हल्के तटस्थ pH और कम चालकता के तहत निकाला जाता है।
आरएनए के लिए एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी में "उच्च नमक बंधन, कम नमक निक्षालन" शामिल है। बफर संरचना, आणविक आकार, तापमान और नमूना सांद्रता प्रक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। प्रयोग के माध्यम से इष्टतम नमक प्रकार और सांद्रता का चयन कुशल शुद्धिकरण के लिए आवश्यक है।
शुद्धिकरण: इस विधि से उच्चतम उत्पाद अखंडता (80.3%), न्यूनतम dsRNA सामग्री (0.01µg/mg), उच्चतम कैपिंग दक्षता (96.4%), और न्यूनतम प्रोटीन अवशेष (1.20µg/mg) प्राप्त होते हैं, जिसकी उपज 136µg और पुनर्प्राप्ति दर 65% है, जो इसे उत्पाद शुद्धता और गुणवत्ता के मामले में सर्वश्रेष्ठ बनाता है।
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अन्य शुद्धिकरण विधियाँ:
लिथियम क्लोराइड अवक्षेपण
LiCl का उपयोग करके mRNA को शुद्ध करने का सिद्धांत यह है कि लिथियम एक निश्चित pH पर अणुओं के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण को कम कर सकता है, जिससे कुशल RNA अवक्षेपण संभव हो सकता है।फिर अवक्षेप को सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा अलग किया जाता है, शुद्ध आरएनए नमूना प्राप्त करने के लिए इसे घोला जाता है। LiCl अवक्षेपण सरल, तेज़, विभिन्न आकारों के mRNA के लिए प्रभावी है, और उच्च शुद्धता वाले उत्पाद देता है। हालाँकि, अवशिष्ट लिथियम आयन mRNA को बाधित कर सकते हैं। शुद्धिकरण दक्षता सुनिश्चित करने के लिए कम से कम 400 µg/ml RNA युक्त घोल के लिए LiCl अवक्षेपण का उपयोग करने की अनुशंसा की जाती है। इस विधि से उच्च उपज (210µg) प्राप्त होती है, लेकिन उत्पाद की अखंडता केवल 70.2% होती है, जिससे उत्पाद की गुणवत्ता में उल्लेखनीय कमी आती है। यह बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है।
चुंबकीय मनका विधि:
चुंबकीय मोती छोटे कण होते हैं जो चुंबकीय क्षेत्र के अंतर्गत दिशात्मक रूप से चलते हैं, जो आमतौर पर एक आयरन ऑक्साइड कोर और एक बाहरी कोटिंग से बने होते हैं। चुंबकीय मनका शुद्धिकरण मिश्रण से mRNA अणुओं को जल्दी और कुशलता से समृद्ध करने के लिए एक सामान्य आणविक जीव विज्ञान तकनीक है। विभिन्न कार्यात्मक चुंबकीय मोतियों में विभिन्न जैव अणुओं को शुद्ध करने के लिए अलग-अलग सतह कार्यात्मक समूह (जैसे, हाइड्रॉक्सिल, कार्बोक्सिल, ओलिगो (डीटी), स्ट्रेप्टाविडिन) होते हैं।
कार्बोक्सिलेटेड चुंबकीय मोती, अम्लीय परिस्थितियों में इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन के माध्यम से mRNA अणुओं के बंधन के साथ, न्यूक्लिक एसिड को कुशलतापूर्वक शुद्ध कर सकते हैं। परिस्थितियों को समायोजित करने से mRNA के चयनात्मक बंधन और रिलीज की अनुमति मिलती है। अधिक उजागर नकारात्मक चार्ज फॉस्फेट समूहों के साथ लंबे mRNAs मोतियों से अधिक आसानी से बंधते हैं। छोटे mRNAs के लिए, बड़े मनके की मात्रा की आवश्यकता हो सकती है। ओलिगो (dT)-युग्मित चुंबकीय मोती, आत्मीयता क्रोमैटोग्राफी के समान, mRNA की पॉली (A) पूंछ और मोतियों के ओलिगो (dT) के बीच विशिष्ट बंधन का उपयोग करते हैं।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन
इस विधि के परिणामस्वरूप सबसे कम saRNA अखंडता प्राप्त होती है, जो कि एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी की तुलना में लगभग 8% कम है, तथा सबसे अधिक प्रोटीन अवशेष (4.58µg/mg) प्राप्त होता है।
सेल्यूलोज़ क्रोमैटोग्राफी
इस विधि से कम dsRNA सामग्री (0.009µg/mg) और उच्च कैपिंग दर (96.4%) प्राप्त होती है। हालांकि, प्रोटीन अवशेष थोड़े अधिक (5.30µg/mg) होते हैं, जिसमें केवल 57% की रिकवरी दर और 120µg की उपज होती है, जो दोनों ही एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी (लगभग 10% और 16µg, क्रमशः) से प्राप्त की गई तुलना में काफी कम हैं।
शुद्धिकरण प्रक्रिया
क्रोमेटोग्राफिक बफर घटक - अपचायक एजेंटों का योग
शुद्धिकरण के दौरान क्रोमेटोग्राफिक बफर में अपचायक एजेंट जोड़ने से उत्पाद की अखंडता, पुनर्प्राप्ति दर और कैपिंग दक्षता में उल्लेखनीय सुधार हो सकता है, जबकि अपचायक एजेंट न जोड़ने की तुलना में उप-उत्पाद डीएसआरएनए और प्रोटीन अवशेषों के स्तर को कम किया जा सकता है।
- बिना अपचायक एजेंट के:
- उपज: 136µg
- रिकवरी दर: 65%
- अखंडता: 80.3%
- डीएसआरएनए: 0.01µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: 1.20µg/mg
- उत्पाद की शुद्धता और गुणवत्ता अच्छी है।
- अपचायक एजेन्टों के साथ (TCPE, DTT, β-मर्कैप्टोइथेनॉल):
- उपज 10-40µg तक बढ़ जाती है
- रिकवरी दर 5-18% तक बढ़ जाती है
- अखंडता में लगभग 1-5% सुधार होता है
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- dsRNA: 0.005µg/mg जितना कम
- प्रोटीन अवशेष: 0.20µg/mg जितना कम
- उत्पाद की शुद्धता और गुणवत्ता में महत्वपूर्ण सुधार।
क्रोमेटोग्राफिक बफर घटक - अपचायक एजेंट के प्रकार
क्रोमैटोग्राफिक बफर में जोड़े गए विभिन्न प्रकार के अपचायक एजेंट उत्पाद की अखंडता, पुनर्प्राप्ति दर और कैपिंग दक्षता को और बेहतर बना सकते हैं, जबकि डीएसआरएनए और प्रोटीन अवशेषों को कम कर सकते हैं। टीसीपीई सबसे प्रभावी अपचायक एजेंट पाया गया है।
- टीसीपीई के साथ:
- उपज: 175µg
- रिकवरी दर: 83%
- अखंडता: 85.2%
- डीएसआरएनए: 0.005µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: 0.20µg/mg
- उत्कृष्ट उत्पाद शुद्धता और गुणवत्ता.
क्रोमेटोग्राफिक बफर घटक - अपचायक एजेंटों की सांद्रता
क्रोमेटोग्राफिक बफर में 5-15mM की सांद्रता पर रिड्यूसिंग एजेंट जोड़ने से उत्पाद की अखंडता, रिकवरी दर और कैपिंग दक्षता में उल्लेखनीय सुधार हो सकता है, जबकि dsRNA और प्रोटीन अवशेषों को कम किया जा सकता है। इष्टतम सांद्रता 10mM है।
- 5-15mM TCPE जोड़ना:
- उपज: 160-178µg
- रिकवरी दर: 76-85%
- अखंडता: लगभग 85%
- डीएसआरएनए: 0.002-0.005µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: 0.20-0.52µg/mg
- अच्छे उत्पाद की शुद्धता और गुणवत्ता.
- 10mM TCPE के साथ:
- उपज: 178µg
- रिकवरी दर: 85%
- अखंडता: 85.4%
- डीएसआरएनए: 0.002µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: 0.20µg/mg
- इष्टतम उत्पाद शुद्धता और गुणवत्ता।
धुलाई अनुपात
धुलाई प्रक्रिया में क्रोमैटोग्राफिक बफर और इंजेक्शन पानी के अनुपात को नियंत्रित करने से (10-25):(75-90) उत्पाद की अखंडता, रिकवरी दर और कैपिंग दक्षता में उल्लेखनीय सुधार हो सकता है, जबकि डीएसआरएनए और प्रोटीन अवशेषों को कम किया जा सकता है। इष्टतम अनुपात 15:85 है।
- अनुपात (10-25):(75-90):
- उपज: 150-179µg
- रिकवरी दर: 71-85%
- अखंडता: 84-90%
- डीएसआरएनए: 0.002-0.006µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: लगभग 0.20µg/mg
- अच्छे उत्पाद की शुद्धता और गुणवत्ता.
- अनुपात 15:85 के साथ:
- उपज: 179µg
- रिकवरी दर: 85%
- अखंडता: 90.0%
- डीएसआरएनए: 0.002µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: 0.20µg/mg
- इष्टतम उत्पाद शुद्धता और गुणवत्ता।
संयुक्त शुद्धिकरण विधियाँ
विभिन्न शुद्धिकरण विधियों के संयोजन का उपयोग करके उत्पाद में डीएसआरएनए और प्रोटीन अवशेषों के स्तर को और कम किया जा सकता है, जिससे समग्र गुणवत्ता में सुधार होता है। शुद्धिकरण विधियों का पसंदीदा क्रम है: एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी > अल्ट्राफिल्ट्रेशन + एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी > एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी + सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी > सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी + अल्ट्राफिल्ट्रेशन। अकेले एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी सबसे अच्छे परिणाम प्रदान करती है।
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अकेले एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी:
- उपज: 179µg
- रिकवरी दर: 85%
- अखंडता: 90.0%
- डीएसआरएनए: 0.002µg/mg
- कैपिंग दक्षता: 96.4%
- प्रोटीन अवशेष: 0.20µg/mg
- उच्चतम उत्पाद शुद्धता और गुणवत्ता.
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अल्ट्राफिल्ट्रेशन + एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी:
- उपज: 170µg (केवल एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी से 9µg कम)
- रिकवरी दर: 81% (अकेले एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी से 4% कम)
- अखंडता: 88.5%
- डीएसआरएनए: 0.0015µg/mg
- प्रोटीन अवशेष: 0.18µg/mg
- अकेले एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी की तुलना में डीएसआरएनए और प्रोटीन अवशेषों में मामूली कमी, लेकिन उपज और पुनर्प्राप्ति दर में महत्वपूर्ण कमी। यह विधि अधिक जटिल है, शुद्धिकरण समय को दोगुना कर देती है और लागत बढ़ा देती है।
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एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी + सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी / सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी + अल्ट्राफिल्ट्रेशन:
- dsRNA: एकल विधियों की तुलना में 0.005µg/mg कम
- उपज: 60-100µg कम
- रिकवरी दर: 30-40% कम
- चरणों की संख्या बढ़ने से श्रम और सामग्री लागत बढ़ जाती है।
बड़े पैमाने पर उत्पादन
बड़े पैमाने पर उत्पादन में, एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी, सेल्यूलोज क्रोमैटोग्राफी के साथ संयुक्त एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी, या एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी के साथ संयुक्त अल्ट्राफिल्ट्रेशन का उपयोग करके, स्व-प्रवर्धित mRNA की उपज 67-88% की रिकवरी दर के साथ 140-185µg तक महत्वपूर्ण रूप से बढ़ जाती है। उत्पाद अखंडता 93-94% है, dsRNA सामग्री 0.0018-0.0020µg/mg के भीतर नियंत्रित होती है, कैपिंग दक्षता 96.1-96.4% तक पहुँचती है, और प्रोटीन अवशेषों को 0.04-0.05µg/mg के भीतर रखा जाता है। यह बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अच्छी मापनीयता और दक्षता को प्रदर्शित करता है।
संदर्भ:
[8] स्व-प्रवर्धित mRNA कच्चे द्रव के औद्योगिक उत्पादन और पृथक्करण शुद्धिकरण विधियाँ और इसके अनुप्रयोग [P]। पेटेंट: CN118048418A. 2024.05.17.
आदेश की जानकारी
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