Increasing biomass production in bioreactors applying metabolic analysis and engineering tools

Abstract

La tesi presentada es centra en la millora de la producció de productes biofarmacèutics expressats en bacteris, llevats i cèl·lules animals. L’objectiu de la tesi és millorar la productivitat volumetrica del bioproceso de bacteris, llevats i cultius de cèl·lules animals mitjançant enginyeria bioproceso i biologia de sistemes. El treball desenvolupat té un gran interès en el camp de la biotecnologia, ja que al voltant del 60-70% de tots els biofarmacèutics, inclosos els anticossos monoclonals, les vacunes víriques i els vectors de teràpia gènica, es produeixen actualment en cèl·lules de mamífers. El metabolisme de dos bacteris (E.coli M15 i E.coli BL21), dos llevats (S. cerevisiae i P. pastoris) i dues línies cel·lulars animals (hibridoma i HEK293) s’ha caracteritzat mitjançant models metabòlics a escala genòmica per entendre la conversió de glucosa a acetat (en cas d’ E. coli), a etanol (en cas de S. cerevisiae i P. pastoris) i lactat (en el cas d’hibridoma i HEK293). Tot el coneixement adquirit en l’estudi metabòlic s’ha aplicat per desenvolupar una robusta eina de monitoratege i control per augmentar la productivitat volumètrica del bioprocés. A continuació, s’utilitza la data metabòlica obtinguda en els estudis anteriors per dissenyar estratègies de cultiu, principalment, fed-batch i perfusió en funció dels microorganismes utilitzats. Es desenvolupen diverses eines basades en el seguiment del perfil de biomassa per tal de calcular el perfil d’alimentació necessari per a un creixement òptim. Es dissenyen dos tipus de perfils d’alimentació un relacionat amb variables relacionades amb la biomassa i l’altre que no. Per completar el treball, es realitza un estudi on es dur a terme l’aplicació dels perfils d’alimentació desenvolupats en bacteris, llevats i cèl·lules animals per tal de definir el perfil d’alimentació òptim tenint en compte els requisits de cultiu. A més, l’estratègia més adequada quant a l’adaptació als requisits de cultiu es prova en un lot alimentat per inducció amb E.coli.

La tesis presentada se centra en la mejora de la producción de productos biofarmacéuticos expresados en bacterias, levaduras y células animales a través del incremento en la productividad volumétrica mediante ingeniería de bioprocesos y biología de sistemas. El trabajo desarrollado tiene un gran interés en el campo de la biotecnología, ya que alrededor del 60-70% de todos los biofármacos, incluidos los anticuerpos monoclonales, las vacunas víricas y los vectores de terapia génica, se producen actualmente en células animales. El metabolismo de dos bacterias (E. coli M15 y E. coli BL21), dos levaduras (S. cerevisiae y P. pastoris) y dos líneas celulares animales (hibridoma y HEK293) se ha caracterizado mediante modelos metabólicos a escala genómica para entender la conversión de glucosa en acetato (en caso de E. coli), etanol (en caso de S. cerevisiae y P. pastoris) y lactato (en el caso de hibridoma y HEK293). Todo el conocimiento adquirido en los estudios metabólicos se ha aplicado para desarrollar una robusta herramienta de monitorización y control para aumentar la productividad volumétrica del bioproceso en cultivos de E. coli, S. cerevisiae y hibridoma. A continuación, se utiliza los datos metabólicos obtenidos en los estudios anteriores para diseñar estrategias de cultivo, principalmente, fed-batch y perfusión en función de los microorganismos utilizados. Se desarrollan diversas herramientas basadas en el seguimiento del perfil de biomasa para calcular el perfil de alimentación necesario para un crecimiento óptimo en cada condición. Se diseñan dos tipos de perfiles de alimentación un relacionado con variables relacionadas con la biomasa y el otro que no. Para completar el trabajo, se realiza un estudio donde se llevó a cabo la aplicación de los perfiles de alimentación desarrollados en bacterias, levaduras y células animales para definir el perfil de alimentación óptimo teniendo en cuenta los requisitos de cultivo. Además, la estrategia más adecuada en cuanto a la adaptación a los requisitos de cultivo se prueba en un lote alimentado por inducción con E. coli.

The thesis presented is focused on improving the production of biopharmaceuticals products expressed in bacteria, yeast, and animal cells. The aim of the thesis is to improve bioprocess productivity of bacteria, yeast, and animal cell cultures through Bioprocess Engineering and Systems Biology. The work developed has a great interest in the field of Biotechnology, as about 60-70% of all biopharmaceuticals, including monoclonal antibodies, viral vaccines, and gene therapy vectors are produced in mammalian cells at present.

The metabolism of two bacteria (E.coli M15 and E.coli BL21), two yeast (S. cerevisiae and P. pastoris), and two animal cell lines (hybridoma and HEK293) have been characterized using genome-scale metabolic models to understand the conversion of glucose to acetate (in case of E.coli), to ethanol (in case of S. cerevisiae and P. pastoris) and lactate ( in the case of hybridoma and HEK293). All the knowledge gained in the metabolic study has been applied to develop a robust monitoring and controlling tool to increase the culture volumetric productivity.

On this basis, the metabolic data obtained in the previous studies are used in order to design culture strategies, mainly, fed-batch and perfusion depending on the microorganism used. Several tools are developed based on monitoring the biomass profile in order to calculate the feeding profile required for optimal growth. Two kinds of feeding profiles are designed in relation to biomass-related variables and non-biomass ones. In order to complete the work, a study where the application of the feeding profiles developed in bacteria, yeast, and animal cells is carried out in order to define the optimal feeding profile considering the culture requirements. In addition, the most suited strategy regarding the adaptation to the culture requirements is tested in an induction fed-batch with E.coli.