Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10400.14/15655
Título: Fourier transform infrared spectroscopy, a powerful tool to monitor biopharmaceuticals production
Autor: Sales, Kevin Costa
Orientador: Calado, Cecília Ribeiro da Cruz
Palavras-chave: Escherichia coli
Espectroscopia MIR
Espectroscopia NIR
Caraterização Metabólica
Monitorização de Bioprocessos
MIR Spectroscopy
NIR Spectroscopy
Metabolic Profiling
Bioprocess Monitoring
Data de Defesa: 20-Fev-2014
Resumo: A Escherichia coli é o microorganismo mais usado como hospedeiro para a produção de produtos recombinantes, tais como plasmídeos usados para terapia génica e vacinação de ADN. Desta forma, torna-se importante compreender as relações metabólicas complexas e a bioprodução de plasmídeo, que ocorre em ambientes de cultura dinâmicos, a fim de controlar e optimizar o desempenho do sistema de expressão recombinante. O objectivo principal deste trabalho consiste em avaliar a potencialidade da espectroscopia FT-IR para monitorizar e caracterizar a produção do plasmídeo pVAX-LacZ em culturas recombinantes de E. coli, nomeadamente para extrair informação relacionada com as variáveis críticas (biomassa, plasmídeo, fontes de carbono e acetato) e informação metabólica da célula hospedeira E. coli. Para tal, culturas de E. coli com diferentes concentrações de glucose e glicerol e diferentes estratégias de cultivo (batch e fed-batch) foram monitorizadas por espectroscopia de infravermelho perto (NIR) e de infravermelho médio (MIR). Tanto a espectroscopia NIR com a MIR permitiram extrair informação sobre as variáveis críticas do bioprocesso, através da construção de modelos de regressão por mínimos quadrados parciais, que resultaram em elevados coeficientes de regressão e baixos erros de previsão. A abordagem NIR apresenta a vantagem de aquisição em tempo real das variáveis do bioprocesso, já a abordagem MIR permite a leitura simultânea de centenas de amostras de várias culturas ao mesmo tempo através do uso multi-microplacas, sendo muito vantajosa nos casos de micro-bioreactores usados para optimização. Para além disso, como os espectros MIR apresentam mais informação do que os espectros NIR, uma vez que representam os modos de vibração fundamentais das biomoléculas, enquanto que os espectros NIR representam sobreposições e combinações de vibrações, os dados espectrais MIR também permitiram a aquisição de informação bioquímica ao longo das culturas de E. coli a partir da análise das componentes principais (PCA) bem como do estudo das características bioquímicas, tais como as reservas de glicogénio e os níveis de transcrição aparente. Portanto, a espectroscopia FT-IR apresenta assim características relevantes para a compreensão e monitorização do processo de produção de culturas recombinantes, sendo, de acordo com Quality-by-Design e Process Analytical Technology, muito importante para fins de controlo e optimização.
Escherichia coli is the most used microorganism as host for the production of recombinant products, such as plasmids used for gene therapy and DNA vaccination. Therefore, it is important to understand the complex metabolic relationships and the plasmid bioproduction process occurring in dynamic culture environments, in order to control and optimize the performance of the recombinant expression system. The main goal of this work is to evaluate the potential of Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy to monitor and characterize recombinant E. coli cultures producing the plasmid model pVAX-LacZ, namely to extract information concerning the critical variables (biomass, plasmid, carbon sources and the by-product acetate) and metabolic information regarding the host E. coli. To achieve that cultures of E. coli conducted with different mixture of glucose and glycerol and different cultivation strategies (batch and fed-batch) were monitored in-situ by a fiber optic probe in near- infrared (NIR) and of the cell pellets in at-line in high-throughput mode by mid-infrared (MIR) spectroscopy. Both NIR and MIR spectroscopy setup enabled to extract information regarding the critical variables of the bioprocess by the implementation of partial least square regression models that result in high regression coefficients and low prediction errors. The NIR setup presents the advantage of acquiring in real time the knowledge of the bioprocess variables, where the at-line measurements with the MIR setup presents more advantageous in cases of micro-bioreactors used in optimization protocols, enabling the simultaneously information acquisition of hundreds samples by using multi-microplates. Furthermore, as the MIR spectra presents more information than the NIR spectra, since it represents the fundamental vibration modes of biomolecules while the NIR spectra represents overtones and combinations of vibrations, the MIR data also enabled to acquire biochemical information along the E. coli cultures as pointed out in an principal component analysis and by the estimation of biochemical features as glycogen reserves and apparent transcriptional levels. Therefore, FT-IR spectroscopy presents relevant features towards the understanding and monitoring of the production process of recombinant cultures for control and optimization purposes, in according to the Quality-by-Design and the Process Analytical Technology.
URI: http://hdl.handle.net/10400.14/15655
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