Aplicação de processo assistido por simulação para a purificação de proteína recombinante obtida em plataforma de expressão detoxificada
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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| Área do conhecimento CNPq: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20572 |
Resumo: | The production of biopharmaceuticals, including vaccine components, involves the cultivation of cells in which the product is synthesized, followed by a sequence of recovery and purification steps which purpose is to eliminate impurities and obtain the product with the purity required for therapeutic use. The costs of purification operations vary from 20 to 80% of the overall cost of the process of obtaining biotechnological products, and are the determining factor in the price of the final product. In this study, a series of studies were carried out to develop a less complex and expensive purification process for Pneumococcal Surface Protein A (PspA4Pro), a promising component for the formulation of anti-pneumococcal vaccines, produced by ClearColi® cells. This Escherichia coli strain is genetically modified, free of endotoxic activity, offering less risk of adverse reactions caused by the endotoxins present in conventional E. coli strains. The development of purification processes for the protein of interest, without the addition of a tag, present in real cell clarification, allowing it to be scaled up and applied in industrial processes, was the main objective of the work. All the biomass used in the studies were obtained from previous ClearColi® cultivations and were available on site. An approach based on modeling and simulation of the main purification step, anion exchange chromatography, was used to select the optimum operating conditions, an innovative, economical and faster strategy compared to the trial and error method used in previous works to improve process efficiency. Initially, simulations of the mathematical model developed previously to describe the purification of PspA4Pro obtained in conventional E. coli culture by anion exchange chromatography were carried out, which adequately described the fractions eluted during the purification of the same protein obtained in ClearColi® cultures. New model simulations were then carried out to define promising purification strategies, which were conducted at the Vaccine Development Laboratory of Butantan Institute in São Paulo. Six purification processes were carried out, with the main stages being: cell disruption using a high-pressure homogenizer, with the operating pressure varying between 500 and 1200 bar; precipitation with cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) at 1 mg.mL-1 ; clarification by centrifugation at 10000 rpm for 1 hour at 10°C; anion exchange chromatography of the cell clarified on Q-Sepharose resin coupled to an Äkta Avant 150 chromatograph and cryoprecipitation at pH 4.0 for a minimum of 24 hours at -20°C. The bicinchoninic acid (BCA) method was used to quantify total soluble proteins and SDS-PAGE was used to obtain the purity of the protein of interest using band densitometry. It was used the elution protocol with concentrations of 100, 250 and 1000 mmol.L-1 of NaCl, which proved to be the most efficient according to the results of the anion exchange chromatography simulation. By adopting this operating strategy for the chromatographic stage, followed by fractionation of the elution in which the intermediate concentration of NaCl was used and cryoprecipitation of the initial subfractions of the elution mentioned, it was possible to achieve purities over 95% of PspA4Pro. The work also showed that obtaining higher purities of the desired protein can be accompanied by lower recovery values. |
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The costs of purification operations vary from 20 to 80% of the overall cost of the process of obtaining biotechnological products, and are the determining factor in the price of the final product. In this study, a series of studies were carried out to develop a less complex and expensive purification process for Pneumococcal Surface Protein A (PspA4Pro), a promising component for the formulation of anti-pneumococcal vaccines, produced by ClearColi® cells. This Escherichia coli strain is genetically modified, free of endotoxic activity, offering less risk of adverse reactions caused by the endotoxins present in conventional E. coli strains. The development of purification processes for the protein of interest, without the addition of a tag, present in real cell clarification, allowing it to be scaled up and applied in industrial processes, was the main objective of the work. All the biomass used in the studies were obtained from previous ClearColi® cultivations and were available on site. An approach based on modeling and simulation of the main purification step, anion exchange chromatography, was used to select the optimum operating conditions, an innovative, economical and faster strategy compared to the trial and error method used in previous works to improve process efficiency. Initially, simulations of the mathematical model developed previously to describe the purification of PspA4Pro obtained in conventional E. coli culture by anion exchange chromatography were carried out, which adequately described the fractions eluted during the purification of the same protein obtained in ClearColi® cultures. New model simulations were then carried out to define promising purification strategies, which were conducted at the Vaccine Development Laboratory of Butantan Institute in São Paulo. Six purification processes were carried out, with the main stages being: cell disruption using a high-pressure homogenizer, with the operating pressure varying between 500 and 1200 bar; precipitation with cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) at 1 mg.mL-1 ; clarification by centrifugation at 10000 rpm for 1 hour at 10°C; anion exchange chromatography of the cell clarified on Q-Sepharose resin coupled to an Äkta Avant 150 chromatograph and cryoprecipitation at pH 4.0 for a minimum of 24 hours at -20°C. The bicinchoninic acid (BCA) method was used to quantify total soluble proteins and SDS-PAGE was used to obtain the purity of the protein of interest using band densitometry. It was used the elution protocol with concentrations of 100, 250 and 1000 mmol.L-1 of NaCl, which proved to be the most efficient according to the results of the anion exchange chromatography simulation. By adopting this operating strategy for the chromatographic stage, followed by fractionation of the elution in which the intermediate concentration of NaCl was used and cryoprecipitation of the initial subfractions of the elution mentioned, it was possible to achieve purities over 95% of PspA4Pro. The work also showed that obtaining higher purities of the desired protein can be accompanied by lower recovery values.A produção de biofármacos, incluindo componentes vacinais, envolve o cultivo de células, nas quais o produto é sintetizado, seguido por uma sequência de etapas de recuperação e purificação cuja finalidade é eliminar as impurezas e obter o produto com a pureza necessária para uso terapêutico. Os custos das operações de purificação variam de 20 a 80% da despesa global do processo de obtenção de produtos biotecnológicos, sendo o fator determinante do preço da mercadoria final. No presente trabalho, foi realizada uma série de estudos para o desenvolvimento de um processo de purificação menos complexo e dispendioso da Proteína A de Superfície Pneumocócica (PspA4Pro), componente promissor para a formulação de vacinas antipneumocócicas, produzida por células de ClearColi®. Essa linhagem de Escherichia coli é geneticamente modificada, isenta de atividade endotóxica, oferecendo menos risco de reações adversas causadas pelas endotoxinas presentes nas linhagens convencionais de E. coli recombinante. O desenvolvimento de processos de purificação da proteína de interesse, sem a adição de tag, presente em clarificados celulares reais, permitindo seu escalonamento e sua aplicação em processos industriais, foi o principal objetivo do trabalho. Todas as biomassas utilizadas nos estudos foram obtidas em cultivos de ClearColi® realizados anteriormente, estando disponíveis in loco. Foi utilizada uma abordagem baseada na modelagem e simulação da principal etapa da purificação, a cromatografia de troca aniônica, para a seleção das condições ótimas de operação, sendo uma estratégia inovadora, econômica e mais rápida se comparada ao método de tentativa e erro utilizado em trabalhos anteriores para melhorar a eficiência do processo. Inicialmente, foram realizadas simulações do modelo matemático desenvolvido anteriormente para descrever a purificação da PspA4Pro obtida em cultivo de E. coli convencional por cromatografia de troca aniônica, as quais descreveram adequadamente as frações eluídas durante a purificação da mesma proteína obtida em cultivos de ClearColi®. Novas simulações do modelo foram então realizadas para definir estratégias promissoras de purificação, as quais foram conduzidas no Laboratório de Desenvolvimento de Vacinas do Instituto Butantan, em São Paulo. Ao todo, foram executados seis processos de purificação, tendo como principais etapas: o rompimento celular por meio de um homogeneizador de alta pressão, com a pressão de operação variando entre 500 e 1200 bar; precipitação com brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB) a 0,1% em massa por volume; clarificação por centrifugação a 10000 rpm por 1 hora a 10°C; cromatografia de troca aniônica do clarificado celular em resina Q-Sepharose acoplada a um cromatógrafo Äkta Avant 150 e crioprecipitação a pH 4,0 por um tempo mínimo de 24 horas a -20°C. O método do ácido bicinconínico (BCA) foi utilizado para a quantificação de proteínas solúveis totais e o SDS-PAGE para a obtenção da pureza da proteína de interesse com o uso da densitometria de bandas. O protocolo de eluição com concentrações de 100, 250 e 1000 mmol.L-1 de NaCl foi aplicado, por ter se destacado como o mais eficiente de acordo com os resultados da simulação da cromatografia de troca aniônica realizada. Adotando-se essa estratégia de operação para a etapa cromatográfica, seguida do fracionamento da eluição na qual foi utilizada a concentração intermediária de NaCl e realizando-se, ainda, a crioprecipitação das subfrações iniciais da eluição mencionada foi possível atingir purezas acima de 95% da PspA4Pro. O trabalho revelou ainda que a obtenção de purezas mais elevadas da proteína desejada pode vir acompanhada de valores de recuperação mais baixos.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)407716/2021-1310973/2022-8porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessClearColi®Anion exchange chromatographyPurificationPurificaçãoPspA4ProCromatografia de troca aniônicaENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAAplicação de processo assistido por simulação para a purificação de proteína recombinante obtida em plataforma de expressão detoxificadaApplication of process assisted by simulation for purification of recombinant protein obtained on a detoxified expression platforminfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTDissertacao_de_Mestrado_Thiago_David_de_Paiva_para_ser_depositada_na_BCO.pdf.txtDissertacao_de_Mestrado_Thiago_David_de_Paiva_para_ser_depositada_na_BCO.pdf.txtExtracted texttext/plain103416https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b8191829-ad42-4282-a339-c6f58b1a5d16/download601cbb6945de9469bbe4f98c381ea104MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertacao_de_Mestrado_Thiago_David_de_Paiva_para_ser_depositada_na_BCO.pdf.jpgDissertacao_de_Mestrado_Thiago_David_de_Paiva_para_ser_depositada_na_BCO.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4859https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/20a648c4-55ba-4cdb-83ef-8b7b0eaede6f/download6470d33b9d892cef42952e3efd349acdMD54falseAnonymousREADORIGINALDissertacao_de_Mestrado_Thiago_David_de_Paiva_para_ser_depositada_na_BCO.pdfDissertacao_de_Mestrado_Thiago_David_de_Paiva_para_ser_depositada_na_BCO.pdfapplication/pdf1440915https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/11edf657-c4a8-4350-8651-d670f1f49c64/downloadf052ca27389255f6362a9c25dd487021MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9d15ffbe-4d7b-4834-aa00-ec7ff8fd6372/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/205722025-02-06 03:17:18.014http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/20572https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T06:17:18Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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