Modelagem e otimização da cromatografia de troca aniônica no processo de produção de proteína de pneumococo

dc.contributor.advisor-co1Furlan, Felipe Fernando
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4136352953168873por
dc.contributor.advisor1Zangirolami, Teresa Cristina
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4546701843297248por
dc.contributor.authorBenedini, Leandro Junqueira
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/4563874853343438por
dc.date.accessioned2020-01-30T18:28:27Z
dc.date.available2020-01-30T18:28:27Z
dc.date.issued2019-12-12
dc.description.abstractPneumococcus surface protein A (PspA) is a lactoferrin-binding protein that can be found on the surface of Streptococcus pneumoniae. The use of this protein as a carrier in the formulation of conjugate vaccines contributes to the protection against infections such as pneumonia, sinusitis and meningitis. Recently, the Butantan Institute developed a purification process for PspA4Pro produced by cultures of Escherichia coli BL21 (DE3) pET37b + PspA4Pro. Although the results achieved in terms of purity were satisfactory, it was observed a significant loss of the product during the purification, especially in anion exchange chromatography, the most expensive step in the downstream process. In this context, the present work aims to model and simulate this operation, developing an applicable methodology to model complex mixtures. In the first stage of this work, clarified cell extracts obtained from E. coli biomass produced under different cultivation conditions were purified. Anion exchange chromatography was performed on the Akta Avant 150 system and the samples were analyzed by Bradford methodology and band densitometry. The process was modeled by the EMSO software (Environment for modeling, simulation and optimization) and the modified Langmuir and the steric mass action isotherms were separately tested along with the equilibrium dispersive model to estimate the parameters and validate the models, proving to be adequate to simulate the process. The steric mass action isotherm was also used to simulate the chromatography of a virtual sample, with the parameters of PspA4Pro and the protein impurities separately adjusted. The simulation results were compared with the results of an experimental elution. In both cases it was observed that PspA4Pro eluted at the beginning of the peak, showing similarity between the simulation and experiment profiles and allowing to establish an alternative purification scheme that provided PspA4Pro at a purity of 82.8%, representing an increase of 34% when compared to the original purification process. In the second stage of this work, different experiments involving modifications in ionic elution forces and in the processed protein mass were tested on the column and a cross-validation methodology was applied. Simulations demonstrated that the chromatographic column could process twice the protein without loss of quality of the obtained PspA4Pro. These results were experimentally confirmed, providing a specific yield of 22 x 10-3 g PspA4Pro.mLresin-1 with purity of 81.2%, which was higher than the specific yield of 10 x 10-3 gPspA4Pro.mLresin-1 with purity of 73,9% obtained at the original process. In the last stage of this work, the cross validation methodology was once again used to separately estimate the PspA4Pro and the protein impurities parameters. The results of the simulations once again showed the tendency of PspA4Pro to elute at the beginning of the peak, but in variable profiles according to the applied ionic force, enabling the identification of alternative elution strategies. The best results were obtained by applying lower ionic forces, leading to a significant increase of purity (91.0%) without reduction of specific yield (9.7 x 10-3 gPspA4Pro.mLresin-1). The conclusions of this work show that it is possible to use mathematical models to describe chromatographic processes and to increase efficiency, even when complex mixtures are being processed, such as cell extracts with recombinant proteins. This approach facilitates systematic process analysis and allows a better understanding of actual purification operations.eng
dc.description.resumoA proteína A de superfície de pneumococo (PspA) é uma proteína ligante de lactoferrina que pode ser encontrada na superfície de Streptococcus pneumoniae. O seu uso como agente carreador na formulação de vacinas conjugadas contribui para a proteção contra infecções como pneumonia, sinusite e meningite. Recentemente foi desenvolvido pelo Instituto Butantan um processo de purificação de PspA4Pro produzida em cultivos de Escherichia coli BL21(DE3) pET37b+PspA4Pro. Apesar dos resultados alcançados em termos de pureza serem satisfatórios verificou-se perda significativa do produto de interesse ao longo da purificação, principalmente na cromatografia de troca aniônica, a etapa mais cara do processo downstream. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo modelar e simular esta operação, desenvolvendo uma metodologia aplicável a misturas complexas. Na primeira etapa deste trabalho extratos celulares obtidos de biomassas de E. coli produzidas em diferentes condições de cultivo foram purificados. A cromatografia de troca aniônica foi executada no sistema Akta Avant 150 e as amostras foram analisadas por metodologia Bradford e densitometria de bandas. O processo foi modelado no software EMSO (Environment for modeling, simulation and optimization) e as isotermas de ação em massa estérica e de Langmuir modificada foram testadas com a equação do equilíbrio dispersivo para estimar parâmetros e validar modelos, mostrando-se adequadas para simular o perfil de eluições. A isoterma de ação em massa estérica foi usada para simular o processamento de uma amostra virtual, com parâmetros de PspA4Pro e impurezas proteicas ajustados separadamente. Os resultados da simulação foram comparados com os resultados de uma eluição experimental. Em ambos os casos foi observado que PspA4Pro eluiu no início do pico, mostrando semelhança entre os perfis da simulação e do experimento e permitindo estabelecer um esquema de purificação alternativo que forneceu PspA4Pro a 82.8% de pureza, representando um aumento de 34% em relação ao processo de purificação original. Em uma segunda etapa, diferentes experimentos envolvendo modificações nas forças iônicas de eluição e aumento de massa proteica processada foram testados na coluna e uma metodologia validações cruzadas foi aplicada. Simulações demonstraram que a coluna cromatográfica poderia processar o dobro de proteína sem perda de qualidade da PspA4Pro obtida. Os resultados foram confirmados experimentalmente, obtendo-se uma rendimento específico de 22 x 10 -3 g PspA4Pro.mL resina-1 com 81,2% de pureza, superior à rendimento específico de 10 x 10 -3 g PspA4Pro.mL resina-1 com 73,9% de pureza do processo original. Em uma última etapa, a metodologia de validação cruzada foi utilizada para estimar separadamente os parâmetros de PspA4Pro e impurezas proteicas. Os resultados das simulações, mais uma vez mostraram a tendência de PspA4Pro eluir no início do pico, mas em perfis variáveis de acordo com a força iônica aplicada, possibilitando a identificação de estratégias alternativas de eluição. Os melhores resultados foram obtidos aplicando menores forças iônicas, levando a um expressivo aumento de pureza (91,0%) sem redução de rendimento específico (9,7 x 10 -3 g PspA4Pro .mL resina-1 ). As conclusões deste trabalho mostram que é possível utilizar modelos matemáticos para descrever cromatografias e aumentar eficiência, mesmo para misturas complexas, como é o caso dos extratos celulares com proteínas recombinantes. Esta abordagem facilita a análise do processo de forma sistemática e permite a melhor compreensão de operações reais de purificação.por
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamentopor
dc.identifier.citationBENEDINI, Leandro Junqueira. Modelagem e otimização da cromatografia de troca aniônica no processo de produção de proteína de pneumococo. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/12201.por
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/12201
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCampus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectEscherichia colipor
dc.subjectProteínas recombinantespor
dc.subjectCromatografia de troca aniônicapor
dc.subjectModelagem matemáticapor
dc.subjectModelo do equilíbrio dispersivopor
dc.subjectRecombinant proteinseng
dc.subjectAnion exchange chromatographyeng
dc.subjectMathematical modelingeng
dc.subjectEquilibrium dispersive modeleng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleModelagem e otimização da cromatografia de troca aniônica no processo de produção de proteína de pneumococopor
dc.title.alternativeModeling and optimization of anion exchange chromatography in the production process of pneumococcal proteineng
dc.typeTesepor

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