Protein expression in Pichia pastoris - a novel strategy for fast bioprocess development

Abstract

Die metyhlotrophe Hefe P. pastoris ist ein weit verbreiteter Wirtsorganismus für die Herstellung von rekombinanten Proteinen.<br />Derzeitige Strategien für die Prozessentwicklung hinsichtlich Erhöhung des Prozessverständnisses und Prozessoptimierung basieren meist auf empirischen Erfahrungen. Derartige Strategien sind oft stammspezifisch und können nicht generell auf andere Wirtssysteme transferiert und angewendet werden. Die hier vorgestellte Studie beschreibt eine neue Prozessentwicklungsmethode, die auf physiologischen und skalierbaren Prozessparametern basiert und zur Herleitung einer Fütterungsmethode für Fed-Batch Prozesse entwickelt wurde. Die Methode kann zur schnellen Quantifizierung möglicher Kandidaten für die Herstellung von rekombinanten Proteinen verwendet werden. Exemplarisch ist die Methode erfolgreich für unterschiedliche P. pastoris Systeme (Phänotyp, Produktion von verschiedenen Proteinen) verwendet worden.<br />Stammspezifische Parameter konnten mit Hilfe von Batch-Verfahren zuverlässig bestimmt und in Fed-Batch-Verfahren erfolgreich transferiert werden. Die spezifische Substrataufnahmerate qs stellt die Basis für die beschrieben Methode dar und kam in Einzel- sowie Gemischtsubstratsystemen für die Prozesskontrolle und Optimierung zur Anwendung. Dadurch konnte das Prozessverständnis hinsichtlich der Korrelation von qs und der Produktbildung vertieft werden. Die beschriebene Quantifizierungsmethode diente erfolgreich zur Detektierung von produktspezifischen Interaktionen des Methanolstoffwechsels in P.<br />pastoris. Zusätzlich wurde ein neues on-line Messsystem für die Bestimmung von Substraten und Stoffwechselprodukten etabliert, welches auch zur Quantifizierung und Qualifizierung des Produktes verwendet werden konnte und unterstützte somit die Prozessentwicklung hinsichtlich einer Echtzeitdatengenerierung.<br />Die beschriebene Strategie ist durch die Verwendung von transferierbaren und skalierbaren Parametern leicht auf andere bioprozesstechnische Systeme im wissenschaftlichen sowie industriellen Umfeld anwendbar.

The methylotrophic yeast has evolved to a widely used expression host for the production of recombinant proteins in the past few years.<br />However, most strategies in process development for increased process understanding and optimization are based on empiricism. Such strategies are, caused by product or host specific interactions, generally not transferable to other production systems. In the present study, a novel physiologically based process development strategy for the fast and scalable determination of key parameter sets for fed batch production processes with P. pastoris strains was developed. The strategy was applied to various phenotypes expressing different recombinant products. Certain strain specific parameters were reliably quantified in batch pulse experiments and successfully transferred into fed batch feeding regimes. The method based on the specific substrate uptake rate qs as a key parameter for process control and optimization, was applied in single as well as in mixed feed substrate systems. Increased process understanding regarding the correlation of qs to product generation was achieved and physiological changes caused by genetic modifications of the methanol utilization pathway were quantified reliably. Additionally, a novel on-line device for fast process monitoring of physiological relevant components as well as product quantity and quality was introduced and supported the process development strategy to increase process understanding by real time data extraction. With the present strategy, enhanced bioprocess information for recombinant protein expression in P. pastoris was achieved within a short time. The strategy represents a valuable and transferable tool for fast early process development in academic as well as in industrial environments, where several strains have to be quantitatively screened for their potential use in later production processes.<br />