Systems Biology of the Eukaryal Protein Secretory Pathway
- Reference number
- SB16-0017
- Start and end dates
- 170801-201231
- Amount granted
- 8 208 905 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Life Science Technology
Summary
The current market for protein pharmaceuticals exceeds USD100B and is growing faster than the market for small molecule pharmaceuticals. The pharmaceutical industry is therefore eager to enable rapid development of novel bioprocesses for production of recombinant proteins. A key factor for this is the development of an efficient cell factory that can express the protein of interest, and produce it in the right quality and in sufficient amounts. In this project we will perform a detailed systems biology characterization of the protein secretory pathway in yeast and the human cell line HEK293. The characterization will involve multi-omics analysis of different strains of yeast and HEK293 while producing several different proteins. Absolute quantitative data for mRNA and proteins will be generated and used for detailed mathematical modeling of the protein secretory pathway for the two cell factories. Here the concept of flux balance analysis expanded with protein capacity constraints will be used. The models will be used for integrative analysis of the omics data with the objective to gain fundamental insight into how the secretory pathway respond to different engineering strategies and to processing of different client proteins. Finally, the generated models will be used for design of improved cell factories and these will be built and tested for their ability to efficiently produce recombinant proteins.
Popular science description
Kroppens celler producerar och skickar kontinuerligt ut proteiner för kommunikation och övergripande kontroll av ämnesomsättning och reglering av vävnadsfunktioner. Ett illustrerande exempel på detta är produktionen av insulin från bukspottkörteln, och den viktiga roll insulin har för att styra upptaget av glukos i våra muskelceller. Personer med brister i insulinproduktion är därför beroende av tillförsel av insulin som läkemedel. Möjligheten att producera mänskligt insulin i modifierade jäst-celler var stort genombrott för läkemedelsindustrin för effektiv och ekonomisk produktion av detta proteinläkemedel. Tillsammans med lanseringen av andra proteiner som läkemedel, till exempel tillväxthormon eller koagulationsfaktorer, etablerades bioteknikindustrin som en viktig del av läkemedelsindustrin och idag säljs proteinläkemedel för mer än 100 MDR USD årligen. Idag är sju av de tio mest säljande läkemedlen är proteiner, och dessa används för att behandla ett brett spektrum av sjukdomar inklusive cancer, diabetes och autoimmuna sjukdomar. De flesta av dessa proteinläkemedel produceras i hamster cellinjer (CHO). Även om CHO har utformats för att vara effektiv som cellfabrik finns fortfarande begränsningar och det är därför behov av utveckling av andra cellfabriker. Jäst används fortfarande för framställning av insulin och insulinanaloger, som är volymmässigt det i särklass största proteinläkemedel, och det är en attraktiv cellfabrik för många proteiner. I detta projekt kommer vi karakterisera två plattformsstammar (cellfabriker) för proteinproduktion: jäst och den mänskliga cellinjen HEK293. Med vår toppmoderna systembiologiplattform kommer vi att karaktärisera proteinutsöndringsvägen i båda dessa cellfabriker med målsättningen att effektivisera denna. Vi kommer använda nyligen framtagna metoder som möjliggör kvantitativ analys av RNA och proteiner i cellen, och genom att göra denna analys i cellfabriker som producerar olika nivåer av en rad olika proteiner så kommer vi att få ny insikt i hur produktion av ett protein med vissa egenskaper inverkar på fysiologin cellfabriken. Vi kommer att använda genererade data för att bygga mycket detaljerade matematiska modeller för proteinutsöndringsvägen i dessa två cellfabriker. Dessa modeller kommer att användas för att, med hjälp av riktad förändring i cellernas genom med den nya Crispr/Cas9-metoden, utforma cellfabriker med förbättrade egenskaper, effektivare produktion eller produktion av proteiner med högre kvalitet.