Systembiologi av eukaryal proteinsekretion

Diarienummer: SB16-0017
Start- och slutdatum: 170801-201231
Beviljat belopp: 8 208 905 kr
Förvaltande organisation: Chalmers University of Technology
Forskningsområde: Bioteknik, medicinsk teknik och teknik för livsvetenskaperna

Summary

Marknaden för proteinläkemedel överstiger 100 miljarder USD och växer snabbare än marknaden för småmolekylära läkemedel. Läkemedelsindustrin är därför angelägen om att möjliggöra en snabb utveckling av nya processer för bioproduktion av rekombinanta proteiner. En nyckelfaktor för detta är utvecklandet av en effektiv cellfabrik som kan uttrycka proteinläkemedlet av intresse, och producera den i rätt kvalitet och tillräcklig mängd. I detta projekt kommer vi att utföra en detaljerad systembiologisk karakterisering av de sekretoriska vägarna för proteinproduktion i jäst och den humana cellinjen HEK293. Karakteriseringen kommer att innebära omfattande omik-analyser av olika stammar av jäst och HEK293 under produktion av flera olika målproteiner. Absoluta kvantitativa data för mRNA och proteiner kommer att genereras och användas för detaljerad matematisk modellering av vägarna för proteinsekretion i de två cellfabrikerna. Här kommer begreppet flödesbalansanalys att användas och kompletteras med begränsningar rörande proteinproduktionskapacitet. Modellerna kommer att användas för integrativ analys av omik-data i syfte att få en fundamental bild av hur den sekretoriska vägen påverkas och svarar på olika modifieringsstrategier och processandet av olika målproteiner. Slutligen kommer modellerna att användas för design och faktiskt framtagande av nya förbättrade cellfabriker, vilka kommer att utvärderas efter förmåga att producera rekombinanta proteiner.

Populärvetenskaplig beskrivning

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.