Slimme sensor voor continue controle in bioreactoren

Wat houdt het project in?

Cel-gebaseerde productieprocessen in bioreactoren en fermentoren moeten nauwkeurig worden gecontroleerd, vanwege de complexiteit van biologische systemen en de groeiprocessen van cellen. Kritische parameters worden vastgesteld en over tijd gemonitord om de productkwaliteit en consistentie te waarborgen, én om oververwerking en afkeuring van productiebatches te voorkomen.

Er zijn al sensoren beschikbaar om parameters zoals temperatuur, glucose, pH en CO₂ te meten, maar nog niet voor stoffen in lage concentraties, zoals eiwitten en nucleïnezuren (DNA).

Een interessante parameter om te meten is het DNA van gastheercellen (HCD), omdat dit als een verontreiniging wordt beschouwd in het eindproduct (downstreamproces). Daarnaast zegt de concentratie ervan iets over de toestand van de cel (upstreamproces). De onderzoeksgroep Molecular Biosensing van de Technische Universiteit Eindhoven, samen met Helia Biomonitoring, ontwikkelt een sensor voor continue biomarkermeting, gebaseerd op de technologie ‘Biosensing by Particle Motion’.

Met dit consortium willen we onderzoeken of deze sensor geschikt is voor het continu meten van HCD. Hiervoor moeten we een gezamenlijke laboratoriuminfrastructuur opzetten om testen te ontwikkelen. We willen kennis opdoen over hoe cellen reageren op veranderingen in hun omgeving, en hoe dat zichtbaar is in het DNA-concentratieprofiel in het celmedium.

Deze KIEM-studie stelt ons in staat om de eerste stappen te zetten richting continue meting van HCD onder celkweekcondities. Dit draagt bij aan het automatisch aansturen van productieprocessen in bioreactoren en fermentoren, bijvoorbeeld voor de productie van biofarmaceutische middelen.

Het project gebeurt in samenwerking met nieuwe partners en vormt een sterke basis voor toekomstige onderzoeksprojecten. Het draagt zo bij aan zowel wetenschappelijke en economische groei als aan de ontwikkeling van menselijk kapitaal.

Projectdoelstelling

Het doel van het project is om antwoorden te vinden op de volgende vragen:

1. Wat is het effect van verschillende omgevingsfactoren en stressfactoren op de hoeveelheid HCD in het celmedium?

2. Kunnen we het HCD-profiel in het medium over tijd karakteriseren en dit in verband brengen met de celactiviteit en celdood?

Periode

1 juli 2024 t/m 30 juni 2025 

Wat heeft het project opgeleverd?

Binnen het consortium hebben we onderzocht of deze sensor geschikt is voor de continue detectie van gastheercel DNA (HCD). Hiervoor werd een gezamenlijke laboratorium infrastructuur ingericht ten behoeve van de ontwikkeling van HCD-assays. Er werd onderzocht (en dient in de toekomst verder onderzocht te worden) hoe cellen reageren op omgevingsveranderingen en hoe deze respons weerspiegeld wordt in het DNA-concentratieprofiel van het cel medium. Deze KIEM-studie stelde ons in staat de eerste stappen te zetten richting continue HCD-detectie onder celkweekomstandigheden voor de optimalisatie van celproductieprocessen. Diverse cellijnen en stress factoren werden toegepast om stress responsen te analyseren via de detectie van HCD-fragmenten (met variërende lengtes) uit het cel medium middels verschillende moleculaire assays. Deze gegevens zullen uiteindelijk input genereren voor machine learning ten behoeve van automatische processturing in bioreactoren en fermentoren, bijvoorbeeld bij de productie van biofarmaceutica. Het project resulteerde in nieuwe samenwerkingsverbanden. Het vormt een solide basis voor vervolgonderzoek, met bijdragen aan zowel wetenschappelijke vooruitgang als economische ontwikkeling, en aan de ontwikkeling van mensen (human capital agenda).