Continuous biosensing of host cell DNA to control cell-based production processes

Cell-based production processes in bioreactors and fermenters need to be carefully monitored due to the complexity of the biological systems and the growth processes of the cells. Critical parameters are identified and monitored over time to guarantee product quality and consistency and to minimize over-processing and batch rejections. Sensors are already available for monitoring parameters such as temperature, glucose, pH, and CO2, but not yet for low-concentration substances like proteins and nucleic acids (DNA).
An interesting critical parameter to monitor is host cell DNA (HCD), as it is considered an impurity in the final product (downstream process) and its concentration indicates the cell status (upstream process). The Molecular Biosensing group at the Eindhoven University of Technology and Helia Biomonitoring are developing a sensor for continuous biomarker monitoring, based on Biosensing by Particle Motion. With this consortium, we want to explore whether the sensor is suitable for the continuous measurement of HCD. Therefore, we need to set-up a joint laboratory infrastructure to develop HCD assays. Knowledge of how cells respond to environmental changes and how this is reflected in the DNA concentration profile in the cell medium needs to be explored.
This KIEM study will enable us to set the first steps towards continuous HCD sensing from cell culture conditions controlling cell production processes. It eventually generates input for machine learning to be able to automate processes in bioreactors and fermenters e.g. for the production of biopharmaceuticals.
The project entails collaboration with new partners and will set a strong basis for subsequent research projects leading to scientific and economic growth, and will also contribute to the human capital agenda.

Eindrapportage

Celgebaseerde productieprocessen in bioreactoren en fermentoren vereisen nauwgezette monitoring vanwege de complexiteit van biologische systemen en de groeidynamiek van cellen. Kritische procesparameters worden geïdentificeerd en continu gevolgd om productkwaliteit en consistentie te waarborgen, 'over-processing' te voorkomen en batch afkeur te minimaliseren. Voor parameters zoals temperatuur, glucose, pH en CO₂ zijn sensoren reeds beschikbaar; maar voor stoffen in lage concentraties zoals eiwitten en en nucleïnezuren (DNA) zijn dergelijke sensoren nog niet voorhanden. Een relevante parameter om te monitoren is 'host cell DNA' (HCD), aangezien dit beschouwd wordt als een onzuiverheid in het eindproduct (downstream processing) en de concentratie ervan inzicht geeft in de fysiologische toestand van de cellen (upstream processing). De onderzoeksgroep Molecular Biosensing aan de Technische Universiteit Eindhoven, in samenwerking met Helia Biomonitoring, ontwikkelt een sensor voor continue biomarker monitoring, gebaseerd op Biosensing by Particle Motion (BPM).
Binnen het consortium hebben we onderzocht of deze sensor geschikt is voor de continue detectie van 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 celmedium.
Deze KIEM-studie stelde ons in staat de eerste stappen te zetten richting continue HCD-detectie onder celkweekomstandigheden voor de optimalisatie van celproductieprocessen. Diverse celijnen en stress factoren werden toegepast om stress responsen te analyseren via de detectie van HCD-fragmenten (met variërende lengtes) uit het celmedium 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 en vormt een solide basis voor vervolgonderzoek, met bijdragen aan zowel wetenschappelijke vooruitgang als economische ontwikkeling, en het levert een bijdrage aan de human capital agenda.