Diseño de experimentos dinámicos basado en modelos para optimización. Caso de estudio: producción en cultivo de alta densidad celular del antígeno rBm95 para vacuna contra Rhipicepalus (Boophilus) Microplus

Abstract

En esta tesis se aborda la problemática de la mejora de la performance de bioprocesos y se desarrolla una metodología para la optimización experimental. Esta es implementada para la mejora de la producción del antígeno rBm95 de Rhipicepalus microplus en un cultivo de alta densidad celular de Escherichia coli a escala banco. La metodología desarrollada plantea la búsqueda iterativa de condiciones de operación mejoradas. Esto involucra el Diseño de Experimentos Dinámicos para Optimización los cuales se componen tanto de las condiciones de operación que harían máxima la función objetivo como de una estrategia de muestreo para la obtención de datos más informativos para optimización. Los experimentos son calculados utilizando modelos de tendencias que describen la dinámica general del bioproceso y son mejorados en cada ciclo mediante la (re)estimación de sus parámetros cinéticos más relevantes. R. microplus es considerada la garrapata más importante del mundo ya que afecta la producción de carne y leche, las tasas de preñez, produce anemia o incluso la muerte del animal parasitado. Además, las heridas derivadas de las picaduras son centros de miasis (bicheras) disminuyendo la calidad de los cueros y genera daños ocultos porque es el vector de babesiosis y anaplasmosis. Ha sido obtenido un clon de E. coli capaz de expresar el antígeno recombinante Bm95, capaz de generar una protección inmune contra R. microplus. La metodología de optimización es implementada usando una biblioteca de cuatro modelos de tendencias para la optimización de la producción de rBm95 de un cultivo de alta densidad celular.

In this thesis the problem of bioprocesses improvement is raised. A methodology for experimental optimization is developed and it is implemented for the production improvement of the rBm95 antigen from Rhipicepalus microplus in a bench scale high cell-density culture of Escherichia coli. The developed methodology searchs iterativately the best operating condition for a particular bioprocess. In this attempt Optimal Dynamic Experiments are designed. Those experiments are composed of both the operating condition which would maximize the objective function associated to the bioprosses and a sampling strategy from which the most relevant information could be obtained for optimization purposes. Tendency models describe the general dynamics of a process. In this work, they are used for designing the experiments for optimization. At each iteration, models are updated by (re)estimating the most relevant kinetic parameters. R. microplus is the most important tick around the world since it not only decreases meat and milk production but pregnancy rates. Also, this dangerous tick produces anaemia, is a vector for babesiosis and anaplasmosis and even can cause death of infested animals. On the other hand, the injuries in animals’ skin are potential infective centers which diminish leathers quality. The recombinant antigen Bm95, which is effective in developing inmunity against R. microplus, has been expressed in E. coli. The developed optimization methodology is implemented using a library of four tendency models for the optimization of rBm95 production in a high cell-density culture.