A genome‐scale metabolic network model and machine learning predict amino acid concentrations in Chinese Hamster Ovary cell cultures

生物过程 中国仓鼠卵巢细胞 生物信息学 氨基酸 生物反应器 系统生物学 生化工程 通量平衡分析 计算生物学 代谢网络 生物 代谢工程 计算机科学 生物技术 生物化学 工程类 古生物学 植物 受体 基因
作者
Song‐Min Schinn,Carly Morrison,Wei Wei,Lin Zhang,Nathan E. Lewis
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:118 (5): 2118-2123 被引量:48
标识
DOI:10.1002/bit.27714
摘要

The control of nutrient availability is critical to large-scale manufacturing of biotherapeutics. However, the quantification of proteinogenic amino acids is time-consuming and thus is difficult to implement for real-time in situ bioprocess control. Genome-scale metabolic models describe the metabolic conversion from media nutrients to proliferation and recombinant protein production, and therefore are a promising platform for in silico monitoring and prediction of amino acid concentrations. This potential has not been realized due to unresolved challenges: (1) the models assume an optimal and highly efficient metabolism, and therefore tend to underestimate amino acid consumption, and (2) the models assume a steady state, and therefore have a short forecast range. We address these challenges by integrating machine learning with the metabolic models. Through this we demonstrate accurate and time-course dependent prediction of individual amino acid concentration in culture medium throughout the production process. Thus, these models can be deployed to control nutrient feeding to avoid premature nutrient depletion or provide early predictions of failed bioreactor runs.

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