توصيف النظم المعقدة باستخدام تصميم التجارب النهج: عابر التعبير البروتين في التبغ كدراسة حالة
Summary
نحن تصف تصميم التجارب النهج التي يمكن استخدامها لتحديد ونمذجة تأثير العناصر التحوير التنظيمية والنمو والتنمية المعلمات النبات، وشروط الحضانة على التعبير عابرة من الاجسام المضادة والبروتينات مراسل في النباتات.
Abstract
توفر النباتات فوائد متعددة لإنتاج المستحضرات الصيدلانية البيولوجية بما في ذلك تكاليف منخفضة، والتدرجية، والسلامة. يقدم التعبير عابرة ميزة إضافية للتنمية قصيرة والأوقات الإنتاج، ولكن يمكن لمستويات التعبير تتفاوت تفاوتا كبيرا بين دفعات بالتالي مما أدى إلى مخاوف تنظيمية في سياق الممارسات التصنيعية الجيدة. استخدمنا تصميم التجارب (وزارة الطاقة) نهج لتحديد تأثير العوامل الرئيسية مثل العناصر التنظيمية في بناء التعبير ونمو النبات والمعلمات التنمية، وشروط الحضانة خلال التعبير، على تنوع التعبير بين دفعات. اختبرنا النباتات تعبر عن مكافحة فيروس نقص المناعة البشرية الأضداد وحيدة النسيلة نموذج (2G12) والبروتين علامة فلوري (DsRed). نناقش الأساس المنطقي لاختيار خصائص معينة من النموذج وتحديد حدودها المحتملة. يمكن بسهولة نقل النهج العام إلى مشاكل أخرى لأن مبادئ نموذج لإعادة على نطاق واسع للتطبيق: القائم على المعرفة اختيار المعلمة، والحد من التعقيد عن طريق تقسيم المشكلة إلى وحدات أصغر الأولية، وإعداد برامج موجهة لمجموعات التجربة الأمثل وتصميم خطوة حكيمة تكبير. وبالتالي، فإن منهجية مفيد لوصف البروتين التعبير في النباتات ولكن أيضا للتحقيق في الأنظمة المعقدة الأخرى التي تفتقر إلى وصف الآلية ليس فقط. المعادلات التنبؤية واصفا الترابط بين المعلمات يمكن استخدامها لإنشاء نماذج الآلي لأنظمة معقدة أخرى.
Introduction
إنتاج البروتينات الصيدلانية البيولوجية في النباتات هو مفيد لأن النباتات هي غير مكلفة لتنمو، ومنصة يمكن زيادتها فقط من خلال زراعة المزيد من النباتات، والكائنات الممرضة للإنسان غير قادر على تكرار 1،2. استراتيجيات التعبير عابرة تستند على سبيل المثال على التسلل من الأوراق مع الأجرعية المورمة يوفر فوائد إضافية لأن يتم تقليل الوقت بين نقطة التسليم الحمض النووي وتسليم منتج تنقيته من سنة إلى أقل من 2 شهور 3. يستخدم التعبير عابرة أيضا لتحليل وظيفي، على سبيل المثال لاختبار الجينات لقدرتها على استكمال الخسارة من وظيفة المسوخ أو للتحقيق تفاعلات البروتين 4-6. ومع ذلك، ومستويات التعبير عابرة تميل إلى إظهار قدر أكبر من التباين دفعة إلى دفعة من مستويات التعبير في النباتات المعدلة وراثيا 7-9. وهذا يقلل من احتمال أن عمليات التصنيع الصيدلانية البيولوجية على أساس عابر واي التعبيرليرة لبنانية تتم الموافقة عليها في سياق الممارسات التصنيعية الجيدة (GMP) لاستنساخ هو سمة الجودة الحرجة، ويخضع لتقييم المخاطر 10. يمكن لمثل الاختلاف أيضا قناع أي التفاعلات التي تنوي الباحثين للتحقيق. لذلك، شرعنا في تحديد العوامل الرئيسية التي تؤثر على مستويات التعبير عابرة في النباتات وبناء ذات جودة عالية نموذج تنبؤي الكمي.
وغالبا ما يستخدم (OFAT) نهج عامل واحد في واحد في وقت لتوصيف تأثير (أثر) من بعض المعلمات (العوامل) على النتيجة (الاستجابة) من تجربة 11. ولكن هذا هو الأمثل لأن الاختبارات الفردية (يدير) أثناء التحقيق (التجربة) سيتم محاذاة مثل اللؤلؤ على سلسلة عبر المنطقة المحتملة امتدت من العوامل التي يتم اختبارها (تصميم الفضاء). تغطية تصميم الفضاء، وبالتالي درجة المعلومات المستقاة من التجربة هومنخفضة، كما هو مبين في الشكل 1A 12. علاوة على ذلك، يمكن أن الترابط بين عوامل مختلفة (عامل التفاعلات) لا تزال مخبأة مما أدى إلى نماذج الفقراء و / أو التنبؤ أوبتيما كاذبة، كما هو مبين في الشكل 1B 13.
السلبيات المذكورة أعلاه يمكن تجنبها باستخدام تصميم التجارب (وزارة الطاقة) في النهج الذي تنتشر تشغيل من تجربة أكثر بالتساوي في جميع أنحاء تصميم الفضاء، وهذا يعني أن أكثر من عامل واحد وتتنوع بين اثنان أشواط 14. هناك تصاميم المتخصصة لمخاليط، وفحص العوامل (تصاميم مضروب) والكميات من آثار عامل على الردود (أساليب السطح ردا على ذلك، RSM ق) 15. علاوة على ذلك، RSMs يمكن أن تتحقق عن تصاميم المركزية مركب ولكن يمكن أيضا أن يتحقق على نحو فعال باستخدام البرمجيات المتخصصة التي يمكن أن تطبق معايير مختلفة لاختيار أشواط. على سبيل المثال، ما يسمى D-optimalitسوف ذ معيار تحديد أشواط ذلك لتقليل الخطأ في معاملات النموذج الناتج، في حين أن المعيار IV-المثالية يختار أشواط أن تحقيق أدنى التنبؤ التباين في جميع أنحاء تصميم الفضاء 15،16. في RSM وصفنا هنا يسمح الكميات الدقيقة لبروتين تعبير عابر في النباتات، ولكن يمكن بسهولة أن يتم نقلها إلى أي نظام ينطوي عدة (~ 5-8) العوامل الرقمية (مثل درجة الحرارة والوقت والتركيز) وعدد قليل (~ 2 – 4) العوامل قاطعة (مثل المروج، لون) الذي وصف الآلية غير متوفرة أو معقدة للغاية في تصميم نموذج.
النهج زارة الطاقة نشأت في العلوم الزراعية ولكن قد انتشر إلى مناطق أخرى لأنها قابلة للتحويل إلى أي الحالة التي يكون فيها من المفيد للحد من عدد من يدير اللازمة للحصول على بيانات موثوقة وتوليد نماذج وصفية لعمليات معقدة. وهذا بدوره أدى إلى إدراج زارة الطاقة في "إرشادات لالصناعة، Q8 (R2) تطوير ادوية "الصادرة عن المؤتمر الدولي لمواءمة المتطلبات التقنية لتسجيل المستحضرات الصيدلانية للاستخدام البشري (ICH) 17. يستخدم على نطاق واسع الآن زارة الطاقة في مجال البحث العلمي والصناعة 18. ومع ذلك، يجب توخي الحذر خلال تخطيط وتنفيذ التجربة لاختيار درجة متعدد الحدود غير لائق لنموذج متعدد الانحدار الخطي (نموذج القاعدة) يمكن أن يعرض حاجة لأشواط إضافية لنموذج جميع الآثار عامل بشكل صحيح. وعلاوة على ذلك، تالفة أو مفقودة توليد نماذج البيانات غير صحيحة وخاطئة التوقعات، وربما حتى منع أي محاولة بناء نموذج كما هو موضح في البروتوكول والمناقشة أقسام 18. في قسم البروتوكول، ونحن سوف تحدد في البداية من الخطوات الأكثر أهمية التخطيط للتجربة تستند RSM-ثم شرح التصميم على أساس وزارة الطاقة برامج DesignExpert V8.1، ولكن تصاميم مماثلة يمكن أن يبنى مع غيرها من البرمجيات includiنانوغرام أحزاب اللقاء المشترك، Modde، وSTATISTICA. يتم اتباع الإجراءات التجريبية حسب تعليمات لتحليل البيانات والتقييم.
الشكل 1. مقارنة OFAT وزارة الطاقة. A. تباين متتابعة من عامل واحد في وقت واحد (OFAT) في تجربة (الدوائر الأسود والأحمر والأزرق) يحقق التغطية المنخفضة من تصميم الفضاء (المناطق التي تحاك). في المقابل، فإن الاختلاف من أكثر من عامل واحد في وقت واحد باستخدام تصميم التجارب (وزارة الطاقة) استراتيجية (الدوائر الخضراء) يعزز التغطية وبالتالي دقة النماذج الناتجة عن ذلك. ب. التغطية المتحيزة تصميم الفضاء يعني أن التجارب OFAT (الدوائر السوداء) يمكن أن تفشل أيضا لتحديد مناطق التشغيل الأمثل (الحمراء)، والتنبؤ الحلول دون المستوى الأمثل (دائرة سوداء كبيرة)، في حين أن وزارة الطاقة strategiوفاق (النجوم السوداء) هم أكثر عرضة لتحديد الظروف الأفضل (نجمة سوداء كبيرة).
Protocol
Representative Results
Discussion
كل تجربة يتطلب تخطيطا دقيقا لأن الموارد غالبا ما تكون نادرة وباهظة الثمن. هذا صحيح بصفة خاصة للاستراتيجيات وزارة الطاقة هذا بسبب أخطاء أثناء مرحلة التخطيط (على سبيل المثال اختيار نموذج القاعدة التي لا تغطي جميع التفاعلات عامل هام) يمكن أن يقلل بشكل كبير من القوة…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفون ممتنون للدكتور توماس Rademacher عن توفير pPAM محطة ناقلات التعبير وإبراهيم أميدي للزراعة نباتات التبغ المستخدمة في هذه الدراسة. نود أن نشكر الدكتور ريتشارد م. Twyman لمساعدته في تحرير المخطوطة. كان في جزء منه تمويل هذا العمل من قبل مجلس البحوث الأوروبي المتقدم غرانت "المستقبل-فارما"، اقتراح عدد 269110 وفراونهوفر Zukunftsstiftung (مؤسسة فراونهوفر المستقبل).
Materials
| Design-Expert(R) 8 | Stat-Ease, Inc. | n.a. | DoE software |
| Tryptone | Carl Roth GmbH | 8952.2 | Media component |
| Yeast extract | Carl Roth GmbH | 2363.2 | Media component |
| Sodium chloride | Carl Roth GmbH | P029.2 | Media component |
| Ampicillin | Carl Roth GmbH | K029.2 | Antibiotic |
| Agar-Agar | Carl Roth GmbH | 5210.2 | Media component |
| Escherichia coli K12 DH5a | Life technologies | 18263-012 | Microorganism |
| pPAM | GenBank | AY027531 | Cloning/expression vector; |
| NucleoSpin Plasmid | MACHEREY-NAGEL GmbH | 740588.250 | Plasmid DNA isolation kit |
| NucleoSpin Gel and PCR Clean-up | MACHEREY-NAGEL GmbH | 740609.250 | Plasmid DNA purification kit |
| NanoDrop 2000 | Thermo Scientific | n.a. | Spectrophotometer |
| NcoI | New England Biolabs Inc. | R3193L | Restrictionendonuclease |
| EcoRI | New England Biolabs Inc. | R3101L | Restrictionendonuclease |
| AscI | New England Biolabs Inc. | R0558L | Restrictionendonuclease |
| NEB 4 | New England Biolabs Inc. | B7004S | Restrictionendonuclease buffer |
| TRIS | Carl Roth GmbH | 4855.3 | Media component |
| Disodium tetraborate | Carl Roth GmbH | 4403.3 | Media component |
| EDTA | Carl Roth GmbH | 8040.2 | Media component |
| Agarose | Carl Roth GmbH | 6352.4 | Media component |
| Bromophenol blue | Carl Roth GmbH | A512.1 | Color indicator |
| Xylene cyanol | Carl Roth GmbH | A513.1 | Color indicator |
| Glycerol | Carl Roth GmbH | 7530.2 | Media component |
| Mini-Sub Cell GT Cell | BioRad | 170-4406 | Gel electrophoresis chamber |
| Agrobacterium tumefaciens strain GV3101:pMP90RK | DSMZ | 12365 | Microorganism |
| Electroporator 2510 | Eppendorf | 4307000.658 | Electroporator |
| Beef extract | Carl Roth GmbH | X975.2 | Media component |
| Peptone | Carl Roth GmbH | 2365.2 | Media component |
| Sucrose | Carl Roth GmbH | 4621.2 | Media component |
| Magnesium sulfate | Carl Roth GmbH | 0261.3 | Media component |
| Carbenicillin | Carl Roth GmbH | 6344.2 | Antibiotic |
| Kanamycin | Carl Roth GmbH | T832.3 | Antibiotic |
| Rifampicin | Carl Roth GmbH | 4163.2 | Antibiotic |
| FWD primer | Eurofins MWG Operon | n.a. | CCT CAG GAA GAG CAA TAC |
| REV primer | Eurofins MWG Operon | n.a. | CCA AAG CGA GTA CAC AAC |
| 2720 Thermal cycler | Applied Biosystems | 4359659 | Thermocycler |
| RNAfold webserver | University of Vienna | n.a. | Software |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | Fertilizer |
| Grodan Rockwool Cubes 10x10cm | Grodan | n.a. | Rockwool block |
| Greenhouse | n.a. | n.a. | For plant cultivation |
| Phytotron | Ilka Zell | n.a. | For plant cultivation |
| Omnifix-F Solo | B. Braun | 6064204 | Syringe |
| Murashige and Skoog salts | Duchefa | M 0222.0010 | Media component |
| Glucose | Carl Roth GmbH | 6780.2 | Media component |
| Acetosyringone | Sigma-Aldrich | D134406-5G | Phytohormon analogon |
| BioPhotometer plus | Eppendorf | 6132 000.008 | Photometer |
| Osram cool white 36 W | Osram | 4930440 | Light source |
| Disodium phosphate | Carl Roth GmbH | 4984.3 | Media component |
| Centrifuge 5415D | Eppendorf | 5424 000.410 | Centrifuge |
| Forma -86C ULT freezer | ThermoFisher | 88400 | Freezer |
| Synergy HT | BioTek | SIAFRT | Fluorescence plate reader |
| Biacore T200 | GE Healthcare | n.a. | SPR device |
| Protein A | Life technologies | 10-1006 | Antibody binding protein |
| HEPES | Carl Roth GmbH | 9105.3 | Media component |
| Tween-20 | Carl Roth GmbH | 9127.3 | Media component |
| 2G12 antibody | Polymun | AB002 | Reference antibody |
References
- Fischer, R., Emans, N. Molecular farming of pharmaceutical proteins. Transgenic research. 9, 277-299 (2000).
- Commandeur, U., Twyman, R. M., Fischer, R. The biosafety of molecular farming in plants. AgBiotechNet. 5, 9 (2003).
- Shoji, Y., et al. A plant-based system for rapid production of influenza vaccine antigens. Influenza Other Resp. 6, 204-210 (2012).
- Goodin, M. M., Zaitlin, D., Naidu, R. A., Lommel, S. A. Nicotiana benthamiana: Its history and future as a model for plant-pathogen interactions. Mol Plant Microbe In. 21, 1015-1026 (2008).
- Berg, R. H., Beachy, R. N. Fluorescent protein applications in plants. Method Cell Biol. 85, 153 (2008).
- Chung, S. M., Vaidya, M., Tzfira, T. Agrobacterium is not alone: gene transfer to plants by viruses and other bacteria. Trends in plant science. 11, 1-4 (2006).
- Sheludko, Y. V., Sindarovska, Y. R., Gerasymenko, I. M., Bannikova, M. A., Kuchuk, N. V. Comparison of several Nicotiana species as hosts for high-scale Agrobacterium-mediated transient expression. Biotechnology and Bioengineering. 96, 608-614 (2007).
- Wydro, M., Kozubek, E., Lehmann, P. Optimization of transient Agrobacterium-mediated gene expression system in leaves of Nicotiana benthamiana. Acta Biochimica Polonica. 53, 289-298 (2006).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Processing heterogeneous biomass: Overcoming the hurdles in model building. Bioengineered. 4, (2013).
- Fischer, R., Schillberg, S., Hellwig, S., Twyman, R. M., Drossard, J. GMP issues for recombinant plant-derived pharmaceutical proteins. Biotechnol Adv. 30, 434-439 (2012).
- Daniel, C. One-at-a-time plans. Journal of the American Statistical Association. 68, 353-360 (1973).
- Czitrom, V. One-Factor-at-a-Time versus Designed Experiments The American Statistician. 53, 6 (1999).
- Anderson, M. J., Kraber, S. L. Keys to successful designed experiments. ASQ – The global voice of quality. 6, 6 (1999).
- Montgomery, D. C. . Design and Analysis of Experiments. , (2007).
- Myers, R. H., Montgomery, D. C., Anderson-Cook, C. M. . Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments. , (2009).
- Piepel, G. F. Programs for generating extreme vertices and centroids of linearly constrained experimental regions. J Qual Technol. 20, 15 (1988).
- . . FDA. , (2009).
- Shivhare, M., McCreath, G. Practical Considerations for DoE Implementation in Quality By Design. BioProcess International. 8, 9 (2010).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Predictive models for transient protein expression in tobacco (Nicotiana tabacum L.) can optimize process time, yield, and downstream costs. Biotechnology and bioengineering. 109, 2575-2588 (2012).
- Buyel, J. F., Kaever, T., Buyel, J. J., Fischer, R. Predictive models for the accumulation of a fluorescent marker protein in tobacco leaves according to the promoter/5’UTR combination. Biotechnology and bioengineering. 110, 471-482 (2013).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. . DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. , (2000).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. . Response Surface Methods Simplified. , (2005).
- De Gryze, S., Langhans, I., Vandebroek, M. Using the correct intervals for prediction: A tutorial on tolerance intervals for ordinary least-squares regression. Chemometr Intell Lab. 87, 147-154 (2007).
- . . Plasmid DNA purification User manual. , (2012).
- . . PCR clean-up Gel extraction User manual. , (2012).
- . . Quick Ligation Protocol. 4, (2009).
- Inoue, H., Nojima, H., Okayama, H. High-Efficiency Transformation of Escherichia-Coli with Plasmids. Gene. 96, 23-28 (1990).
- Main, G. D., Reynolds, S., Gartland, J. S. Electroporation protocols for Agrobacterium. Methods in Molecular Biology. 44, 405-412 (1995).
- Gruber, A. R., Lorenz, R., Bernhart, S. H., Neubock, R., Hofacker, I. L. The Vienna RNA websuite. Nucleic acids research. 36, 70-74 (2008).
- Howell, S., Kenmore, M., Kirkland, M., Badley, R. A. High-density immobilization of an antibody fragment to a carboxymethylated dextran-linked biosensor surface. J Mol Recognit. 11, 200-203 (1998).
- Newcombe, A. R., et al. Evaluation of a biosensor assay to quantify polyclonal IgG in ovine serum used for the production of biotherapeutic antibody fragments. Process Biochem. 41, 842-847 (2006).
- Peixoto, J. L. Hierarchical Variable Selection in Polynomial Regression-Models. Am Stat. 41, 311-313 (1987).
- Peixoto, J. L. A Property of Well-Formulated Polynomial Regression-Models. Am Stat. 44, 26-30 (1990).
- Sanders, P. R., Winter, J. A., Barnason, A. R., Rogers, S. G., Fraley, R. T. Comparison of cauliflower mosaic virus 35S and nopaline synthase promoters in transgenic plants. Nucleic acids research. 15, 1543-1558 (1987).
- Ma, J. K. C., et al. Generation and Assembly of Secretory Antibodies in Plants. Science. 268, 716-719 (1995).
- Wycoff, K. L. Secretory IgA antibodies from plants. Curr Pharm Design. 11, 2429-2437 (2005).
- Pace, C. N., Vajdos, F., Fee, L., Grimsley, G., Gray, T. How to measure and predict the molar absorption coefficient of a protein. Protein Sci. 4, 2411-2423 (1995).
