Projekts: Ar genoma mēroga stehiometrisko modelēšanu sasaistīta bioreaktora vadības sistēma (GenCon)

Projekta Nr. 1.1.1.1/20/A/137

Finansējums avots: Eiropas Reģionālās attīstības fonda 1.1.1.1. aktivitāte “Praktiskas ievirzes pētījumi”, 4.kārta.

Projekta vadošais partneris: Latvijas Universitāte

Projekta partneri: A/S “Biotehniskais Centrs”

Projekta periods: 01.06.2021. – 30.11.2023. (30 mēneši)

Projekta izmaksas: 540 000 EUR (t.sk. 444 366 EUR ERAF finansējums)

Projekta vadītājs: Profesors, Dr.sc.ing. Egils Stalidzāns, egils.stalidzans@lu.lv

Mērķis: izstrādāt jauna tipa bioreaktoru vadības sistēmu ar ieviestiem izmērāmiem ekonomiskiem, vides un sociāliem ilgtspējīgas metaboliskajiem stacionārā stāvokļa marķieriem. Izmantoto organismu metaboliskos stāvokļus izvēlas, analizējot mikrobu metabolisma matemātisko modelēšanu genoma mērogā.

Kopsavilkums: Pašlaik rūpniecības ķīmisko vielu ražošana no naftas ir dominējoša un būtībā nav ilgtspējīga, jo nafta ir neatjaunojama izejviela, un naftas ķīmijas ražošana un izmantošana ievērojami ietekmē gan vides piesārņojumu, gan klimata pārmaiņas. Vienlaikus tiek lēsts, ka 75% zāļu molekulu un 25% visu ķīmisko vielu ražošanu varētu veikt, biopārstrādē izmantojot atjaunojamos bioresursus vai bioloģiskos atkritumus, lai aizstātu fosilos resursus.

Paredzams, ka rūpnieciskā biotehnoloģija ar gada pieauguma tempu 7% sasniegs apgrozījumu 50 BEUR līdz 2030. gadam. Projekts “GenCon” ierosina biotehnoloģiskā procesa izstrādes laikā ņemt vērā biotehnoloģijas ražošanas ekonomiskās, vides un sociālās ilgtspējas aspektus. Vēlamā ražošanas režīma nomērāmie marķieri tiks integrēti jauna tipa bioreaktoru vadības sistēmā, lai nodrošinātu konstruētā bioprocesa praktisko realizēšanu. Lai izvēlētos labāko risinājumu starp plašajām iespējām, tiks izmantota intensīva matemātiskā modelēšana un skaitļošana.

Projektā tiks aplūkota Viedās specializācijas stratēģijas (RIS3) prioritārā joma “Zināšanu ietilpīga bioekonomika”, un vairākas mērķgrupas izmantos projekta rezultātus.

Projekta galvenās darbības ietver genoma mēroga metabolisko modelēšanu mikroorganismiem, lai noteiktu un ieviestu ekonomiski, ekoloģiski un sociāli efektīvākos biotransformācijas iestatījumus (uz modeļa balstītu barotnes sastāva un/vai organisma reakciju tīkla izmaiņas) bioreaktora vadības sistēmā, nodrošinot biotransformācijas ilgtspējīgu rūpniecisku realizāciju. Pieeja tiks pārbaudīta pielietojumu piemēros, kuros kā fermentācijas procesa kandidātus izmanto labi zināmus biotehnoloģiskos organismus: Bacillus subtilis Riboflavīna (vitamīna B2) ražošanai, Escherichia coli aminoskābes triptofāna ražošanai un Pichia pastoris rekombinanto proteīnu ražošanai. Projekta laikā tiks pārbaudīta jauna bioreaktora vadības sistēma kā koncepcijas pierādījums. Rezultātā, kā jaunās tehnoloģijas prototips (TRL4), tiks piegādāta jauna bioreaktora vadības sistēmas izstrādes tehnoloģija.

Laboratorijas mēroga ražošanu īstenos kopā ar rūpniecisko partneri – pieredzējušu bioreaktoru ražotāju, 1996. gadā dibināto AS “Biotehniskais centrs”.

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.06.2021. līdz 31.08.2021.

Pārskata periodā ir uzsākta projekta īstenošana, adaptēti pirmie Escherichia coli un Pichia pastoris genoma mēroga metaboliskie modeļi (GMMM). Tiek attīstīti modeļu svarīgāko atzaru reakciju plūsmu vizualizācijas varianti. Adaptējot GMMM, uzlabota funkcionalitāte GMMM salīdzināšanas un apvienošanas rīkam "Moderator" interaktīvai modeļu apvienošanai.

Tāpat tiek detalizēta integrētās vērtēšanas kritērija ekonomiskā komponente substrātu un produktu izmaksu/ieņēmumu aspektā. Izstrādātas pirmās versijas ekenomiskās komponentes vektoru ieviešanai, lai paplašinātu stehiometrisko modeļu optimizācijas kritēriju. Pārskata periodā pētnieku komanda uzsāka darbu pie apskata raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem un ražošanas procesa ietekmes uz vidi vērtējumu. Tika veikti vairāki komunikācijas pasākumi, kā arī notika trīs projekta komandas sanāksmes, kurās apspriests projekta kopējais progress, riski, kas var kavēt projekta rezultātu sasniegšanu, un darbības šo risku mazināšanai.

Savukārt projekta partnera, AS “BTC”, institūcijā ir izstrādāti bioreaktora vadības sistēmas analizējamo procesu strukturēti saraksti tālākai ieviešanai SCADA sistēmā, sadarbojoties ar fermentācijas procesu un matemātiskās modelēšanas speciālistiem. Izveidota metaboliskās modelēšanas rezultātā iegūto mikroorgaismu stāvokļu atpazīšanas likumu ieviešanas forma datu apmaiņai starp modelētājiem un bioreaktora vadības sistēmu. Noris darbs pie automātiskās fermentācijas stāvokļu reģistrēšanas un arhivēšanas sistēmas strukturēšanas.

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.09.2021. līdz 30.11.2021. 

Pārskata periodā tika testēti kritērija ekonomiskās komponentes ieviešanas varianti adaptētajos modeļos, notika vides kritēriju kopas definēšana. Tika izveidots automātiska substrātu un produktu spektra papildināšanas algoritms, kas adaptē GMMM tālākajām optimizācijas operācijām. Vēl vairāku organismu modeļi ir tikuši adaptēti. Tiek transformētas metabolītu nosaukumu sistēmas ar MODEARTOR rīku. Integrētās vērtēšanas kritērija vides komponentes detalizācijas pakāpe tiek adaptēta substrātiem un produktiem ar dažādu pieejamo informācijas daudzumu. Vides komponente tiek rēķināta paralēli ar ekonomisko komponenti, mazinot augstu jutību uz vides ziņā ietekmīgu substrātu ražošanas plūsmu variabilitāti. 

Projekta partnera uzņēmumā, AS “BTC”, tika plānoti un realizēti provizoriski eksperimenti, izmantojot pirmo mikroorganisma celma kandidātu, kā arī organizēta un optimizēta eksperimentālo datu apmaiņas plūsma starp projektā iesaistītajām grupām. Tāpat noris darbs pie automātiskās fermentācijas stāvokļu reģistrēšanas un arhivēšanas sistēmas projektēšanas. Balstoties uz eksperimentālo datu pieejamību, sistēma tiek optimizēta un pielāgota. 

Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/gencon

Projekta zinātniskais vadītājs: Egils Stalidzāns, e-pasts: egils.stalidzans@lu.lv

Projekta administratīvā vadītāja: Agnese Kukela, e-pasts: agnese.kukela@lu.lv

 

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.11.2021. līdz 28.02.2022. 

Šajā periodā tika paplašināts kritēriju spektrs ar vides komponentēm. Kritērijs tiek ieviests metabolsikās modelēšanas un optimizācijas rīkos. Adaptēto genoma mēroga metabolisko modeļu kopa tika uzlabota pēc kvalitātes saskaņā ar MEMOTE kritērijiem, kas ļauj identificēt kļūdas, atkārtošanās un cita veida problēmas, kas mēdz būt sastopamas modeļos. Īpaši tiek testētas biomasas reakcijas masas nezūdamības nodrošināšanas ziņā. 

Darbā pie integrētas vērtēšanas skalas izveides redzams, ka biotehnoloģisko procesu negatīvā ietekme uz vidi un sabiedrību pazemina integrēto vērtējumu, novedot to pie negatīvām vērtībām. Notiek kritēriju svara sabalansēšana integrētajā rādītājā, lai novērstu kādas komponentes dominanci. 

Ir uzsākti risinājumu integrētās vērtības aprēķini ar nesacītam kritēriju vērtībām, veidojot matemātisko aparātu aprēķinu veikšanai, tiek meklēti piemēroti algoritmi plūsmu variabilitātes mazināšanai, kas ir marķieru meklēšanas priekšnosacījums. 

Bioreaktorā nepārtraukti automātiski mērāmo parametru saraksts tiek salāgots ar GMMM optimizācijas metodēm automātisku aprēķinu realizācijai. Tiek veidoti modelim atbilstoši sintētisko barotņu varianti, lai noteiktu tām raksturīgās ietekmes uz GMMM reizinājumu telpu un mērāmo metabolītu ražošanas variabilitāti. 

Partnera institūcijā, AS “BTC”, tika turpināta  kultivācijas eksperimentu realizācija, izmantojot pirmo mikroorganisma celma kandidātu. Tika organizēta un optimizēta eksperimentālo datu apmaiņas plūsma starp projektā iesaistītajām grupām. Tiek veiktas eksperimentālo datu analīze. Paralēli noris darbs pie automātiskās fermentācijas stāvokļu reģistrēšanas un arhivēšanas sistēmas projektēšanas/izveides. 

Projekta zinātniskais asistents Kristaps Bērziņš LU 80. ikgadējās zinātniskās konferences un Vidzemes Inovāciju nedēļas ietvaros (http://innovation.vidzeme.lv/lv/) š.g. 25. februārī uzstājās ar referātu par tēmu "Metaboliskās inženierijas sasaiste ar bioreaktora vadības sistēmu". http://innovation.vidzeme.lv/lv/pasakumi/2022-02-25/kas-vienam-lieks-otram-prieks-bet-ko-darit-ar-razosanas-blakus-produktiem-un-bioatkritumiem.html 

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.03.2022. līdz 31.05.2022. 

Šajā pārskata periodā turpinājās vērtēšanas skalas modifikācijas, tika pārbaudīti efektīvi risinājumu meklēšanas algoritmi. Tāpat darbs turpinājās arī ar Pichia pastoris, Bacillus subtilis un Escherichia coli genoma mēroga modeļu precizēšanu un literatūras avotu pārbaudi. Skalā tiek ieviesti metaboliskās inženierijas parametri, kas raksturo delēciju un insertu ietekmi uz risinājuma vērtību. Tiek analizēts ģenētiskās modifikācijas fakta sociālās ietekmes ieviešana. Veikta aprēķinu metodikas uzlabošana, ieviešot optimizācijas kritērija vektora formu matricu aprēķinos, kā arī LAMOS optimizācijas pieejas adaptācija. 

Aktivitātē “Modelēšanā balstīta marķieru noteikšana” plūsmu variabilitātes mazināšanā tika izveidotas vēlamā fermentācijas režīma reakciju kopas, pēc to variabilitātes un nulles plūsmas pieļaujamības. Nepārtraukti mērāmo parametru kombinatoriālais skrīnings marķieru ranzēšanai tika veikts ar dažādu algoritmu palīdzību, izvērtējot to efektivitāti un ātrdarbību. Savukārt, barotņu kombinatoriālā testēšana modeļa līmenī tika veikta, lai meklētu barotnes ar apmierinošu produkta ražošanas intensitāti un pieņemamu plūsmu variabilitāti. 

Projekta partnera uzņēmumā, AS “BTC”, tika uzsāktas darbības, kas saistītas ar metabolītisko stāvokļu un attiecīgo marķieru atpazīšanas algoritmu testēšanu un validāciju izvelētiem mikroorganismu celmiem un fermentācijas procesu gadījumiem. Tiek analizēti fermentācijas procesu eksperimentālie dati, lai identificētu potenciālus marķierus. Secīgi tiek konstruēti stāvokļu korekcijas algoritmi, kuri tiek aprobēti eksperimentos. 

Aktivitātē “Adaptīvās vadības sistēmas izstrāde un iestatīšana” tiek turpināti kultivācijas eksperimenti ar pirmo izvelēto mikroorganisma celmu. Tiek savākti eksperimentālie dati, kas ļaus identificēt svarīgākos procesa parametrus, kuri savukārt labāk aprakstīs tekošo metabolītisko stāvokli (marķieri). Īpaša uzmanība arī tiek pievērsta mērķa produkta kvantificēšanai, t.i. analītisko metožu izstrādei, kas ļautu ātri un at-line režīmā noteikt glikolipīdu sintēzes ātrumu. 

Tika pabeigta BVS sistēmas arhitektūras izveide un darba pakas ietvaros tika uzbūvēts sākotnējais sistēmas prototipa variants, ar kuru būtu iespējams gan automātiski noteikt tekošo metabolītisko stāvokli, gan novirzīt fermentāciju atpakaļ optimālā stāvoklī, ja tiek konstatēta nobīde. Sākotnējā BVS vadības sistēmas versija tiek gatavota pirmajiem izmēģinājumiem. 

Pēdējās izmaiņas veiktas