Computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines Fermentationsmodels Computer-implemented method for creating a fermentation model
Die Erfindung betrifft ein Computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines Models einer Bioreaktion - insb. Fermentation oder Ganzzellkatalyse - unter Verwendung eines Organismus. The invention relates to a computer-implemented method for creating a model of a bioreaction - esp. Fermentation or whole-cell catalysis - using an organism.
Organismus im Sinne der Anmeldung sind Kulturen aus pflanzlichen oder tierischen Zellen wie Säugetierzellen, Hefen, Bakterien, Algen, usw., die in Bioreaktionen eingesetzt werden. Organism in the sense of the application are cultures of plant or animal cells such as mammalian cells, yeasts, bacteria, algae, etc., which are used in bioreactions.
Die sensorische Überwachung eines Fermentationsprozesses und Analyse von Proben aus einem Prozess z. B. mit Hilfe der Quality-by-Design Analytik-Automatisierungsplattform BaychroMAT® der Bayer Technology Services GmbH liefert verschiedene Informationen über den Zustand des Prozesses in dem Bioreaktor in Echtzeit. Typischerweise werden Zellenanzahl, Zellvitalität, Konzentrationen von Substraten, wie Kohlenstoffquellen (z. B. Glukose), Aminosäuren oder O2, Produkten und Nebenprodukten (z. B. Laktat oder CO2,), Prozessparameter wie Temperatur und/oder pH-Wert oder Produktmerkmale ermittelt. Diese Daten können durch berechnete Daten und/oder Extrapolationen z. B. aus dem Stand der Technik ergänzt werden. Zusammen bilden diese Daten die Messdaten oder das Prozesswissen im Sinne der Anmeldung. The sensory monitoring of a fermentation process and analysis of samples from a process z. Using the BaychroMAT® quality-by-design analytics automation platform from Bayer Technology Services GmbH provides various information about the state of the process in the bioreactor in real time. Typically, cell counts, cell vitality, concentrations of substrates such as carbon sources (eg, glucose), amino acids or O2, products and by-products (eg, lactate or CO2), process parameters such as temperature and / or pH or product characteristics are determined , This data can be calculated by calculated data and / or extrapolations z. B. be supplemented from the prior art. Together, these data form the measurement data or the process knowledge in the sense of the application.
Hintergrundwissen zu dem Organismus bedeutet im Sinne der Anmeldung Wissen über die biochemischen Reaktionen des Organismus - spezifische und unspezifische Reaktionen - und insbesondere die zellinternen Reaktionen, bzw. Makroreaktionen zur Beschreibung der organismusspezifischen Stoffwechselnetzwerke (auch SN oder metabolische Netzwerke genannt), die aus Substraten, Metaboliten (auch Knoten des metabolischen Netzwerks genannt), Produkten sowie den biochemischen Reaktionen zwischen ihnen bestehen. Diese biochemischen Reaktionen sind durch ihre: In the context of the application, background knowledge of the organism means knowledge about the biochemical reactions of the organism - specific and unspecific reactions - and in particular the cell-internal reactions, or macro-reactions describing the organism-specific metabolic networks (also called SN or metabolic networks) consisting of substrates, metabolites (also called nodes of the metabolic network), products as well as the biochemical reactions between them. These biochemical reactions are through their:
(a) Stöchiometrie (a) stoichiometry
(b) Reversibilität (unter biologischen Bedingungen) , (b) reversibility (under biological conditions),
(c) Einbindung in ein stöchiometrisches Netzwerk, (c) integration into a stoichiometric network,
definiert. Are defined.
Bisher werden die Messdaten hauptsächlich für die qualitative Überwachung des Prozesses eingesetzt. Im Folgenden wird eine Auswahl von technischen Fragestellungen dargestellt, für deren Lösung dynamische Prozessmodelle erforderlich sind.
Eine technische Verwendung des Prozesswissens im Sinne der Anmeldung bietet die modellbasierte Zustandsschätzung eines Prozesses in einem Bioreaktor. Methoden wie das„extended Kaiman Filter" ermöglichen eine kontinuierliche Abschätzung von Prozessgrößen, über die diskontinuierlich Messungen vorliegen [Welch G, Bishop G. 1995. An Introduction to the Kaiman Filter. Chapel Hill, NC, USA: University of North Carolina at Chapel Hill.]. Auch der Verlauf nicht messbarer Größen kann aus anderen Messungen berechnet werden. Voraussetzung hierfür ist ein den zugrunde liegenden Prozess richtig beschreibendes Prozessmodell. So far, the measurement data is mainly used for qualitative monitoring of the process. The following section presents a selection of technical issues that require dynamic process models to solve. A technical use of the process knowledge in the sense of the application provides the model-based state estimation of a process in a bioreactor. Methods such as the extended Kalman filter allow a continuous estimation of process variables over which discontinuous measurements are available [Welch G, Bishop G. 1995. Chapel Hill, NC, USA: University of North Carolina at Chapel Hill The course of non-measurable quantities can also be calculated from other measurements, provided that a process model is correctly described for the underlying process.
Eine weitere Anwendung ist die modellbasierte, optimale Prozessführung. Hierbei wird ein dynamisches Prozessmodell verwendet, um in einem modellbasierten, prädiktiven geschlossenen Regelkreis die Prozessführung hinsichtlich Produktmenge, Produktmerkmalen oder Bildung von Nebenprodukten oder anderen Zielgrößen zu optimieren. Dieses wird beispielsweise von Frahm et al. für eine Hybridoma Zellkultur gezeigt [Frahm B, Lane P, Atzert H, Munack A, Hoffmann M, Hass VC, Portner R. 2002. Adaptive, Model-Based Control by the Open-Loop-Feedback-Optimal (OLFO) Controller for the Effective Fed-Batch Cultivation of Hybridoma Cells. Biotechnol. Prog. 18(5): 1095- 1103J. Another application is model-based, optimal process control. Here, a dynamic process model is used to optimize process control in terms of product quantity, product characteristics or formation of by-products or other target variables in a model-based, predictive closed-loop control system. This is described, for example, by Frahm et al. for a hybridoma cell culture [Frahm B, Lane P, Atzert H, Munack A, Hoffmann M, Hass VC, Portner R. 2002. Adaptive, Model-Based Control by the Open Loop Feedback Optimal (OLFO) Controller for the Effective Fed-Batch Cultivation of Hybridoma Cells. Biotechnol. Prog. 18 (5): 1095-1103J.
Für beide genannten technischen Anwendungen ist es wichtig, dass das erstellte Prozessmodel eine möglichst geringe Komplexität, also eine begrenzte Anzahl an Zustandsvariablen und/oder Gleichungen, bei gleichzeitig guter Genauigkeit der Wiedergabe des Prozesses aufweist. For both mentioned technical applications, it is important that the created process model has the lowest possible complexity, ie a limited number of state variables and / or equations, with at the same time good accuracy of the reproduction of the process.
Neben den genannten Anwendungen zur Prozessführung können dynamische Prozessmodelle auch während der Prozessentwicklung genutzt werden um Experimente mit optimalem Informationsgewinn zu planen. Dieses Vorgehen wird als modellbasierte Versuchsplanung bezeichnet [Franceschini G, Macchietto S. 2008. Model-based design of experiments for parameter precision: State of the art. Chemical Engineering Science 63(19):4846^1872]. Neben den oben genannten Voraussetzungen für die Komplexität des Modells ist es für diese technische Anwendung erforderlich, dass ein dynamisches Prozessmodell bereits während der Entwicklungsphase vorhanden ist. Dieses sollte möglichst schnell aus bereits vorhandenem Prozesswissen erstellt werden können, um den Zeitaufwand der Prozessentwicklung gering zu halten. In addition to the mentioned applications for process control, dynamic process models can also be used during process development to plan experiments with optimal information gain. This approach is called model-based experimental design [Franceschini G, Macchietto S. 2008. Model-based design of experiments for parameter precision: State of the Art. Chemical Engineering Science 63 (19): 4846-1872]. In addition to the model complexity requirements described above, this technical application requires that a dynamic process model already exist during the development phase. This should be able to be generated as quickly as possible from existing process knowledge in order to minimize the time required for process development.
Es bestand daher der Bedarf, ein Verfahren bereit zu stellen, dass die Erstellung eines dynamischen Prozessmodells unter der Verwendung von Hintergrundwissen und Prozesswissen ermöglicht. Um dieses Modell zum Beispiel für eine Zustandsschätzung, eine optimale Prozessführung oder zur modellbasierten Versuchsplanung nutzen zu können muss hierzu die Komplexität des Modelles gering sein. Abhängigkeiten, also Einflüsse der Prozessgrößen oder des Prozesszustandes auf das Prozessverhalten, sollen innerhalb des Design Space hinreichend genau quantifiziert sein. Alle
vorliegenden Informationen über den Prozesszustand sollen hierfür genutzt werden. Die modellbasierte Beschreibung von Produktmerkmalen soll bei Bedarf in das Modell integrierbar sein. Als Design Space wird der Bereich bezeichnet indem Prozesswissen vorliegt. Das Verfahren soll auf oben aufgeführte Bioreaktionen anwendbar sein und die Entwicklungszeit solcher dynamischen Modelle wesentlich verkürzen. Bisherige Ansätze zur Entwicklung von dynamischen Modellen benötigen Monate bis Jahre bis zur Fertigstellung eines Prozessmodells. Der vorliegende Ansatz reduziert erfahrungsgemäß die Entwicklungszeit auf wenige Wochen. There was therefore a need to provide a method that allows the creation of a dynamic process model using background knowledge and process knowledge. To be able to use this model, for example for a state estimation, an optimal process control or for model-based experimental design, the complexity of the model has to be low. Dependencies, ie influences of the process variables or the process state on the process behavior, should be quantified with sufficient accuracy within the Design Space. All Present information about the process state should be used for this purpose. The model-based description of product features should be integrated into the model as needed. Design Space is the area where process knowledge exists. The method should be applicable to the bioreactions listed above and significantly reduce the development time of such dynamic models. Previous approaches to developing dynamic models take months to years to complete a process model. Experience shows that the present approach reduces the development time to a few weeks.
Typische Produktmerkmale im Sinne der Anmeldung sind beispielsweise Glykosylierungsmuster von Proteinen oder die Proteinintegrität, ohne sich darauf zu begrenzen. Dynamische Modelle, die in dem oben genannten Kontext verwendet werden, weisen diese Eigenschaft bislang nicht auf. Der vorliegende Ansatz ermöglicht eine einfache modellbasierte Integration von Produktmerkmalen. Typical product features within the meaning of the application are, for example, glycosylation patterns of proteins or protein integrity, without being limited thereto. Dynamic models used in the above context do not yet have this property. The present approach enables a simple model-based integration of product features.
Die modellbasierte Prozessführung von Fermentationen wird von Frahm et. al am Beispiel einer Hybridoma Zellkultur gezeigt (Frahm B, Lane P, Atzert H, Munack A, Hoffmann M, Hass VC, Portner R. 2002. Adaptive, Model-Based Control by the Open-Loop-Feedback-Üptimal (OLFO) Controller for the Effective Fed-Batch Cultivation of Hybridoma Cells. Biotechnol. Prog. 18(5): 1095-1103). Grundlegende Prozessgrößen werden hier modellbasiert gesteuert. Eine Integration von Produktmerkmalen findet hier nicht statt. Das mathematische Modell der Zelle wurde für diesen spezifischen Prozess entworfen und lässt sich nur mit großem Aufwand auf Prozesse mit dem gleichen oder anderen Organismen oder Stämmen des gleichen Organismus übertragen. Hintergrundwissen in Form von zellinternen Reaktionen wird im Modell nicht explizit berücksichtigt. Eine Integration weiterer Messgrößen in das Modell und somit eine vollständige Nutzung der Informationen über den Prozesszustand kann hier nur mit sehr großem Aufwand erfolgen. Der Ansatz stellt somit eine individuelle Lösung dar, die weder auf andere Prozesse übertragbar ist, noch die volle Nutzung der ermittelten Daten ermöglicht. Die genannte Methode löst aufgrund der zu erwartenden Entwicklungszeit des Modells und der aufwändigen Übertragbarkeit der Lösung auf andere Prozesse mit den gleichen oder mit anderen Organismen das oben genannte technische Problem nicht. The model-based process management of fermentations is described by Frahm et. al using the example of a hybridoma cell culture (Frahm B, Lane P, Atzert H, Munack A, Hoffmann M, Hate VC, Portner R. 2002. Adaptive, Model-Based Control by the Open-Loop-Feedback-Ultimate (OLFO) controller for the Effective Fed-Batch Cultivation of Hybridoma Cells, Biotechnol. Prog. 18 (5): 1095-1103). Basic process variables are controlled model-based here. An integration of product features does not take place here. The mathematical model of the cell was designed for this specific process and can only be transferred with great effort to processes with the same or other organisms or strains of the same organism. Background knowledge in the form of cell-internal reactions is not explicitly considered in the model. An integration of further measured variables in the model and thus a complete use of the information about the process state can be done here only with great effort. The approach thus represents an individual solution that is neither transferable to other processes nor allows full use of the data obtained. Due to the expected development time of the model and the time-consuming transferability of the solution to other processes with the same or with other organisms, the named method does not solve the above-mentioned technical problem.
Eine weitergehende Modellierung, die auch Produktmerkmale wie die Glykosylierung mit einschließt, findet sich in den Veröffentlichungen von Kontoravdi et. al. Das Modell, das den Hauptstoffwechsel beschreibt, bezieht kein Hintergrundwissen in Form von zellinternen Reaktionen mit ein und lässt sich auch nicht auf andere Prozesse mit dem gleichen oder anderen Organismen übertragen. Eine Integration weiterer Messgrößen in das Modell kann hier nicht erfolgen [Kontoravdi C, Asprey SP, Pistikopoulos EN, Mantalaris A. 2007. Development of a dynamic model of monoclonal antibody
production and glycosylation for product quality monitoring. Computers & Chemical Engineering 31(5-6):392-400.]. Diese Methode ermöglicht auch keine vollständige Nutzung der Informationen über den Prozesszustand, erfordert eine lange Entwicklungszeit des Modells und ist auf andere Organismen oder Stämme nicht übertragbar. Diese Methode stellt somit keine Lösung des technischen Problems dar. Further modeling, which also includes product features such as glycosylation, can be found in the publications by Kontoravdi et. al. The model that describes the main metabolism does not include any background knowledge in the form of cellular reactions and can not be transferred to other processes with the same or different organisms. Integration of further parameters into the model can not be done here [Kontoravdi C, Asprey SP, Pistikopoulos EN, Mantalaris A. 2007. Development of a dynamic model of monoclonal antibody production and glycosylation for product quality monitoring. Computers & Chemical Engineering 31 (5-6): 392-400.]. This method also does not allow full use of process state information, requires a long development time of the model, and is not transferable to other organisms or strains. This method does not represent a solution to the technical problem.
Die Modellierungen der Glykosylierung unter Einbindung des Nucleotidzuckerstoffwechsels von Jedrzejewski et al. und Jimenez et al. beziehen Hintergrundwissen in Form von Bilanzgleichungen interner Stoffwechselintermediate mit ein [Jedrzejewski PM, del Val, Ioscani Jimenez, Constantinou A, Dell A, Haslam SM, Polizzi KM, Kontoravdi C. 2014. Towards Controlling the Glycoform: A Model Framework Linking Extracellular Metabolites to Antibody Glycosylation. International journal of molecular sciences 15(3):4492-4522.; Jimenez del Val, Ioscani, Nagy JM, Kontoravdi C. 2011. A dynamic mathematical model for monoclonal antibody N-linked glycosylation and nucleotide sugar donor transport within a maturing Golgi apparatus. Biotechnology progress 27(6): 1730-1743 J. Bei einer Verwendung dieses Modells für die Prozessführung sind die Komplexität des gesamten Modells und die mangelnde Beobachtbarkeit zellinterner Stoffwechselintermediate aber nachteilig. Zudem lässt das Modell des Hauptstoffwechsels keine Übertragung auf andere Prozesse oder die vollständige Nutzung der Informationen über den Prozesszustand zu. Diese Methode stellt somit keine Lösung des technischen Problems dar. The modeling of glycosylation involving nucleotide sugar metabolism by Jedrzejewski et al. and Jimenez et al. [1]. [2] Abstracts in the form of balance equations of internal metabolic intermediates include [Jedrzejewski PM, del Val, Ioscani Jimenez, Constantinou A, Dell A, Haslam SM, Polizzi KM, Kontoravdi C. 2014. Towards Controlling the Glycoform: A Model Framework Linking Extracellular Metabolites to Antibody glycosylation. International Journal of Molecular Sciences 15 (3): 4492-4522; Jimenez del Val, Ioscani, Nagy JM, Kontoravdi C. 2011. A dynamic mathematical model for monoclonal antibody N-linked glycosylation and nucleotide sugar donor transport within a maturing Golgi apparatus. Biotechnology progress 27 (6): 1730-1743 J. When using this model for process control, however, the complexity of the entire model and the lack of observability of cell-internal metabolic intermediates are disadvantageous. In addition, the main metabolism model does not allow for transfer to other processes or full use of process state information. This method does not represent a solution to the technical problem.
Eine flexible Modellgenerierung für Bioprozesse wird von Leifheit et al. adressiert [Leifheit J, Heine T, Kawohl M, King R. 2007. Rechnergestützte halbautomatische Modellierung biotechnologischer Prozesse (Semiautomatic Modeling of Biotechnical Processes). at - Automatisierungstechnik 55(5)]. Die Modellgenerierung erfolgt unter Zuhilfenahme von Prozesswissen, allerdings ohne Hintergrundwissen. Die Prozedur ist für verschiedene Prozesse mit dem gleichen oder anderen Organismen verwendbar. Basis sind hier Makroreaktionen, die der Anwender selbst vorgibt. Deren genaue Stöchiometrien werden in dem Verfahren ermittelt. Die Methode wird für eine geringe Anzahl von Zustands- bzw. Messgrößen beschrieben. Eine Integration weiterer Zustands- bzw. Messgrößen wäre mit einem signifikanten Anstieg der Komplexität des Verfahrens verbunden. Bei einer Verwendung von umfassenden Datengrundlagen, wie sie beispielsweise durch die BaychroMAT®- Plattform bereitgestellt wird, wäre diese Methode nicht mehr durchführbar. Eine Integration von Produktmerkmalen ermöglicht die Methode nicht. Sie stellt somit keine Lösung des oben genannten technischen Problems dar.
Die Verwendung des Hintergrundwissens in Form von Makroreaktionen, die als Elementary Modes (EM) aus den bekannten metabolischen (stöchiometrischen) Netzwerken eines Organismus gewonnen werden, wird von Provost beschrieben [Provost A. 2006. Metabolie design of dynamic bioreaction models. Faculte des Sciences Appliquees, Universite catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve, S. 81 ff., S.107 ff. S. 118 ff,]. Diese Methode ist für verschiedene Organismen oder Stämme des gleichen Organismus verwendbar. Die Auswahl der Makroreaktionen für das Prozessmodell erfolgt unter Verwendung von Prozesswissen. Jedoch werden Prozessabschnitte definiert für die eine vordefinierte Anzahl von Makroreaktionen separat zufällig ausgewählt werden. Das beschriebene Verfahren liefert hier eine von vielen möglichen Kombinationen von Elementary Modes. Die Anzahl der Makroreaktionen, und somit die Modellkomplexität, ist festgelegt und nicht veränderbar. Das Verfahren ergibt separate Modelle für jeden Prozessabschnitt. Die Auswahl der Kinetiken der einzelnen Makroreaktionen erfolgt unter Berücksichtigung der Stöchiometrie der gewählten Makroreaktionen. Die Parameter der Kinetiken (Modellparameter) werden jedoch nicht an die Prozessdaten angepasst. Stattdessen bildet die Verwendung der separaten Prozessabschnittsmodelle die Änderungen in den Prozessdaten ab. Die zufällige Auswahl der Reaktionen kann zwar auch auf Basis einer umfassenden Datengrundlage erfolgen, allerdings können durch den beschriebenen Ansatz zur Auswahl der Kinetiken und die ausgewählten Kinetiken den Verlauf des Prozesses bzw. das Verhalten des Organismus im Prozess nicht abbilden. Die Verwendung mehrerer Prozessabschnittsmodelle führt zudem zu einer unnötigen Komplexitätssteigerung des Prozessmodells. Die Abhängigkeiten, also Einflüsse von Prozessgrößen oder des Prozesszustandes auf das Prozessverhalten, werden mit dieser Methode nicht quantifiziert. Auch findet hier eine Integration von Produktmerkmalen nicht statt. Diese Methode stellt somit keine Lösung des o. g. technischen Problems dar. Flexible model generation for bioprocesses is described by Leifheit et al. [Leifheit J, Heine T, Kawohl M, King R. 2007. Computer-aided semi-automatic modeling of biotechnological processes (Semi-Automatic Modeling of Biotechnical Processes). at - Automation Technology 55 (5)]. The model generation takes place with the help of process knowledge, but without background knowledge. The procedure can be used for different processes with the same or different organisms. The basis here are macro reactions that the user himself dictates. Their exact stoichiometries are determined in the process. The method is described for a small number of state or measured variables. An integration of further state or measured variables would be associated with a significant increase in the complexity of the method. Using a comprehensive data foundation, such as that provided by the BaychroMAT® platform, would make this method unworkable. An integration of product features does not allow the method. It therefore does not represent a solution to the above-mentioned technical problem. The use of background knowledge in the form of macro reactions obtained as elementary modes (EM) from the known metabolic (stoichiometric) networks of an organism is described by Provost [Provost A. 2006. Metabolism design of dynamic bioreaction models. Facultte des Sciences Appliquees, Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve, p. 81 ff., P.107 ff., Pp. 118 ff.]. This method is useful for various organisms or strains of the same organism. The selection of macro-reactions for the process model is done using process knowledge. However, process sections are defined for which a predefined number of macro-reactions are selected separately at random. The method described here provides one of many possible combinations of elementary modes. The number of macro reactions, and thus the model complexity, is fixed and unchangeable. The method gives separate models for each process section. The kinetics of the individual macro reactions are selected taking into account the stoichiometry of the selected macro reactions. However, the parameters of the kinetics (model parameters) are not adapted to the process data. Instead, the use of the separate process section models maps the changes in the process data. Although the random selection of reactions can also be based on a comprehensive data basis, the described approach to the selection of kinetics and the selected kinetics can not reflect the course of the process or the behavior of the organism in the process. The use of multiple process section models also leads to an unnecessary increase in complexity of the process model. The dependencies, ie influences of process variables or the process state on the process behavior, are not quantified with this method. Also, an integration of product features does not take place here. This method is therefore not a solution to the above technical problem.
Es bestand daher der Bedarf ein Verfahren bereit zu stellen, das die schnelle und effiziente Bereitstellung eines Modells auf Basis von Prozesswissen und -Messdaten und die Optimierung des Produktumsatzes und der kritischen Produktmerkmale unter Berücksichtigung von Hintergrundwissen ermöglicht und die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Therefore, there has been a need to provide a method which enables the rapid and efficient provision of a model based on process knowledge and measurement data and the optimization of the product turnover and the critical product features in consideration of background knowledge and does not have the above-mentioned disadvantages.
Die Aufgabe wurde durch ein Verfahren zur Erstellung eines Models einer Bioreaktion mit einem Organismus in einem Bioreaktor wie folgend beschrieben gelöst.
Gegenstand der Anmeldung ist ein computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines Models einer Bioreaktion - insb. Fermentation oder Ganzzellkatalyse - mit einem Organismus, das folgende Schritte umfasst: The object has been achieved by a method for creating a model of bioreaction with an organism in a bioreactor as described below. The subject of the application is a computer-implemented method for creating a model of a bioreaction - in particular fermentation or whole-cell catalysis - with an organism comprising the following steps:
a. Ausgewählte Stoffwechselwege des Organismus, deren Stöchiometrie- sowie Reversibilitätseigenschaften werden als Hintergrundwissen in das Verfahren eingegeben. Mit anderen Worten werden ein oder mehrere metabolische Netzwerke des Organismus in das Verfahren eingegeben. Elementary Modes (EMs) werden aus dieser Eingabe berechnet. a. Selected metabolic pathways of the organism, their stoichiometric and reversibility properties are entered as background knowledge in the process. In other words, one or more metabolic networks of the organism are entered into the procedure. Elementary Modes (EMs) are calculated from this input.
b. Die EMs werden in einer Matrix K zusammengefasst, wobei die EMs die Stoffwechselwege aus a) in Makroreaktionen zusammenfassen. Diese Matrix K enthält hiermit die Stöchiometrie und die Reversibilitätseigenschaften aller möglichen Makroreaktionen aus dem Hintergrundwissen. b. The EMs are summarized in a matrix K, where the EMs summarize the metabolic pathways from a) into macro reactions. This matrix K contains the stoichiometry and the reversibility properties of all possible macro reactions from the background.
c. Die Messdaten (auch Prozesswissen genannt) zur Bioreaktion mit dem Organismus werden eingegeben. c. The measurement data (also called process knowledge) for bioreaction with the organism are entered.
d. Mit Hilfe einer Interpolationsmethode werden auf Basis der eingegebenen Messdaten aus c) die für den Organismus spezifischen Raten - Ausscheide- und Aufnahmeraten von einer oder mehreren Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen - der eingegebenen Stoffwechselwege berechnet. Bevorzugt werden auch Wachstumsraten, besonders bevorzugt auch Absterberaten des Organismus berechnet. d. Using an interpolation method, on the basis of the input measurement data from c), the rates specific to the organism - excretion and uptake rates of one or more input variables and output variables - of the input metabolic pathways are calculated. Growth rates, particularly preferably also mortality rates of the organism, are preferably also calculated.
e. Relevante Makroreaktionen werden in Form eines Subsets der Elementary Modes aus b) ausgewählt durch e. Relevant macro-reactions are selected in the form of a subset of the elementary modes from b)
i. Datenunabhängige und/oder datenabhängige Vorreduktion der Anzahl der EMs aus b). ii. Auswahl des Subsets aus der Vorreduktion aus e) i. mit den Messdaten aus c) und / oder einer oder mehrerer Raten aus d), bevorzugt mit dem Messdaten aus c) mittels eines Algorithmus nach einem mathematischen Gütekriterium und Zusammenfassung des Subsets in einer Matrix L. i. Data-independent and / or data-dependent prereduction of the number of EMs from b). ii. Selection of the subset from the prereduction from e) i. with the measurement data from c) and / or one or more rates from d), preferably with the measurement data from c) by means of an algorithm according to a mathematical quality criterion and summary of the subset in a matrix L.
iii. Optional erfolgt eine Darstellung des Subsets grafisch. iii. Optionally, the subsets are displayed graphically.
f. Mit Hilfe einer Interpolationsmethode werden auf Basis der eingegebenen Messdaten aus c) und / oder der Raten aus d), die Reaktionsraten der Makroreaktionen des Subsets r(t) berechnet. f. Using an interpolation method, the reaction rates of the macro reactions of the subset r (t) are calculated on the basis of the input measured data from c) and / or the rates from d).
g. Kinetiken der Makroreaktionen des Subsets aus e) ii. werden mit folgenden Zwischenschritten entworfen; dadurch werden die Modellparameter definiert. G. Kinetics of the macro-reactions of the subset from e) ii. are designed with the following intermediate steps; This defines the model parameters.
i. Aus der Stöchiometrie der Makroreaktionen werden generische Kinetiken entworfen. ii. Einflussgrößen auf die Makroreaktionen werden aus den Reaktionsraten aus f) ermittelt.
iii. Die generischen Kinetiken aus g) i. werden um Terme erweitert, die die in g) ii. ermittelten Einflussgrößen quantifizieren. i. From the stoichiometry of the macro reactions, generic kinetics are designed. ii. Factors influencing the macro reactions are determined from the reaction rates from f). iii. The generic kinetics from g) i. are extended by terms equivalent to those in g) ii. Quantify determined influencing variables.
h. Optional erfolgt für die Kinetiken aus g) eine erste Anpassung der Modellparameterwerte für jede Makroreaktion separat an die berechneten Reaktionsraten aus f) und eine Überprüfung der Anpassungsgüte. H. Optionally, for the kinetics from g), a first adaptation of the model parameter values for each macro reaction is carried out separately to the calculated reaction rates from f) and a check of the adaptation quality.
i. Optional werden die Schritte g) und h) wiederholt bis eine vordefinierte Anpassungsgüte erreicht wird. i. Optionally, steps g) and h) are repeated until a predefined quality of adaptation is achieved.
j. Die Modellparameterwerte werden an die Messdaten aus c) angepasst. j. The model parameter values are adapted to the measurement data from c).
k. Die Matrix L, die Kinetiken aus g) und die Modellparameterwerte aus j) bilden das Modell und werden ausgegeben und / oder in ein Prozessführungs- oder Prozessentwicklungsmodul übertragen. k. The matrix L, the kinetics from g) and the model parameter values from j) form the model and are output and / or transferred to a process control or process development module.
Typischerweise kommuniziert das Prozessführungsmodul on-line mit einem Prozessleitsystem, das üblicherweise zur Steuerung des Bioreaktors verwendet wird. Typically, the process control module communicates on-line with a process control system commonly used to control the bioreactor.
Typischerweise werden Prozessentwicklungsmodule zur off-line Optimierung des Prozesses oder zur Planung von Experimenten verwendet. Typically, process development modules are used to off-line optimize the process or design experiments.
Die erfindungsgemäße Modellierung der Bioreaktion baut im Wesentlichen auf der Annahme repräsentativer Makroreaktionen auf, die interne Stoffwechselvorgänge vereinfacht darstellen. Für die Auswahl der Reaktionen wird sowohl biochemisches Hintergrundwissen, als auch Prozesswissen benötigt. The bioreaction modeling according to the invention is essentially based on the assumption of representative macro reactions which simplify internal metabolic processes. The selection of reactions requires both biochemical background knowledge and process knowledge.
Im ersten Schritt des Verfahrens erfolgt die Eingabe der Reaktionen des metabolischen Netzwerkes, deren Stöchiometrie und Reversibilitätseigenschaft durch den Nutzer über eine Nutzeroberfläche oder idealerweise automatisch durch die Selektion eines Organismus und seiner hinterlegten Stoffwechselwege aus einem Datenbankmodul, in dem das Hintergrundwissen zum Organismus gespeichert ist. Das metabolische Netzwerk (im Stand der Technik auch stöchiometrische Netzwerk benannt) und die Eigenschaften seiner einzelnen Reaktionen stellen das Hintergrundwissen des Organismus dar. Bevorzugt enthält das metabolische Netzwerk Reaktionen aus für den Organismus wichtigen Stoffwechselwegen, beispielsweise Reaktionen der Glykolyse. Besonders bevorzugt enthält die Auswahl externe Reaktionen. Eine externe Reaktion im Sinne der Anmeldung enthält mindestens eine Komponente außerhalb der Zelle, typischerweise mindestens eine Eingangsgröße und/oder mindestens eine Ausgangsgröße (Produkt, Nebenprodukt, usw.). Besonders bevorzugt enthält das metabolische Netzwerk Reaktionen, die das Zellwachstum beschreiben, z. B. in Form einer
vereinfachten Reaktion von internen Metaboliten zur externen Biomasse. Abb. 5 und Tabelle 1 im Beispiel beschreiben ein anwendbares metabolisches Netzwerk, ohne sich darauf zu begrenzen. In the first step of the method, the reactions of the metabolic network, their stoichiometry and reversibility property are entered by the user via a user interface or, ideally, automatically by the selection of an organism and its stored metabolic pathways from a database module in which the background information on the organism is stored. The metabolic network (also called stoichiometric network in the state of the art) and the properties of its individual reactions represent the background knowledge of the organism. The metabolic network preferably contains reactions from metabolic pathways which are important for the organism, for example reactions of glycolysis. Particularly preferably, the selection contains external reactions. An external reaction in the sense of the application contains at least one component outside the cell, typically at least one input variable and / or at least one output variable (product, by-product, etc.). More preferably, the metabolic network contains reactions that describe cell growth, e.g. B. in the form of a simplified reaction of internal metabolites to external biomass. Figure 5 and Table 1 in the example describe but are not limited to an applicable metabolic network.
Dann werden aus den eingegebenen, in einem oder mehreren stöchiometrischen Netzwerken zusammengefassten, Stoffwechselwegen des Organismus Elementary Modes berechnet. Jeder Elementary Mode ist eine Linearkombination von Reaktionsraten aus den Stoffwechselwegen - d. h. internen und externen Reaktionen des metabolischen Netzwerkes, bei der sowohl die„steady State" Bedingung für interne Metabolite erfüllt, als auch die Reversibilität bzw. Irreversibilität von Reaktionen berücksichtigt sind. Bei Linearkombinationen von Reaktionen, die die „steady State" Bedingung für interne Metabolite berücksichtigen, können sich keine internen Metabolite akkumulieren. Then, the metabolic pathways of the organism elementary mode are calculated from the input metabolic pathways combined in one or more stoichiometric networks. Each elementary mode is a linear combination of reaction rates from the metabolic pathways - d. H. internal and external responses of the metabolic network, which satisfy both the steady state condition for internal metabolites and the reversibility or irreversibility of reactions, in linear combinations of reactions that take into account the steady state condition of internal metabolites , no internal metabolites can accumulate.
Eine interne Reaktion im Sinne der Anmeldung erfolgt ausschließlich innerhalb der Zelle. An internal reaction within the meaning of the application takes place exclusively within the cell.
Durch eine Externalisierung einer internen Komponente, d. h. durch eine Klassifizierung einer eigentlich internen Komponente als Ein- oder Ausgangsgröße, ist es möglich, die mit der externalisierten, internen Komponenten verbundene interne Reaktion als externe Reaktion zu modellieren und somit die„steady-state" Bedingung für interne Metabolite in diesem Fall zu umgehen. Eine Makroreaktion im Sinne der Anmeldung fasst alle Reaktionen zusammen, die von einer oder mehreren Eingangsgrößen zu einer oder mehreren Ausgangsgröße(n) führen. Jeder Elementary Mode beschreibt somit eine Makroreaktion. Im Vergleich zu der Methode von Leifheit. et al werden im Sinne der Anmeldung die Makroreaktionen auf Basis des eingegebenen Hintergrundwissen ermittelt. By externalizing an internal component, i. H. By classifying an actual internal component as an input or output variable, it is possible to model the internal reaction associated with the externalized internal components as an external response and thus bypass the steady-state condition for internal metabolites in this case. A macro reaction in the sense of the application summarizes all reactions that lead from one or more input variables to one or more output variables (n) Each elementary mode thus describes a macro reaction Compared to the method of Leifheit et al the macro reactions are determined on the basis of the entered background knowledge.
Die Elementary Modes (EMs) werden in einer Matrix E zusammengefasst, vorzugsweise in einem Modul zum Matrixauibau, das mit einem entsprechenden Algorithmus konfiguriert ist. Bekannte Algorithmen können zum Au&au der Elementary Modes Matrix verwendet werden. METATOOL wird als Beispiel genannt, ohne sich darauf zu begrenzen: [Pfeiffer T, Montero F, Schuster S. 1999. METATOOL: for studying metabolic networks. Bioinformatics 15(3):251 -257.] The elementary modes (EMs) are combined in a matrix E, preferably in a module for matrix engineering, which is configured with a corresponding algorithm. Known algorithms can be used outside the Elementary Modes Matrix. METATOOL is mentioned as an example without being limited to: [Pfeiffer T, Montero F, Schuster, 1999. METATOOL: for studying metabolic networks. Bioinformatics 15 (3): 251-257.]
Mit METATOOL wird eine erste Matrix E, die die eingegebenen internen und externen Reaktionen beschreibt, erzeugt. METATOOL generates a first matrix E describing the input internal and external responses.
In Schritt b) wird mit Hilfe der (externen) stöchiometrischen Matrix Np aus der Matrix (E) eine Matrix bestehend aus möglichen Makroreaktionen K erzeugt. In step b), a matrix consisting of possible macro reactions K is generated with the aid of the (external) stoichiometric matrix N p from the matrix (E).
K = NV - E (Formel l )
Die Transformation der Matrix E nach K ist aus Provost bekannt [Provost A. 2006. Metabolie design of dynamic bioreaction models. Faculte des Sciences Appliquees, Universite catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve, S. 81]. K = N V - E (formula I) The transformation of matrix E into K is known from Provost [Provost A. 2006. Metabolism design of dynamic bioreaction models. Faculté des Sciences Appliquees, Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve, p. 81].
Die Spaltenvektoren der Matrix K beschreiben die Makroreaktionen. Die Zeilenvektoren beschreiben die Komponenten der Makroreaktionen (Eingangs- und Ausgangsgrößen). In die Matrix K wird die Stöchiometrie der Makroreaktionen eingetragen. The column vectors of the matrix K describe the macro reactions. The row vectors describe the components of the macro reactions (input and output variables). In the matrix K, the stoichiometry of the macro reactions is entered.
Jede im Sinne des metabolischen Netzwerks mögliche Reaktionsrate kann als positive Linearkombination dieser Makroreaktionen dargestellt werden. Any reaction rate possible in terms of the metabolic network can be represented as a positive linear combination of these macro reactions.
Die Verwendung von EMs als Basis eines Prozessmodells ist im Stand der Technik bekannt (z. B. aus Provost A. 2006. Metabolie design of dynamic bioreaction models. Faculte des Sciences Appliquees, Universite catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve S. 87, S. 118 ff. und Gao, J. et al. (2007). Dynamic metabolic modeling for a MAB bioprocess. Biotechnology pmgress, 23(1), 168- 181). The use of EMs as the basis of a process model is known in the art (eg, from Provost A. 2006. Metabolism design of dynamic bioreaction models.) Faculty of Sciences Appliquees, Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain- la-Neuve, pp. 87, pp. 118 ff and Gao, J., et al., (2007) Dynamic metabolic modeling for a MAB bioprocess, Biotechnology pmgress, 23 (1), 168-181).
In einem weiteren Schritt c) werden die verfügbaren Messdaten (Prozesswissen) zur Bioreaktion mit dem Organismus eingegeben. Typischerweise werden Zellenanzahl, Zellvitalität, Konzentrationen von Substraten, wie Kohlenstoffquellen (z. B. Glukose), Aminosäuren oder O2, Produkten und Nebenprodukten (z. B. Laktat oder CO2), Prozessparameter wie Temperatur und/oder pH-Wert oder Produktmerkmale ermittelt. Diese Eingabe kann manuell durch den Nutzer oder automatisch erfolgen, wie z. B. durch Selektion aus einem Datenbankmodul zur Speicherung von Messdaten und Transfer der selektierten Daten in ein Datenanalysemodul, das mit dem Datenbankmodul verbunden ist. In a further step c), the available measurement data (process knowledge) for bioreaction with the organism are entered. Typically, cell number, cell vitality, concentrations of substrates such as carbon sources (eg, glucose), amino acids or O 2 , products and by-products (eg, lactate or CO 2 ), process parameters such as temperature and / or pH, or product characteristics determined. This input can be done manually by the user or automatically, such as. Example by selection from a database module for storing measurement data and transfer of the selected data in a data analysis module, which is connected to the database module.
Aus diesen Messdaten werden im Schritt d) die zellspezifischen Ausscheide- und Aufnahmeraten von Substraten und (Neben)produkten - zusammen spezifische Raten q (t) - genannt, sowie optional dieFrom these measurement data, in step d), the cell-specific excretion and uptake rates of substrates and (ancillary) products - together specific rates q (t) - called, and optionally the
Wachstums- und Absterberaten des Organismus (μ(ί), MdCO) berechnet. Voraussetzung für die Berechnung ist die Interpolation der vitalen Zellzahl, der Gesamtzellzahl und Medienkonzentrationen mit Hilfe einer
Aus diesen können zeitliche Änderungen der Messgrößen ermittelt werden. Die berechneten Raten q(t), μ( , geben Auskunft über das zu beobachtende dynamische Verhalten des Organismus über der Zeit. Growth and death rates of the organism (μ (ί), M d CO) are calculated. Prerequisite for the calculation is the interpolation of the vital cell count, the total cell count and media concentrations with the help of a From these temporal changes of the measured variables can be determined. The calculated rates q (t), μ (, give information about the observed dynamic behavior of the organism over time.
Für die Berechnung der o. g. Raten kann eine oder mehrere unterschiedliche Interpolationsmethode(n) in Kombination verwendet werden.
Exemplarisch beschreibt Leifheit et al. die Ermittlung der zeitlichen Änderungen von Messgrößen - z. B. die der Gesamtzellzahl, die der vitalen Zellzahl oder die von anderen Medienkonzentrationen aus Messdaten mit Hilfe von Spline-interpolierten Messdaten [Leifheit, J., Heine, T., Kawohl, M., & King, R. (2007). Rechnergestützte halbautomatische Modellierung biotechnologischer Prozesse (Semiautomatic Modeling of Biotechnical Processes). at-Automatisierungstechnik, 55(5), 21 1 -218]. Diese Methode wird hiermit per Referenz in die Anmeldung integriert. One or more different methods of interpolation (n) can be used in combination to calculate the above rates. As an example, Leifheit et al. the determination of the temporal changes of measured variables - z. B. the total cell count, the vital cell count or from other media concentrations of measurement data using spline-interpolated measurement data [Leifheit, J., Heine, T., Kawohl, M., & King, R. (2007). Computer-aided semi-automatic modeling of biotechnological processes (Semiautomatic Modeling of Biotechnical Processes). at-automation technology, 55 (5), 21 1 -218]. This method is hereby incorporated into the application by reference.
Die o. g. Raten q (t), μ(ί), dC werden aus diesen zeitlichen Änderungen berechnet: The above rates q (t), μ (ί), d C are calculated from these temporal changes:
Beispielsweise kann die Wachstumsrate des Organismus μ(ΐ) aus Spline-interpolierten Werten der Gesamtzellzahl Xt (t) und der Lebendzellzahl Xv (t) sowie der daraus berechenbaren zeitlichenFor example, the growth rate of the organism μ (ΐ) can be calculated from spline-interpolated values of the total cell number X t (t) and the living cell number X v (t) as well as the temporal values calculated from them
lX IX
Änderung der Gesamtzellzahl (t) mit Formel 2 berechnet werden: Change in total cell number (t) can be calculated using formula 2:
^ (C) = -D(t) ■ Xt (t) + μ(ΐ) ■ Xv(t) (Formel 2) ^ (C) = -D (t) ■ X t (t) + μ (ΐ) ■ X v (t) (formula 2)
Wobei D (t) die Verdünnungsrate ist. Where D (t) is the dilution rate.
Die Absterberate μ^ (£) kann bei bekanntem Verlauf von μ(ί) aus dem Verlauf von Xv (t) und demWith a known course of μ (ί), the rate of death μ ^ (£) can be determined from the course of X v (t) and the
iX iX
Verlauf der zeitlichen Änderung der vitalen Zellzahl (t) mit Formel 3 berechnet werden: Course of the temporal change of the vital cell number (t) can be calculated with formula 3:
^ (t) = -D t) ■ Xv (t) + (μ( - μα (ΐ))■ Xv (t) (Formel 3) ^ (t) = -D t) ■ X v (t) + (μ (-μ α (ΐ)) ■ X v (t) (Formula 3)
Die Berechnung der spezifischen Raten einer anderen Komponente t qj(t) kann aus Spline- interpolierten Werten der Lebendzellzahl Xv (t) und der Konzentration der Komponente Q (t), sowie dem Verlauf der zeitlichen Änderung ^ (t), der aus 8ρ1ίη6-ίηΐ6 θ1ίειΐ6η Werten von Q(t) ermittelt werden kann, mit Formel 4 erfolgen: The calculation of the specific rates of another component tq j (t) can be obtained from spline-interpolated values of the living cell number X v (t) and the concentration of the component Q (t), as well as the variation of the temporal change ^ (t) from 8ρ1ίη6 -ίηΐ6 θ1ίειΐ6η values of Q (t) can be determined using formula 4:
^ (t) = D (t) · (cUn - Q( ) + qi (t) ■ Xv(t) (Formel 4) ^ (t) = D (t) · (c Un - Q () + qi (t) ■ X v (t) (Formula 4)
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Messdaten aus Schritt c) vor der ersten Interpolation folgendermaßen aufbereitet: Um alle nicht von den Zellen verursachten Konzentrationsänderungen zu berücksichtigen und aus den Messdaten einen stetigen Verlauf der Konzentrationsänderungen zu erhalten, werden die Messdaten verschoben (in der Anmeldung shiften genannt). Der Betrag AQ(t), um den die Konzentrationsmessung verschoben wird, kann nach Formel 5 berechnet werden: In a preferred embodiment of the method, the measurement data from step c) are prepared before the first interpolation as follows: In order to take into account all concentration changes not caused by the cells and to obtain a steady course of the concentration changes from the measurement data, the measurement data are shifted (in the application called shifts). The amount AQ (t), by which the concentration measurement is shifted, can be calculated according to formula 5:
AQ( = J (T) · (Q(T) - CUN (T)) dr (Formel 5) AQ (= J (T). (Q (T) -C UN (T)) dr (Formula 5)
Wobei D ( ) die Verdünnungsrate ist. Der geshiftete Konzentrationsverlauf Ci s (t) ergibt sich dann nach Formel 6:
Q,s( = Q( - AQ(C) (Formel 6) Where D () is the dilution rate. The shifted concentration curve C is (t) then results according to formula 6: Q, s (= Q (- AQ (C) (formula 6)
Die Differentialgleichung, die den Verlauf der geshifteten Konzentration Ci s (t) angibt, ergibt sich somit aus den Formeln 4 und 6 zu: The differential equation, which indicates the course of the shifted concentration C is (t), thus results from the formulas 4 and 6:
dC,„ d (Ci (t) -ACi(t)) , . T, , . ._ , dC, "d (Ci (t) -ACi (t)),. T,. ._,
~ä = dt = <?i (0 · χν W (Formel 7) ~ ä = dt = <? i (0 · χ v W (formula 7)
Diese Aufbereitung (shiften) der Messdaten verhindert eine sprunghafte Änderung der berechneten spezifischen Raten beim An- oder Abstellen eines Feeds (Feedpeak) insbesondere in einem Fed-Batch Prozess. This treatment (shifts) of the measured data prevents a sudden change in the calculated specific rates when turning on or off a feed (feed peak), in particular in a fed-batch process.
Abbildung 1 zeigt das Aufbereitung/Shiften der Messdaten im Sinne dieser Anmeldung. Figure 1 shows the processing / shifting of the measured data in the sense of this application.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden die aufbereiteten Daten dann zur In a particular embodiment of the method, the processed data then becomes
dX I dX I
Berechnung eines Gradienten der Gesamtzellzahl — -\ (t) mit der Methode von Leifheit et al. Calculation of a gradient of the total number of cells - - \ (t) by the method of Leifheit et al.
dt l s dt l s
verwendet. Dieser wird mit einer Spline-Interpolation gemäß Differentialgleichung 8 angenähert: ^| (t) = μ(ί)■ Xv (t (Formel 8) used. This is approximated with a spline interpolation according to differential equation 8: ^ | (t) = μ (ί) ■ X v (t (Formula 8)
Besonders bevorzugt wird die Lysis in der Berechnung anhand eines Lysis-Faktors Kt, einbezogen (Formel 9). Dieser kann z. B. als konstant über dem Prozessverlauf angenommen werden. Particularly preferably, the lysis is included in the calculation on the basis of a lysis factor K t (formula 9). This can z. B. be assumed to be constant over the course of the process.
fl y fl y
= μ(ί) · Xv (t) - Kt ■ (Xt (t) - Xv (t)) (Formel 9) = μ (ί) × X v (t) -K t ■ (X t (t) -X v (t)) (formula 9)
Das Absinken der geshifteten Gesamtzellzahl XtiS (t) kann so durch Lysis erklärt werden, wodurch negative Werte für die Wachstumsrate μ(ΐ) vermieden werden können. The decrease in the total number of cells X tiS (t) shifted can thus be explained by lysis, whereby negative values for the growth rate μ (ΐ) can be avoided.
Bevorzugt werden die aufbereiteten Daten auch für die Berechnung der Absterberate μά (t) verwendet. Preferably, the processed data are also used for the calculation of the death rate μ ά (t).
Bevorzugt werden die möglichen Kombinationen spezifischer Raten q (t) in einem Flux-MapThe possible combinations of specific rates q (t) in a flux map are preferred
Diagramm wie beispielhaft in Abbildung 2 dargestellt. Diese Darstellung ermöglicht eine gute Übersicht über die berechneten spezifischen Raten q(t). Die Höhenlinien geben hier an, welcheDiagram as exemplified in Figure 2. This representation provides a good overview of the calculated specific rates q (t). The contour lines indicate here which ones
Bereiche physiologisch wichtig sind. Areas are physiologically important.
Wenn die spezifischen Raten q(t) und optional die weiteren Raten ( und μ^ (ί) unterschiedliche If the specific rates q (t) and optionally the other rates (and μ ^ (ί) are different
Größenordnungen und Einheiten besitzen, werden diese üblicherweise mit Hilfe von Vereinfachungen zu einem spezifischen Ratenvektor q (t) mit gleichen Einheiten zusammengefasst. Beispielsweise wird Having orders of magnitude and units, these are usually summarized by means of simplifications to a specific rate vector q (t) with the same units. For example
3 die spezifische Rate eines Makromoleküls, das in Gramm [g] gemessen wird, die Einheit 3 is the specific rate of a macromolecule measured in grams [g], the unit
ICell hi besitzen. Wenn die Zusammensetzung dieses Makromoleküls geschätzt wird, z. B. basierend auf
seinem C-mol-Gehalt, lässt sich seine spezifische Rate von [g] auf [C— mol] verändert darstellen, so dass die spezifische Rate die Einheit [^e^] besitzt. ICell hi own. When the composition of this macromolecule is estimated, e.g. Based on its C-mol content, its specific rate can be varied from [g] to [C-mol], so that the specific rate has the unit [^ e ^].
Die spezifischen Raten q(t) bilden eine der Grundlagen für den weiteren Schritt e) des Verfahrens, nämlich die Auswahl der relevanten Makroreaktionen. The specific rates q (t) form one of the bases for the further step e) of the method, namely the selection of the relevant macro reactions.
Im Schritt e) wird ein Subset (L) der EMs auf Basis der Daten ausgewählt, mit dem die spezifischen Raten q(t) aus d) und / oder die Messdaten aus c) nach einem mathematischen Gütekriterium gut abgebildet werden können. Die Anzahl der EMs in dem Subset (L) soll möglichst klein sein, um eine möglichst geringe Komplexität des Prozessmodells zu gewährleisten. Das Subset L soll aber eine gute Beschreibung des Prozesswissens sicherstellen. In step e), a subset (L) of the EMs is selected on the basis of the data with which the specific rates q (t) from d) and / or the measurement data from c) can be well mapped according to a mathematical quality criterion. The number of EMs in the subset (L) should be as small as possible in order to ensure the lowest possible complexity of the process model. The subset L should however ensure a good description of the process knowledge.
Die Selektion von EMs verkleinert den Lösungsraum im Vergleich zum original EMs-Set (K) aus a), aber enthält weiterhin den ermittelten physiologisch wichtigen Bereich der Zellen. The selection of EMs reduces the solution space compared to the original EMs set (K) from a), but still contains the determined physiologically important area of the cells.
Abbildung 3 zeigt eine Darstellung des Lösungsraums, wobei das originale Set von EMs (K) zu einem Subset (L) reduziert wird. Figure 3 shows a representation of the solution space, where the original set of EMs (K) is reduced to a subset (L).
Für den Schritt e) werden die berechneten spezifischen Raten q (t) sowie die Messdaten aus c) üblicherweise in ein Modul zur Auswahl der relevanten Makroreaktionen transferiert, das mit entsprechenden Algorithmen konfiguriert ist. For step e), the calculated specific rates q (t) and the measurement data from c) are usually transferred to a module for selecting the relevant macro reactions, which is configured with corresponding algorithms.
Im Schritt e) i) erfolgt eine datenunabhängige und/oder eine datenabhängige Vorreduktion der Matrix K in beliebiger Reihenfolge: In step e) i), a data-independent and / or a data-dependent prereduction of the matrix K takes place in any order:
Die datenunabhängige Vorreduktion erfolgt vorzugsweise durch eine geometrische Reduktion. Dabei werden für einen zufällig ausgewählten EM alle Kosinus-Ähnlichkeiten zu allen anderen Modes berechnet. Der EM mit der höchsten Ähnlichkeit wird aus dem Set entfernt. Diese Vorgehensweise wird wiederholt, bis eine vordefinierte Anzahl an EMs erreicht ist. Die gewünschte Anzahl wird üblicherweise für das Verfahren im Vorfeld definiert. Als Kontrollvariable kann das Volumen des Lösungsraumes verwendet werden. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass eine deutliche Reduktion der Anzahl der Makroreaktionen unter Beibehaltung von 90 bis 98 %, bevorzugt 92 bis 95% des aufgespannten Volumens, im Vergleich zum Originalvolumen möglich ist. The data-independent prereduction is preferably carried out by a geometric reduction. In this case, all cosine similarities to all other modes are calculated for a randomly selected EM. The most similar EM will be removed from the set. This procedure is repeated until a predefined number of EMs has been reached. The desired number is usually defined for the procedure in advance. As a control variable, the volume of the solution space can be used. Surprisingly, it was found that a significant reduction in the number of macroreactions while maintaining 90 to 98%, preferably 92 to 95% of the clamped volume, compared to the original volume is possible.
Die datenabhängige Vorreduktion kann durch den Vergleich von Ausbeutekoeffizienten der EMs (YEM) zu den Ausbeutekoeffizienten, die aus den spezifischen Raten q (t) aus d) berechnet werdenThe data-dependent prereduction can be calculated by comparing yield coefficients of the EMs (Y EM ) to the yield coefficients calculated from the specific rates q (t) of d)
(Ym) erfolgen. Der Ausbeutekoeffizient des k-ten EMs (i ) 'k) wird nach Formel 10 durch die
Division der entsprechenden stöchiometrischen Koeffizienten der externen Metaboliten i und j ermittelt. Für den k-ten EM sind dies die Matrixeinträge Ki k und KJik. (Y m ). The yield coefficient of the kth EM (i) ' k ) is given by formula 10 Division of the corresponding stoichiometric coefficients of the external metabolites i and j determined. For the kth EM these are the matrix entries K ik and K Jik .
yEM.k = ^ (Formd yEM.k = ^ (formd
Ist der stöchiometrische Koeffizient KJik = 0, kann der Ausbeutekoeffizient nicht ermittelt werden. Der Ausbeutekoeffizient Yj (t) gibt das Verhältnis zweier gemessener oder nach d) berechneter zell- spezifischen Raten ( i (t), qj (t)) zueinander nach Formel 1 1 an: If the stoichiometric coefficient K Jik = 0, the yield coefficient can not be determined. The yield coefficient Y j (t) gives the ratio of two measured or d) calculated cell-specific rates (i (t), q j (t)) to each other according to formula 1 1:
*w (0 = H (Formel l l) * w (0 = H (formula I)
Aus den Ausbeutekoeffizienten Ym können für jede mögliche Kombination zweier externer Komponenten t und j eine obere und eine untere Grenze bestimmt werden. Beispielsweise kann der kleinste Ausbeutekoeffizient zweier externer Metabolite i und j Υ™(ΐ) als untere Grenze und der größte Wert von Υ™(ΐ) als obere Grenze verwendet werden, andere Grenzen sind jedoch auch möglich. EMs, deren Ausbeutekoeffizienten Y™ oberhalb der oberen Grenze oder unterhalb der unteren Grenze liegen, werden aus der Matrix K entfernt. Wenn der Ausbeutekoeffizient eines EMs Y™ nicht ermittelt werden kann, verbleibt dieser in der Matrix K. Bevorzugt kann auch die auf Seite 15 beschriebene, erfindungsgemäße Methode „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen mit NNLS" zur datenabhängigen Vorreduktion verwendet werden. Eine Erläuterung der Methode im Kontext der Vorreduktion findet sich dort. Das Heranziehen der Prozessdaten in der datenabhängigen Vorreduktion in dem Verfahren hat den Vorteil, dass die Reduktion prozessbezogen und damit effektiver und fokussierter erfolgt. From the yield coefficients Y m , an upper and a lower limit can be determined for each possible combination of two external components t and j. For example, the lowest yield coefficient of two external metabolites i and j Υ ™ (ΐ) can be used as the lower bound and the largest value of Υ ™ (ΐ) as the upper bound, but other limits are possible. EMs whose yield coefficients Y ™ are above the upper limit or below the lower limit are removed from the matrix K. If the yield coefficient of an EMs Y ™ can not be determined, this remains in the matrix K. The method according to the invention "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions with NNLS" described on page 15 can also be used for the data-dependent prereduction The advantage of using the process data in the data-dependent pre-reduction in the method is that the reduction is process-related and thus more effective and focused.
Im Schritt e) ii. wird ein Subset aus Makroreaktionen mit einem Algorithmus ausgewählt: Für die Auswahl wird ein Gütekriterium, mit dem quantifiziert werden kann, wie gut die spezifischen Raten q (t) aus d) und / oder die Messdaten aus c) mit einem Subset (L) abgebildet werden können, sowie ein Algorithmus zur Auswahl des Subsets benötigt. In step e) ii. a subset of macro reactions is selected with an algorithm: For the selection, a quality criterion with which it can be quantified how well the specific rates q (t) from d) and / or the measurement data from c) are mapped with a subset (L) and an algorithm for selecting the subset.
Als Gütekriterium für die Abbildung von berechneten spezifischen Raten q(t) mit einem Subset L kann nach Soons et al. die Summe der quadrierten Residuen der spezifischen Raten (SSRq) nach Formel 12 verwendet werden [Soons, Z. I. T. A., Ferreira, E. C, Rocha, I. (2010). Selection of Elementary Modes for Bioprocess Control. 1 Ith International Symposium on Computer Applications in Biotechnology, Leuven, Belgium, July 7-9, 2010, 156-161].
SSR, (Formel 12) As a quality criterion for the mapping of calculated specific rates q (t) with a subset L, according to Soons et al. the sum of the squared residuals of the specific rates (SSR q ) of formula 12 [Soons, Zita, Ferreira, E. C, Rocha, I. (2010). Selection of Elementary Modes for Bioprocess Control. 1 Ith International Symposium on Computer Applications in Biotechnology, Leuven, Belgium, July 7-9, 2010, 156-161]. SSR, (formula 12)
t=l t = l
Der Wert für SSRq soll möglichst klein sein. The value for SSR q should be as small as possible.
Für die Minimierung von SSRq muss zuvor für jeden betrachteten Zeitpunkt der Vektor r(tj) mit Hilfe eines non-negative-Least-squares Algorithmus so bestimmt werden, dass gilt: For the minimization of SSR q , the vector r (tj) has to be determined beforehand for each considered time with the aid of a non-negative-least-squares algorithm such that the following applies:
(Formel 13) (Formula 13)
mit der zusätzlichen Randbedingung: with the additional boundary condition:
r(td > 0 (Formel 14) r (td> 0 (formula 14)
Vorteil dieser Methode ist, dass die Berechnungen nach Formel 12 - 14 auch für sehr große Subsets mit vielen EMs durchgeführt werden können. Ein signifikanter Nachteil ist, dass für diese Berechnung die berechneten spezifischen Raten q(t) erforderlich sind. Da diese aus interpolierten Messwerten gewonnen werden, liegen diese mit großer Unsicherheit bezüglich ihren wahren Werte vor. Messungenauigkeiten können sich unter Umständen sehr stark auf die berechneten spezifischen Raten c/(t) auswirken. Das Gütekriterium SSRq kann folglich auch nur unter großer Unsicherheit bestimmt werden. Neben der Information über die üüte der Abbildung wird mit dieser Methode auch ein geschätzter Verlauf der Reaktionsraten r (t) des Subsets L als Ergebnis der Minimierung nach Formel 13 und 14 erhalten. The advantage of this method is that the calculations according to formula 12 - 14 can also be carried out for very large subsets with many EMs. A significant disadvantage is that the computed specific rates q (t) are required for this calculation. Since these are obtained from interpolated measured values, they are present with great uncertainty regarding their true values. Measurement inaccuracies may under certain circumstances have a strong effect on the calculated specific rates c / (t). The quality criterion SSR q can therefore only be determined under great uncertainty. In addition to the information about the quality of the mapping, this method also yields an estimated course of the reaction rates r (t) of the subset L as a result of the minimization according to formulas 13 and 14.
Leighty, R. et al. beschreibt eine weitere Methode in der die Messwerte (Konzentrationsmessungen) direkt durch eine lineare Schätzung von volumetrischen Reaktionsraten über der Zeit approximiert werden. Durch Lösen eines linearen Optimierungsproblems mit einem Linear Least-Squares Solver kann der Verlauf der Reaktionen schnell geschätzt werden, unter der Annahme, dass dieser linear zwischen Stützstellen verläuft [Leighty, R. W., & Antoniewicz, M. R. (2011), Dynamic metabolic flux analysis (DMFA): a framework for determining fluxes at metabolic non-steady State. Metabolic engineering, 13(6), 745-755]. Diese Methode bezieht sich lediglich auf reversible Makroreaktionen (wie den in der Quelle genannten „Free Fluxes"), zudem können Verdünnungseffekte (also Konzentrationsänderungen, die nicht durch die Zellen verursacht werden) nicht berücksichtigt werden. Stimmen die Dimensionen der Makroreaktionen und der Messwerte nicht überein können diese Messwerte nicht zur Schätzung von Reaktionsraten verwendet werden. Dies ist zum Beispiel der Fall wenn das Zellwachstum in Form von Bildung externer Biomasse Teil der Makroreaktionen ist und aus den Messwerten nur die Zelltrockenmasse bekannt ist. In dieser Form ist diese Methode daher nicht auf die Anwendung von irreversiblen Makroreaktionen und Fed-Batch Prozessen geeignet.
Verwendet man das Konzept von Leighty et al, das hiermit per Referenz in diese Anmeldung integriert wird, mit den erfindungsgemäß aufbereiteten (geshifteten) Daten, lässt sich diese Methode jetzt auch auf Fed-ßatch Prozesse anwenden. Darüber hinaus kann durch das Hinzufügen einer unteren Grenze für die Reaktionsraten der Makroreaktionen als Randbedingung des linearen Optimierungsproblems die Methode auch für irreversible Reaktionen - wie die Elementary Modes - verwendet werden. Stimmen die Dimensionen der Makroreaktionen und der Messwerte nicht überein kann über geeignete Korrelationen die Dimension der Messwerte an die der Makroreaktionen angepasst werden. Diese Kombination der linearen Schätzung nach Leighty et al. mit den Verbesserungen aus diesem Anspruch wird im Folgenden als „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" bezeichnet. Leighty, R. et al. describes another method in which the measured values (concentration measurements) are directly approximated by a linear estimate of volumetric reaction rates over time. By solving a linear optimization problem with a linear least-squares solver, the course of the reactions can be estimated quickly, assuming that it proceeds linearly between interpolation sites [Leighty, RW, & Antoniewicz, MR (2011), Dynamic metabolic flux analysis (DMFA ): a framework for determining fluxes at metabolic non-steady state. Metabolic engineering, 13 (6), 745-755]. This method only applies to reversible macro reactions (such as the "free fluxes" in the source) and dilution effects (ie concentration changes that are not caused by the cells) can not be taken into account because the dimensions of the macro reactions and the measured values do not agree For example, if cell growth in the form of external biomass is part of the macro-reactions and the measurements are only known for the cell dry matter, this method is not applicable to the Application of irreversible macro reactions and fed-batch processes suitable. Using the concept of Leighty et al, which is hereby incorporated by reference in this application, with the data prepared according to the invention (shifted), this method can now also be applied to Fed-patches. In addition, by adding a lower bound for the reaction rates of the macro reactions as a constraint to the linear optimization problem, the method can also be used for irreversible reactions - such as the elementary modes. If the dimensions of the macro reactions and the measured values do not match, the dimension of the measured values can be adapted to the macro reactions via suitable correlations. This combination of the linear estimation according to Leighty et al. the enhancements to this claim are hereafter referred to as "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions".
Es lässt sich so überprüfen, ob sich mit den gewählten Makroreaktionen eines Subsets L des originalen EM-Sets K die gemessenen Daten hinreichend darstellen lassen. Die hier errechnete finale Summe der quadrierten Residuen SSRC nach Formel 15 zwischen den mit der Methode ermittelten geshifteten Konzentrationen Cs(t) und den geshifteten Konzentrationen C;(t) gibt an wie gut die Messdaten mit dem Subset abgebildet werden können. It is thus possible to check whether the selected macro reactions of a subset L of the original EM set K can adequately represent the measured data. The final sum of the squared residuals SSR C according to formula 15 calculated here between the shifted concentrations Cs (t) determined by the method and the shifted concentrations C ; (t) indicates how well the measurement data can be mapped with the subset.
(Formel 15)(Formula 15)
Je kleiner der Wert von SSRC , desto besser ist das Subset L. Diese Methode wird gegenüber der Methode von Soons et al., insbesondere für die Modellierung von Fed-Batch Prozessen bevorzugt, da eine Überprüfung der Güte eines Subsets schnell auch ohne eine eventuell fehlerbehaftete vorherige Bestimmung der spezifischen Raten möglich ist. Durch die Annahme, dass die geschätzten Reaktionsraten linear zwischen Stützstellen verlaufen, wirken sich Messabweichungen sehr wenig auf die Abschätzung der Reaktionsraten aus. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Größe des zu untersuchenden Subsets L durch die Lösung des linearen Optimierungsproblems begrenzt ist. Die maximale Anzahl der Reaktionen in dem Subset ist gleich der Anzahl an vorhandenen Messungen geteilt durch die Anzahl der Stützstellen. The smaller the value of SSR C , the better the subset L. This method is preferred over the method of Soons et al., Especially for the modeling of fed-batch processes, since a check of the quality of a subsets quickly without any erroneous prior determination of specific rates is possible. By assuming that the estimated reaction rates are linear between interpolation points, measurement deviations have very little effect on the estimation of reaction rates. The disadvantage of this method is that the size of the subset L to be examined is limited by the solution of the linear optimization problem. The maximum number of responses in the subset is equal to the number of measurements available divided by the number of nodes.
Neben der Information über die Güte der Abbildung wird mit dieser Methode auch ein geschätzter Verlauf der Reaktionsraten des Subsets r (t) erhalten. In addition to the information about the quality of the mapping, an estimated course of the reaction rates of the subset r (t) is also obtained with this method.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen„lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" wird zur Lösung des linearen Optimierungsproblems statt eines Linear Least-Squares Solvers der Non-negative Least-Squares Solver (NNLS) von Lawson et al verwendet
[Lawson, C.L. and R.J. Hanson, Solving Least Squares Problems, Prentice-Hall, 1974, Chapter 23, p. 161.]. Dadurch ist es möglich, auch die Güte von größeren Subsets mit der Methode zu überprüfen. Die maximale Anzahl der Makroreaktionen kann hierbei auch signifikant größer als die Anzahl an vorhandenen Messungen geteilt durch die Anzahl der Stützstellen sein. Diese Kombination der„lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" mit der Verwendung des Non-negative Least-Squares Solvers wird im Folgenden als„lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen mit NNLS" bezeichnet. In a preferred embodiment of the "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions according to the invention", instead of a linear least squares solver, the non-negative least squares solver (NNLS) from Lawson et al is used to solve the linear optimization problem [Lawson, CL and RJ Hanson, Solving Least Squares Problems, Prentice-Hall, 1974, Chapter 23, p. 161.]. This makes it possible to check the quality of larger subsets with the method. The maximum number of macro reactions can also be significantly greater than the number of existing measurements divided by the number of nodes. This combination of the "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions" with the use of the non-negative least-squares solver is hereinafter referred to as "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions with NNLS".
Die erfindungsgemäße Methode der „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen mit NNLS" kann zusätzlich als weitere datenabhängige Methode zu Vorreduktion der EMs in Schritt e) i) verwendet werden. Hierfür kann hier ein sehr großes Set K von Makroreaktionen verwendet werden. Ergebnis der Methode ist zum einen der Wert für SSRC und zum anderen der Verlauf der Reaktionsraten r(t). EMs mit kleinen Werten der dazugehörigen Rate r(t) werden aus der Matrix K entfernt. Diese Vorgehensweise wird wiederholt, bis eine vordefinierte Anzahl an EMs erreicht ist oder der Wert von SSRC einen festgelegten Grenzwert überschreitet. The method according to the invention of the "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions with NNLS" can additionally be used as a further data-dependent method for prereduction of the EMs in step e) i) Here, a very large set K of macro reactions can be used on the one hand the value for SSR C and on the other the course of the reaction rates r (t) EMs with small values of the corresponding rate r (t) are removed from the matrix K. This procedure is repeated until a predefined number of EMs is reached or the value of SSR C exceeds a specified limit.
Algorithmen zur Auswahl des Subsets sind z. ß. aus Provost et al. und Soons et al. bekannt [Provost A. 2006. Metabolie design of dynamic bioreaction models. Faculte des Sciences Appliquees, Universite catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve ; Soons, Z. 1. T. A., Ferreira, E. C, Rocha, 1. (2010). Selection of Elementary Modes for Bioprocess Control. 1 Ith International Symposium on Computer Applications in Biotechnology, Leuven, Belgium, July 7-9, 2010, 156-161 J. Algorithms for selecting the subset are z. ß. from Provost et al. and Soons et al. known [Provost A. 2006. Metabolism design of dynamic bioreaction models. Faculty of Sciences Appliquees, Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Louvain-la-Neuve; Soons, Z. 1. T.A., Ferreira, E.C., Rocha, 1. (2010). Selection of Elementary Modes for Bioprocess Control. 1 Ith International Symposium on Computer Applications in Biotechnology, Leuven, Belgium, July 7-9, 2010, 156-161 J.
Soons et al. beschreiben die Bildung eines EM-Subsets in einem zweistufigem Optimierungsverfahren. Für verschiedene, zufällig ausgewählte EMs werden jeweils die Werte für SSRq wie oben beschrieben minimiert. Das Set mit dem kleinsten minimierten SSRq Wert wird ausgewählt. Bei einer großen Zahl von EMs ist jedoch die zufällige Auswahl ineffektiv, da die Anzahl der möglichen Kombinationen sehr stark wächst. Beispielsweise gibt es bei der Auswahl von 10 Reaktionen aus einem Set von 20.000 EMs mehr als 2,8 · 1036 Kombinationen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die optimale Kombination gefunden wird ist hier sehr gering. Durch die Verwendung des Gütekriteriums SSRq ist diese Methode anfällig gegenüber Messunsicherheiten und Messabweichungen. Soons et al. describe the formation of an EM subset in a two-stage optimization process. For various randomly selected EMs, the values for SSR q are minimized as described above. The set with the smallest minimized SSR q value is selected. However, with a large number of EMs, the random selection is ineffective as the number of possible combinations grows very strongly. For example, in selecting 10 reactions from a set of 20,000 EMs, there are more than 2.8 x 10 36 combinations. The probability that the optimal combination is found here is very low. By using the quality criterion SSR q , this method is susceptible to measurement uncertainties and measurement deviations.
Provost beschreibt einen alternativen Algorithmus, bei dem für verschiedene spezifische Werte von q (tj) t = Ι, .,. , η alle möglichen positiven Linearkombinationen von Elementary Modes ermittelt
werden bei denen gilt: SSRq (t = tj) = 0. Von diesen zahlreichen möglichen Kombinationen wird anschließend eine Kombination zufällig ausgewählt. Dieses Verfahren verwendet jeweils nur einen Vektor q (tj) und nicht den gesamten Verlauf über der Zeit. Eine Auswahl von EMs für den gesamtenProvost describes an alternative algorithm in which for different specific values of q (t j ) t = Ι,.,. , η determines all possible positive linear combinations of elementary modes where: SSR q (t = tj) = 0. Of these many possible combinations, a combination is then randomly selected. This method uses only one vector q (tj) at a time and not the entire course over time. A selection of EMs for the whole
Prozess ist deshalb nicht möglich. Mit der zufälligen Auswahl lässt sich zwar der Vektor q(ti) darstellen, inwiefern der Rest des Prozesses hiermit dargestellt werden kann, wird jedoch nicht ermittelt. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, das ein Vektor q tt) , der nicht im Lösungsraum aller EMs liegt, nicht verwendet werden kann. Eine Näherungslösung lässt sich nicht ermitteln. Dies ist vor allem bei mit Unsicherheit behafteten Messungen und spezifischen Raten ein großer Nachteil. Durch die Verwendung des Gütekriteriums SSRq ist diese Methode ebenfalls anfällig gegenüben Messunsicherheiten und Messabweichungen. Process is therefore not possible. Although the random selection makes it possible to represent the vector q (ti) to what extent the remainder of the process can be represented herewith, it is not determined. Another disadvantage of this method is that a vector qt t ) that is not in the solution space of all EMs can not be used. An approximate solution can not be determined. This is a major drawback especially with uncertainty measurements and specific rates. By using the quality criterion SSR q , this method is also vulnerable to measurement uncertainties and measurement deviations.
In einer weiteren und bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird daher zur Auswahl der relevanten Makroreaktionen, d. h. zur Auswahl des EM-Subsets L ein evolutionärer, insbesondere ein genetischer, Algorithmus verwendet. Ein solcher Algorithmus ist z. ß. aus Baker et al. bekannt [Syed Murtuza Baker, Kai Schallau, Björn H. Junker. 2010. Comparison of different algorithms for simultaneous estimation of multiple parameters in kinetic metabolic models. J. Integrative Bioinformatics:-l- l.J. Besonders bevorzugt kann ein genetischer Algorithmus verwendet werden, in dessen Zielfunktion für verschiedene Kombinationen von EMs der jeweilige Wert SSRC mit der Methode „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" berechnet wird. Alternativ kann auch eine zufällige Auswahl verwendet werden. Nach Abschluss des Schritt ii) beinhaltet die Matrix L die notwendigen Makroreaktionen (Schritt iii). In a further and preferred embodiment of the method, therefore, an evolutionary, in particular a genetic, algorithm is used to select the relevant macro-reactions, ie to select the EM subsets L. Such an algorithm is z. ß. from Baker et al. [Syed Murtuza Baker, Kai Schallau, Björn H. Junker. 2010. Comparison of different algorithms for simultaneous estimation of multiple parameters in kinetic metabolic models. J. Integrative Bioinformatics: In particular, a genetic algorithm can be used, in whose objective function for various combinations of EMs the respective value SSR C is calculated with the method "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions." Alternatively, a random After completion of step ii), the matrix L contains the necessary macro reactions (step iii).
In einem optionalen Schritt iii) wird die Validität des EM-Subsets L grafisch überprüft. Es kann hier die Flux Map aus Schritt d) als Projektion des EM-Subsets L herangezogen werden. Abbildung 4 zeigt die Flux Map mit der Projektion eines Subsets von sechs EMs. Ist der EM-Subset L valide, befinden sich die Messdaten weiterhin innerhalb des EM-Subsets L. Diese Darstellung ermöglicht eine schnelle grafische Kontrolle der Validität der Auswahl. In an optional step iii), the validity of the EM subset L is checked graphically. Here, the flux map from step d) can be used as a projection of the EM subset L. Figure 4 shows the Flux Map with the projection of a subset of six EMs. If the EM subset L is valid, the measurement data remains within the EM subset L. This representation allows a quick graphical check of the validity of the selection.
In einem weiteren Schritt f) werden mit den spezifischen Raten q(t) aus d) und / oder den Messdaten aus c) die Reaktionsraten der Makroreaktionen des Subsets L berechnet. Die Berechnung von r(t) kann anhand der spezifischen Raten q(t) wie in e) beschrieben nach Soons et al. erfolgen [Soons, Z. 1.In a further step f), the reaction rates of the macro reactions of the subset L are calculated with the specific rates q (t) from d) and / or the measured data from c). The calculation of r (t) can be based on the specific rates q (t) as described in e) according to Soons et al. [Soons, Z. 1.
T. A., Ferreira, E. C, Rocha, 1. (2010). Selection of Elementary Modes for Bioprocess Control. 1 Ith International Symposium on Computer Applications in Biotechnology, Leuven, Belgium, July 7-9,
2010, 156-161], bevorzugt erfolgt die Berechnung von r(t) anhand der Messdaten aus c) mit der erfindungsgemäßen„linearen Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen". TA, Ferreira, E.C., Rocha, 1. (2010). Selection of Elementary Modes for Bioprocess Control. 1 Ith International Symposium on Computer Applications in Biotechnology, Leuven, Belgium, July 7-9, 2010, 156-161], the calculation of r (t) preferably takes place on the basis of the measurement data from c) with the "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions" according to the invention.
Im Schritt g) des Verfahrens werden die Kinetiken der Makroreaktionen entworfen. Die ermittelten Kinetiken sollen die dynamischen Einflüsse des Prozesszustands auf die jeweiligen Reaktionsraten rk quantifizieren: In step g) of the method, the kinetics of the macro reactions are designed. The determined kinetics should quantify the dynamic influences of the process state on the respective reaction rates r k :
rk = f( , pH, T, ... ) (Formel 16) r k = f (, pH, T, ...) (formula 16)
Aus den Kinetiken ergeben sich die zu bestimmenden Modellparameter. The kinetics result in the model parameters to be determined.
Die generischen Kinetiken werden in Schritt g) i. aus der Stöchiometrie der Makroreaktionen entworfen. Für Substrate der Makroreaktion wird eine Limitierung vom Monod Typ angenommen. The generic kinetics are determined in step g) i. designed from the stoichiometry of macro reactions. For substrates of the macro reaction, a limitation of the monodype is assumed.
itierungen j multipliziert: multiplied by j:
(Formel 17)(Formula 17)
Wobei die Monod-Konstanten Km k i und die Hill-Koeffizienten ηέ die Parameter der Gleichung darstellen, deren erste Werte manuell eingegeben werden. Üblicherweise werden die Monod- Konstanten Km k i auf ein Zehntel der jeweiligen maximalen gemessenen Konzentrationen und die Hill-Koeffizienten ηέ auf den Wert 1 gesetzt. Die Ermittlung von generischen Kinetiken aus den Reaktionsstöchiometrien wird von Provost oder von Gao et al. beschrieben [Provost A. 2006. Metabolic design of dynamic bioreaction models. Faculte des Sciences Appliquees, Universite catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, S. 126 ; [Gao, J., Gorenflo, V. M., Scharer, J. M., & Budman, H. M. (2007). Dynamic metabolic modeling for a MAB bioprocess. Biotechnology progress, 23(1 ), 168-181]. Diese Methoden werden hiermit in die Anmeldung per Referenz integriert. In diesen Methoden werden der Substratlimitierungen des Monod-Typs für die jeweiligen Substrate einer Reaktion verwendet. Obwohl Provost oder Gao dies nicht beschreiben, sind Inhibierungen durch toxische Produkte ebenfalls mit dieser Methode aus der Reaktionsstöchiometrie ableitbar. Wherein the monod constants K mki and the Hill coefficients η έ represent the parameters of the equation whose first values are entered manually. Usually, the monod constants K mk i are set to one tenth of the respective maximum measured concentrations and the hill coefficients η έ to the value 1. The determination of generic kinetics from the reaction stoichiometries is described by Provost or by Gao et al. [Provost A. 2006. Metabolic design of dynamic bioreaction models. Faculty of the Sciences Applique, Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, p. 126; [Gao, J., Gorenflo, VM, Scharer, JM, & Budman, HM (2007). Dynamic metabolic modeling for a MAB bioprocess. Biotechnology progress, 23 (1), 168-181]. These methods are hereby integrated into the application by reference. In these methods, the substrate limitations of the monodype are used for the respective substrates of a reaction. Although Provost or Gao do not describe this, inhibition by toxic products is also derivable from reaction stoichiometry using this method.
Im Schritt g) ii. werden die Einflussgrößen auf die in f) ermittelten Reaktionsraten r(t) ermittelt. Dabei werden alle Größen, die den Prozesszustand beschreiben (also auch Bioreaktionsbedingungen wie z. B. der pH-Wert, die Reaktortemperatur, Partialdrücke, die nicht aus der Stöchiometrie der Makroreaktion ableitbar sind) betrachtet. Die Einflussgrößen können manuell beispielsweise mit Hilfe einer statistischen Methode wie Partial-Least-Squares ermittelt werden. Hierzu wird die Korrelation zwischen dem Prozesszustand (der in einer Matrix zusammengefasst wird) und den Reaktionsraten r(t) aus f) ermittelt.
In einem Schritt g) iii. werden dann die in g) ii. ermittelten Einflüsse quantifiziert und die Kinetik aus i. um entsprechende Terme erweitert. Ein in g) ii. gefundener Einfluss von einer Größe des Prozesszustandes auf eine Reaktionsrate kann dann mit einem Term j belegt werden. Der Term j ist eine beliebige Funktion, die in Abhängigkeit des Prozesszustandes einen Wert zwischen 0 und 1 ergibt. Die in g) i. aufgestellte generische Kinetik der Reaktion wird dann mit diesem Term multipliziert. Beispielsweise deutet eine gefundene negative Korrelation zwischen der Konzentration einer Komponente t und der Reaktion k auf eine Beeinflussung der Reaktionsrate k durch die Konzentration vom (Q) hin. Dieses kann beispielsweise mit einer Inhibierungskinetik nach Haidane belegt werden: I ( T) = K KI,k, Ki + 'r m W (Formel 18) In step g) ii. the influencing variables are determined on the reaction rates r (t) determined in f). All variables that describe the process state (ie also bioreaction conditions such as the pH, the reactor temperature, partial pressures that can not be derived from the stoichiometry of the macro reaction) are considered. The influencing variables can be determined manually, for example using a statistical method such as partial least squares. For this purpose, the correlation between the process state (which is summarized in a matrix) and the reaction rates r (t) from f) is determined. In a step g) iii. then the g in g) ii. determined influences quantified and the kinetics of i. extended by corresponding terms. One in g) ii. found influence of a size of the process state on a reaction rate can then be occupied by a term j. The term j is any function that gives a value between 0 and 1 depending on the process state. The in g) i. established generic kinetics of the reaction is then multiplied by this term. For example, a negative correlation found between the concentration of a component t and the reaction k indicates an influence on the reaction rate k by the concentration of (Q). This can be demonstrated, for example, with an inhibition kinetics after Haldane: I (t) = K KI, k, i + K 'rm W (Formula 18)
Wobei KI k i die Inhibierungskonstante bezeichnet und einen weiteren Modellparameter darstellt, dessen erster Wert manuell eingegeben wird und üblicherweise auf ein Zehntel der jeweiligen maximalen gemessenen Konzentrationen gesetzt wird. Wherein K I ki denotes the inhibition constant and represents another model parameter whose first value is input manually and is usually set to one-tenth of the respective maximum measured concentrations.
In einem optionalen Schritt h) werden die Modellparameterwerte p der Kinetiken an die in f) ermittelten Reaktionsraten der Makroreaktionen r (t) angepasst: m niinn ^ (rk ( ) - rk ) (Formel 19) In an optional step h), the model parameter values p of the kinetics are adapted to the reaction rates of the macro reactions r (t) determined in f): m ninn ^ (r k () - r k ) (formula 19)
v ■ v ■
- k=l - k = l
Dieses wird im Folgenden als Modellparameterwertschätzung bezeichnet. Auf ein numerisches Lösen einer oder mehrerer Differentialgleichungen nach den Formeln 2 bis 4 in diesem Schritt kann verzichtet werden; die Modellparameterwerte können in unabhängigen Gruppen mit üblicherweise 3 bis 10 Parametern separat für jede Makroreaktion k angepasst werden. Die Anpassung erfolgt durch eine übliche Methode wie der Gauß-Newton Methode [Bates DM, Watts DG. 1988. Nonlinear regression analysis and its applications. New York: Wiley. xiv, 365.]. This is referred to below as model parameter estimation. A numerical solution of one or more differential equations according to the formulas 2 to 4 in this step can be dispensed with; the model parameter values can be adjusted in independent groups with usually 3 to 10 parameters separately for each macro reaction k. The adaptation is done by a common method such as the Gauss-Newton method [Bates DM, Watts DG. 1988. Nonlinear regression analysis and its applications. New York: Wiley. xiv, 365.].
Diese für jede Makroreaktion separate Modellparameterwertschätzung ist für die Schritte i) und j) besonders vorteilhaft, da sie einerseits schnell durchführbar ist und anderseits verbesserte Startwerte für die Anpassung der Modellparameterwerte an Messdaten aus c) in Schritt j) liefert. This model parameter value estimation, which is separate for each macro reaction, is particularly advantageous for steps i) and j), since it can be carried out quickly and also provides improved starting values for adapting the model parameter values to measurement data from c) in step j).
Die Anpassungsgüte wird beispielsweise mit der Summe der quadrierten Residuen SSRr nach Formel 20 berechnet:
Nt The goodness of fit is calculated, for example, with the sum of the squared residuals SSR r according to formula 20: N t
SSRr = ^ (rk ( ) - rk) (Formel 20) SSR = ^ r (r k () - r k) (Formula 20)
k= l k = l
Je kleiner der Wert für SSRr, desto besser ist die Anpassung. Alternativ erfolgt die Überprüfung der Anpassungsgüte durch einen graphischen Vergleich von fk~ und rk . The smaller the value for SSR r , the better the fit. Alternatively, the check of the quality of fit is done by a graphical comparison of f k ~ and r k .
In einem optionalen Schritt i) werden die in g) gewählten Kinetiken der Makroreaktionen auf ihre Anpassungsgüte hin überprüft. Grundlage ist der in Schritt h) berechnete Wert SSRr, der die Anpassungsgüte der Modellparameterwertschätzung quantifiziert. Bei einer nicht zufriedenstellenden Anpassungsgüte können die Schritte g) und h) wiederholt werden, bis eine vordefinierte Anpassungsgüte erreicht wird. In an optional step i), the kinetics of the macro reactions selected in g) are checked for their quality of fit. The basis is the value SSR r calculated in step h), which quantifies the quality of fit of the model parameter value estimation. With an unsatisfactory quality of fit, steps g) and h) can be repeated until a predefined quality of fit is achieved.
In einem weiteren Schritt j) kann die Anpassung der Parameterwerte der Kinetiken aus g) an die Messdaten aus c) nach einer für Anpassungen üblichen Methode erfolgen. Bevorzugt werden für diese Anpassung die Startwerte aus Schritt h) verwendet. Die Modellparameterwertanpassung erfolgt unter Einbeziehung der o. g. Differentialgleichungen (Formeln 2 bis 4), z. B. mit Hilfe der Gauß-Newton Methode [Bates DM, Watts DG. 1988. Nonlinear regression analysis and its applications. New York: Wiley. xiv, 365. J oder mit einem multiple Shooting Algorithmus [Peifer M, Timmer J. 2007. Parameter estimation in ordinary differential equations for biochemical processes using the method of multiple shooting. Systems Biology, IET 1(2):78-88.J. In a further step j), the adaptation of the parameter values of the kinetics from g) to the measured data from c) can be carried out according to a method customary for adaptations. The starting values from step h) are preferably used for this adaptation. The model parameter value adjustment takes place with the inclusion of o. G. Differential equations (formulas 2 to 4), z. B. using the Gauss-Newton method [Bates DM, Watts DG. 1988. Nonlinear regression analysis and its applications. New York: Wiley. xiv, 365. J or using a multiple-shoot algorithm [Peifer M, Timmer J. 2007. Parameter estimation in ordinary differential equations for biochemical processes using the method of multiple shooting. Systems Biology, IET 1 (2): 78-88.J.
Bevorzugt können Produktmerkmale in das Modell integriert werden. Besonders bevorzugt kann dies für Produktmerkmale, die von der Konzentration von Neben- oder Zwischenprodukten abhängen, eingeführt werden. Konzentrationen von Nebenprodukten, die externe Komponenten des in a) eingegebenen metabolischen Netzwerkes sind, sind bereits in das Modell integriert und können berechnet werden. Bei Bedarf lassen sich allerdings auch andere Neben-oder Zwischenprodukte in einem oder mehreren separaten metabolischen Netze zusammenfassen. Dies ist vorteilhaft, wenn die erwarteten Ausscheide- oder Aufnahmeraten sich in unterschiedlichen Größenordnungen bewegen oder bestimmte Stoffwechselvorgänge in unterschiedlichen Detailgraden betrachtet werden sollen. Alternativ zur einem integrierten Modell kann mit den Schritten a) bis j) ein separates Modell zur Berechnung der Produktmerkmale erzeugt werden, dass den Prozessverlauf der externen Komponenten des separaten metabolischen Netzwerkes ebenfalls mit einem Satz von Makroreaktionen mit eigenen Kinetiken beschreibt. Neben- oder Zwischenprodukte, die nicht außerhalb des Organismus vorliegen, aber deren zellinterne Akkumulation sich auf ein- oder mehrere Produktmerkmale auswirkt können in Schritt a) und b) bei der Berechnung der EMs und der Formulierung der Makroreaktionen externalisiert, also als externe Komponenten klassifiziert, werden. Die Einbindung von
Produktmerkmalen, die von zellinternen oder zellexternen Konzentrationen abhängig sind, kann dann über die zusätzliche Integration von quantitativen oder qualitativen Zusammenhängen zwischen Konzentrationen und Produktmerkmalen erfolgen. Preferably, product features can be integrated into the model. Most preferably, this may be introduced for product characteristics that depend on the concentration of by-products or intermediates. Concentrations of by-products that are external components of the metabolic network entered in a) are already integrated into the model and can be calculated. If necessary, however, other by-products or intermediates may be grouped together in one or more separate metabolic networks. This is advantageous if the expected excretion or uptake rates are in different orders of magnitude or certain metabolic processes are to be considered in different degrees of detail. As an alternative to an integrated model, steps a) to j) can be used to generate a separate model for the calculation of the product features, which also describes the course of the process of the external components of the separate metabolic network with a set of macro reactions with their own kinetics. By-products or intermediates that are not outside the organism but whose intracellular accumulation affects one or more product characteristics may be externalized in step (a) and (b) in the calculation of the EMs and the formulation of macro-reactions, ie classified as external components, become. The involvement of Product features that are dependent on intracellular or out-of-cell concentrations may then be achieved through the additional integration of quantitative or qualitative relationships between concentrations and product characteristics.
Weitere Gegenstände sind ein Computerprogram oder eine Software zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Further objects are a computer program or software for carrying out the method according to the invention.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellte Modell kann zur Prozessführung oder Planung der Prozessführung sowie Untersuchung des Verfahrens im Reaktor verwendet werden. The model provided by the method according to the invention can be used for process control or planning of the process control as well as investigation of the process in the reactor.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird exemplarisch beschrieben, ohne sich darauf zu beschränken. Mit diesem Verfahren wurde ebenfalls exemplarisch ein Modell einer Fermentation mit Hybridoma-Zellen erstellt und dessen Validität wie beschrieben geprüft. A particular embodiment of the method according to the invention is described by way of example, without being limited thereto. Using this method, a model of a fermentation with hybridoma cells was also prepared by way of example and its validity was tested as described.
Beispiel: Modellierung einer Hybridoma-Zellkultur Example: Modeling a hybridoma cell culture
1 Schritt a) 1 step a)
Das Hintergrundwissen in Form eines metabolischen Netzwerkes wurde aus der Veröffentlichung von Niu et al. (Metabolie pathway analysis and reduetion for mammalian cell cultures— Towards macroscopic modeling. Chemical Engineering Science (2013) 102, S. 461^173. Dül: 10.1016/j.ces.2013.07.034.) entnommen. Das hier beschriebene metabolische Netzwerk einer tierischen Zelle enthält 35 Reaktionen, die 37 interne und externe Metaboliten verknüpfen (siehe Abbildung 5, siehe Tabelle 1). Background information in the form of a metabolic network has been published in Niu et al. Chemistry Engineering Science (2013) 102, pp. 461-173, Dül: 10.1016 / j.ces.2013.07.034.) (Metabolism pathway analysis and reduction for mammalian cell cultures-Towards macroscopic modeling. The metabolic network of an animal cell described here contains 35 reactions that link 37 internal and external metabolites (see Figure 5, see Table 1).
Tabelle 1 : Reaktionen des Metabolischen Netzwerkes nach Niu et al. (Metabolie pathway analysis and reduetion for mammalian cell cultures— Towards macroscopic modeling. Chemical Engineering Science (2013) 102, S. 461-473. DOI: 10.1016/j.ces.2013.07.034.) Table 1: Metabolic Network Reactions According to Niu et al. (Metabolic Pathway Analysis and Reduction for Mammalian Cell Cultures Towards Macroscopic Modeling: Chemical Engineering Science (2013) 102, pp. 461-473, DOI: 10.1016 / j.ces.2013.07.034.)
1 Glucose -» 1 G6P 1 glucose - »1 G6P
1 G6P + 2 NAD -> 2 Pyruvate 1 G6P + 2 NAD -> 2 pyruvates
1 Pyruvate -> 1 Lactate + 1 NAD 1 pyruvate -> 1 lactate + 1 NAD
1 Pyruvate -» 1 Pyruvate m 1 pyruvate - »1 pyruvate m
1 NADm + 1 Pyruvate_m -» 1 Acetyl coA_m 1 NADm + 1 pyruvate_m - »1 acetyl coA_m
1 Acetyl coA_m + 1 NADm + 1 Oxaloacetat_m -» 1 a-ketoglutarate_m
1 -ketoglutarate_m + 1 NADm -> 1 Succinyl CoA_m 1 acetyl coA_m + 1 NADm + 1 oxaloacetate_m - »1 a-ketoglutarate_m 1 -ketoglutarate_m + 1 NADm -> 1 succinyl CoA_m
1 FADm + 1 Succinyl CoA m -> 1 Fumarate 1 FADm + 1 succinyl CoA m -> 1 fumarate
1 Fumarate -> 1 Malat_m 1 Fumarate -> 1 Malat_m
1 Malat_m + 1 NADm -> 1 Oxaloacetat_m 1 Malat_m + 1 NADm -> 1 oxaloacetate_m
1 Glutamine -> 1 Glutamate + 1 NH3 1 glutamine -> 1 glutamate + 1 NH3
1 Glutamate + 1 NADm ->1 a-ketoglutarate_m + 1 NH3 1 glutamate + 1 NADm -> 1 a-ketoglutarate_m + 1 NH3
1 Malat_m -> 1 Malate 1 malat_m -> 1 malate
1 Malate + 1 NAD -> 1 Pyruvate 1 malate + 1 NAD -> 1 pyruvate
1 Glutamate + 1 Pyruvate -> 1 a-ketoglutarate_m + 1 Alanine 1 glutamate + 1 pyruvate -> 1 a-ketoglutarate_m + 1 alanine
1 Glutamate + 1 Oxaloacetat m -> 1 α-ketoglutarate m + 1 Aspartate 1 glutamate + 1 oxaloacetate m -> 1 α-ketoglutarate m + 1 aspartate
1 Arginine + 2 NADm -> 1 Glutamate + 3 NH3 1 arginine + 2 NADm -> 1 glutamate + 3 NH3
1 Asparagine -> 1 Aspartate + 1 NH3 1 Asparagine -> 1 Aspartate + 1 NH3
2 Glycine + 1 NADm -» 1 NH3 2 glycines + 1 NADm - »1 NH3
1 Histidine + 1 NADm ->1 Glutamate + 2 NH3 1 histidine + 1 NADm -> 1 glutamate + 2 NH3
1 Isoleucine + 2 NADm -> 1 Acetyl coA_m + 1 NH3 + 1 Succinyl CoA_m 1 isoleucine + 2 NADm -> 1 acetyl coA_m + 1 NH3 + 1 succinyl CoA_m
1 Leucine + 3 NADm -» 3 Acetyl coA_m 1 leucine + 3 NADm - »3 acetyl coA_m
1 Lysine + 6 NADm -» 2 Acetyl coA_m 1 lysine + 6 NADm - »2 acetyl coA_m
1 Methionine + 4 NADm -> 1 NH3 + 1 Succinyl CoA_m 1 methionine + 4 NADm -> 1 NH3 + 1 succinyl CoA_m
1 NADm + 1 Phenalanine -» 1 Tyrosine 1 NADm + 1 phenalanine - »1 Tyrosine
1 Serine -» 1 NH3 + 1 Pyruvate 1 serine - »1 NH3 + 1 pyruvate
1 NADm + 1 Threonine->l NH3 + 1 Succinyl CoA_m 1 NADm + 1 threonine-> 1 NH3 + 1 succinyl CoA_m
19 NADm + 1 TRP -> 3 Acetyl coA_m 19 NADm + 1 TRP -> 3 acetyl coA_m
5 NADm + 1 Tyrosine ->2 Acetyl coA_m + 1 Fumarate 5 NADm + 1 tyrosine -> 2 acetyl coA_m + 1 fumarate
5 NADm + 1 Valine - 1 NH3 + 1 Succinyl CoA_m 5 NADm + 1 valine - 1 NH3 + 1 succinyl CoA_m
1 NADm ->1 NAD 1 NADm -> 1 NAD
0.5 Oxygen(02) - 1 NADm 0.5 Oxygen (02) - 1 NADm
1 NADm - 1 FADm 1 NADm - 1 FADm
0.0156 Alanine + 0.0082 Arginine + 0.0287 Aspartate + 0.0167 G6P + 0.0245 Glutamine + 0.0039 Glutamate + 0.0196 Glycine + 0.0038 Histidine + 0.0099 Isoleucine + 0.0156 Leucine + 0.0119 Lysine + 0.0039 Methionine + 0.0065 Phenalanine + 0.016 Serine + 0.0094 Threomne + 0.0047 Tyrosine + 0.0113 Valine - 1 X (Biomasse) + 0.0981 NAD 0.0156 Alanine + 0.0082 Arginine + 0.0287 Aspartate + 0.0167 G6P + 0.0245 Glutamine + 0.0039 Glutamate + 0.0196 Glycine + 0.0038 Histidine + 0.0099 Isoleucine + 0.0156 Leucine + 0.0119 Lysine + 0.0039 Methionine + 0.0065 Phenalanine + 0.016 Serine + 0.0094 Threomne + 0.0047 Tyrosine + 0.0113 Valine - 1 X (biomass) + 0.0981 NAD
0.01101 Alanine + 0.005033 Arginine + 0.007235 Asparagine + 0.0081787 Aspartate + 0.010381 Glutamine + 0.010695 Glutamate + 0.01447 Glycine + 0.0034602 Histidine + 0.005033 Isoleucine +
0.014155 Leucine + 0.01447 Lysine + 0.002831 1 Methionine + 0.007235 Phenalanine + 0.026738 Serine + 0.016043 Threonine + 0.0084932 Tyrosine + 0.018874 Valine -» 1 IgG (Antibody) 0.01101 Alanine + 0.005033 Arginine + 0.007235 Asparagine + 0.0081787 Aspartate + 0.010381 Glutamine + 0.010695 Glutamate + 0.01447 Glycine + 0.0034602 Histidine + 0.005033 Isoleucine + 0.014155 Leucine + 0.01447 Lysine + 0.002831 1 Methionine + 0.007235 Phenalanine + 0.026738 Serine + 0.016043 Threonine + 0.0084932 Tyrosine + 0.018874 Valine - »1 IgG (Antibody)
In der Veröffentlichung ist die Reversibilität der Reaktionen nicht explizit angegeben. Stattdessen wurden die Daten zur„Metabolischen Flussanalyse" aus derselben Veröffentlichung ausgewertet und zur Identifizierung der irreversiblen Reaktionen verwendet. In the publication, the reversibility of the reactions is not explicitly stated. Instead, the metabolic flux analysis data from the same publication was evaluated and used to identify the irreversible reactions.
Mit der stöchiometrischen Matrix N, die die Stöchiometrie, d. h. die stöchiometrischen Koeffizienten, der internen Metabolite enthält, und den Informationen über die Reversibilität der Reaktionen wurden mit Hilfe von METATOOL 5.1 (Pfeiffer et al. METATOOL: for studying metabolic networks, Bioinformatics 199915 (3), S. 251-257.) alle Elementary Modes (EMs) des Netzwerkes berechnet. Die Zahl der EMs liegt hier bei über 300.000. With the stoichiometric matrix N, the stoichiometry, d. H. the stoichiometric coefficients containing internal metabolites and the information on the reversibility of the reactions were all elucidated using METATOOL 5.1 (Pfeiffer et al., METATOOL: for studying metabolic networks, Bioinformatics 199915 (3), pp. 251-257.) Modes (EMs) of the network calculated. The number of EMs here is over 300,000.
2 Schritt b) 2 step b)
Die Matrix mit den berechneten EMs E wurde in Schritt a) gewonnen. Analog zur Matrix N, enthält die Matrix Np die Stöchiometrie, d. h. die stöchiometrischen Koeffizienten, der externen Metabolite. Mögliche Makroreaktionen des stöchiometrischen Netzwerks wurden in der Matrix K mit Formel 21 zusammengefasst: The matrix with the calculated EMs E was obtained in step a). Analogous to the matrix N, the matrix N p contains the stoichiometry, ie the stoichiometric coefficients, of the external metabolite. Possible macro reactions of the stoichiometric network were summarized in the matrix K with formula 21:
K = Np - E ( Formel 21) K = N p -E (Formula 21)
3 Schritt c) 3 step c)
Die Messdaten des Prozesses wurden aus Baughman et al. entnommen, der verschiedene Messgrößen einer Fermentation von Hybridoma-Zellen über den Verlauf eines Batch-Prozess (vgl. Abbildung 6) angibt [On the dynamic modeling of mammalian cell metabolism and mAb production. In: Computers & Chemical Engineering (2010) 34 (2), S. 210-222.]. Die Messdaten wurden in das Verfahren eingegeben. The measurement data of the process were taken from Baughman et al. which reports various measures of a fermentation of hybridoma cells over the course of a batch process (see Figure 6). In: Computers & Chemical Engineering (2010) 34 (2), pp. 210-222.]. The measurement data was entered in the procedure.
4 Schritt d) 4 step d)
Mit Hilfe von Spline-interpolierten Messwerten aus c) (Cm ) wurden die Wachstums- und Absterberaten sowie die spezifischen Aufnahme- bzw. Ausscheideraten berechnet (vgl. Abbildung 7). Die Lysis wurde mit einem vordefinierten und in das Verfahren eingegebenen, über den Prozessenzeitraum konstanten Lysis-Faktor A' j = 0.1 einbezogen. Ein Shiften der Messdaten war nicht
notwendig, da es sich hier um Daten eines Batch-Prozesses ohne weitere Zugaben handelt. Die Daten zeigen dementsprechend einen steigenden Verlauf da alle Konzentrationsänderungen von den Zellen- und nicht von Zugaben verursacht sind. Using spline-interpolated measurements from c) (C m ), the growth and mortality rates as well as the specific uptake and excretion rates were calculated (see Figure 7). The lysis was included with a predefined lysis factor A ' j = 0.1, which was entered into the procedure and was constant over the process period. A shift of the measured data was not necessary, since this is data of a batch process without further additions. Accordingly, the data show a rising trend because all concentration changes are caused by the cell and not by additions.
Zur Berechnung der Raten q werden zusätzliche Informationen herangezogen. So konnte mit Hilfe der Additional information is used to calculate rates q. So could with the help of
[C—τγιοΐΛ — -— J) und der gesamten Zellzahl ein durchschnittlicher C-mol Gehalt von fc-moi,x = 18.41
errechnet werden. Die C-mol bezogene Wachstumsrate konnte nun mit Formel 22: [C-τγιοΐΛ - - J) and the total number of cells has an average C-mol content of fc-moi, x = 18.41 be calculated. The C-mole related growth rate could now be compared with formula 22:
mol mol mol mol
μ μ fc C-mol,Xv ( Formel 22) μ μ fc C-mol, X v (formula 22)
h■ W9cells W9cells h ■ W 9 cells W 9 cells
berechnet werden. Analog kann die C-mol bezogene Bildungsrate des Antikörpers abgeschätzt werden. Hierzu wurde die molare Zusammensetzung des Antiköpers zu CHi 5800 31N0 27S0 004 mit einer formellen molaren Masse von MmAb c_mol = 22.45 -^ geschätzt. Hier wird angenommen, dass die molare Zusammensetzung einer durchschnittlichen molaren Zusammensetzung von Proteinen wie von Villadsen et al. [Bioreaction engineering principles (201 1), Kapitel 3, Elemental and Redox Balances, S. 73, Springer Verlag, ISBN : 978-1 -4419-9687-9J angegeben entspricht. Die molare Masse des gesamten Antikörpers wurde zu MmAb = 150.000 -^- geschätzt. Die Bildungsrate des Antikörpers ergab sich dann aus der Formel: be calculated. Analogously, the C-mol-related formation rate of the antibody can be estimated. For this purpose, the molar composition of the antibody to CHi 58 0 0 31 N 0 2 7S 0 004 was estimated with a formal molar mass of M mAb c _ mol = 22.45 - ^. Here, it is assumed that the molar composition of an average molar composition of proteins as described by Villadsen et al. [Bioreaction engineering principles (201 1), Chapter 3, Elemental and Redox Balances, p. 73, Springer Verlag, ISBN: 978-1 -4419-9687-9J. The molar mass of the total antibody was estimated to be M mAb = 150,000 - ^. The rate of formation of the antibody then resulted from the formula:
C— mol 10~4mol M, mAb,C-mol C-mol 10 ~ 4 mol M, mAb, C-mol
QmAb QmAb w4 ( Formel 23) QmAb QmAb w 4 (formula 23)
h■ 109cells h■ 109cells MmAb h ■ 10 9 cells h ■ 10 9 cells M m Ab
Der zeitliche Verlauf der Raten q (t) konnte dann zur Auswahl der Makroreaktionen herangezogen werden. The time course of the rates q (t) could then be used to select the macro reactions.
5 Schritt e) 5 step e)
Im Schritt e) wurde ein EM-Subset von Makroreaktionen erzeugt, mit dem der Datensatz bestmöglich wiedergegeben wurde. Hierzu wurde die Matrix K aus Schritt b) benötigt. Da die Anzahl von über 300.000 Makroreaktionen zu einer zu großen Anzahl von möglichen Kombinationen geführt hätte, wurde zuerst eine datenabhängige Vorreduktion durchgeführt: In step e), an EM subset of macro reactions was generated, with which the data record was reproduced in the best possible way. For this purpose, the matrix K from step b) was needed. Since the number of more than 300,000 macro-reactions would have resulted in too many possible combinations, a data-dependent pre-reduction was performed first:
Hierzu wurden die in Schritt d) ermittelten Raten q(t) zur Berechnung der Ausbeutekoeffizienten Ym für alle Kombinationen zweier externer Metabolite verwendet. Die untere Grenze eines Ausbeutekoeffizienten Ytj wurde so gewählt, dass 99% der ermittelten Ausbeutekoeffizienten Yj {t) über diesem Wert liegen. Die obere Grenze wurde so gewählt, dass 99% der ermittelten
Ausbeutekoeffizienten Y^it) unter diesem Wert liegen. Exemplarisch sind einige ermittelten Grenzen sowie der Anteil der EMs, dessen Ausbeutekoeffizienten Y™ innerhalb dieser Grenzen liegen in Tabelle 2 angegeben. Insgesamt konnte die Anzahl der EMs so auf ca. 3000 reduziert werden. For this purpose, the rates q (t) determined in step d) were used to calculate the yield coefficients Y m for all combinations of two external metabolites. The lower limit of a yield coefficient Y tj was chosen such that 99% of the determined yield coefficients Y j {t) are above this value. The upper limit was chosen so that 99% of the determined Yield coefficients Y ^ it) are below this value. By way of example, some determined limits and the proportion of EMs whose yield coefficients Y ™ within these limits are given in Table 2. Overall, the number of EMs could be reduced to about 3000.
Tabelle 2: Externe Metabolite, deren maximale und minimale Ausbeutekoeffizienten sowie der Anteil der EMs, dessen Ausbeutekoeffizienten innerhalb der angegebenen Grenzen liegen Table 2: External metabolites, their maximum and minimum yield coefficients and the proportion of EMs whose yield coefficients are within the specified limits
Im Anschluss an die datenabhängige Reduktion wurde anschließend noch eine datenunabhängige Reduktion durchgeführt. Hierbei wurde ein Maximalwert für die Kosinus -Ähnlichkeit zweier EMs von 0,995 definiert. Beginnend mit der ersten Reaktion wurden so alle Makroreaktionen aus der Matrix K entfernt, die diesen Wert überschritten. Es verblieben ca. 500 Makroreaktionen aus der Matrix K (auch reduzierte Matrix K genannt), die weiterhin mehr als 95% des Volumens des durch die ca. 3000 EMs aufgespannten Lösungsraum abdecken. Following the data-dependent reduction, a data-independent reduction was subsequently carried out. Here, a maximum value for the cosine similarity of two EMs of 0.995 was defined. Starting with the first reaction, all macro reactions were removed from matrix K that exceeded this value. There remained about 500 macro reactions from the matrix K (also called reduced matrix K), which continue to cover more than 95% of the volume of the solution space spanned by the approximately 3000 EMs.
Vor dem Auswahlprozess erfolgte zudem ein Abgleich der im metabolischen Netzwerk nach Niu et al. angegebenen Komponenten (die den externen Metaboliten des metabolischen Netzwerkes aus a) entsprechen) und den gemessenen Komponentenkonzentrationen aus c). Bis auf Prolin werden alle von Baughman et al. gemessenen Konzentrationen auch im metabolischen Netzwerk nach Niu et al. berücksichtigt. Um die Messung der Prolinkonzentration nutzen zu können wäre entweder ein anderes vereinfachtes Netzwerk, das Prolin als externen Metaboliten enthält, verwendbar oder eine Erweiterung des bestehenden metabolischen Netzwerks möglich. Before the selection process, a comparison of the metabolic network according to Niu et al. specified components (corresponding to the external metabolite of the metabolic network of a) and the measured component concentrations of c). Except for proline, all of Baughman et al. measured concentrations in the metabolic network according to Niu et al. considered. In order to be able to use the measurement of the proline concentration, either another simplified network containing proline as an external metabolite could be used, or an extension of the existing metabolic network possible.
Komponenten, die zwar in den berechneten Makroreaktionen vorkamen, aber von denen keine Daten verfügbar waren, wurden ebenfalls im Folgenden ignoriert. Die entsprechenden Zeilen der Matrix K wurden dementsprechend aus der Matrix gestrichen. Das Streichen der entsprechenden Zeilen bedeutet nicht, dass diese Ein- bzw. Ausgänge von der Zelle nicht genutzt werden. Sie bestehen weiterhin im metabolischen Netzwerk, nur fehlen hierzu Messungen, die diese bilanzierbar machen können. In diesem Beispiel wurden die Ein- bzw. Ausgänge von Arginine, Glutamate, Glycin, Histidin, Leucin, Lysine, Methionin, Ammonium, Sauerstoff, Phenylalanin, Serin, Threonin, Tryptophan, Tyrosin und Valin vernachlässigt.
In der folgenden Schritten des Verfahrens wird nun die reduzierte Matrix K - die die das Hintergrundwissen abbildet - und die Raten q(t) aus d) sowie die Messdaten aus c) - die dasComponents that occurred in the calculated macro-reactions but of which no data was available were also ignored below. The corresponding rows of the matrix K were accordingly deleted from the matrix. The deletion of the corresponding lines does not mean that these inputs or outputs are not used by the cell. They continue to exist in the metabolic network, only lacking measurements that can make them accountable. In this example, the inputs and outputs of arginine, glutamates, glycine, histidine, leucine, lysines, methionine, ammonium, oxygen, phenylalanine, serine, threonine, tryptophan, tyrosine and valine were neglected. In the following steps of the method, the reduced matrix K - which maps the background knowledge - and the rates q (t) from d) and the measured data from c) - the
Prozesswissen bilden - dazu verwendet, ein möglichst kleines Subset L der Makroreaktionen aus K zu gewinnen. Form process knowledge - used to obtain the smallest possible subset L of macro reactions from K.
Es wurde die erfindungsgemäße „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" als Gütekriterium verwendet. The "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions" according to the invention was used as the quality criterion.
Analog zu den Raten q(i) wurden die Messwerte der Zellzahl und des Antikörpers hier auf C-mol normiert. Dies ist erforderlich damit die Dimension der Makroreaktionen mit denen der Messwerte übereinstimmt. Analogous to the rates q (i), the measured values of the cell number and of the antibody were normalized here to C-mol. This is necessary so that the dimensions of the macro reactions match those of the measured values.
Die Auswahl des Subsets erfolgte mit einem genetischen Algorithmus. In der Berechnung der Zielfunktion dieses genetischen Algorithmus wurde hierbei das bei der „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" angesprochene lineare Optimierungsproblem gelöst. Die hier errechnete finale Summe der kleinsten Fehlerquadrate des linearen Optimierungsproblems war zugleich der Wert der Zielfunktion für die jeweilige Auswahl der Makroreaktionen. The subset was selected using a genetic algorithm. In the calculation of the objective function of this genetic algorithm, the linear optimization problem addressed in the "Linear Estimation of Reaction Rates of Selected Macro Reactions" was solved.The final sum of the least squares of the linear optimization problem calculated here was also the value of the objective function for the respective selection of macro reactions.
Zur Auswahl der Größe des Subsets L aus K wurde die Optimierung mit wiederholt mit einer unterschiedlichen Anzahl an Makroreaktionen in L durchgeführt. Die Anzahl stellt einen Kompromiss zwischen der Modellkomplexität und der Wiedergabegenauigkeit dar. Um zu ermitteln, wie viele Reaktionen ausreichend für die Wiedergabe sind, kann entweder die Auswahl des Subsets L für eine variierende Anzahl von Makroreaktionen wiederholt werden oder ein Strafterm für die Reaktionsanzahl wird direkt der Zielfunktion des genetischen Algorithmus hinzugefügt werden. In diesem Fall wurden mehrere Optimierungen mit einer vordefinierten Anzahl von Makroreaktionen (10, 7, 5, 4 und 3) durchgeführt. Die mit dem genetischen Algorithmus gefundene kleinste Summe der Fehlerquadrate ist in Abbildung 9 gegenüber der Zahl der Makroreaktionen aufgetragen. Es zeigte sich, dass in diesem Fall weniger als sieben Makroreaktionen zu wenig sind um den Prozessverlauf hinreichend gut darzustellen. Die gewählten Makroreaktionen sind in Tabelle 3 angegeben. In order to select the size of the subset L from K, the optimization was performed repeatedly with a different number of macro reactions in L. The count represents a trade-off between model complexity and rendering accuracy. To determine how many responses are sufficient for rendering, either the selection of the subset L may be repeated for a varying number of macro-reactions, or a penalty for the number of responses will be used directly Target function of the genetic algorithm can be added. In this case, several optimizations were performed with a predefined number of macro reactions (10, 7, 5, 4, and 3). The smallest sum of squares found with the genetic algorithm is plotted against the number of macro reactions in Figure 9. It turned out that in this case fewer than seven macro reactions are too few to represent the course of the process sufficiently well. The selected macro reactions are given in Table 3.
Tabelle 3: Gewähltes Subset der Makroreaktionen (I). Nicht unterstrichene Komponenten werden in dem Modell nicht berücksichtigt, da hierzu keine Messungen vorliegen. Table 3: Selected subset of macro reactions (I). Non-underlined components are not included in the model as there are no measurements for this.
0.474 Alanine + 0.474 Methionine 0.474 Alanine + 0.474 Methionine
-* 0.158 Asparag ine + 0.316 Aspartate + 0.632 Glycine - * 0.158 asparagines + 0.316 aspartates + 0.632 glycines
+ 0.158 Tryptophan
+ 0.00789 Arginine + 0.0304 Asparagine + 0.0161 Glucose+ 0.158 tryptophan + 0.00789 arginine + 0.0304 asparagine + 0.0161 glucose
+ 0.0236 Glutamine + 0.00375 Glutamate + 0.00366 Histidine + 0.00953 Isoleucine + 0.015 Leucine + 0.112 Methionine + 0.0236 glutamine + 0.00375 glutamate + 0.00366 histidine + 0.00953 isoleucine + 0.015 leucine + 0.112 methionine
+ 0.00626 Phenalanine + 0.0154 Serine + 0.0109 Valine + 0.00626 phenalanine + 0.0154 serine + 0.0109 valine
-> 0.963 X (Biomass) + 0.00276 Aspartate + 0.24 Glycine -> 0.963 X (Biomass) + 0.00276 Aspartate + 0.24 Glycine
+ 0.0208 Tryptophan ine + 0.147 Glutamate + 0.0208 tryptophan ine + 0.147 glutamate
-> 0.295 Aspartate + 0.885 Glycine + 0.147 Lactate ne + 0.113 Asparagine + 0.0603 Glucose + 0.0225 Glutamine -> 0.295 aspartate + 0.885 glycine + 0.147 lactate ne + 0.113 asparagine + 0.0603 glucose + 0.0225 glutamine
+ 0.0824 Histidine + 0.00909 Isoleucine + 0.00597 Phenalanine + 0.0216 Tryptophan + 0.00431 Tyrosine + 0.0104 Valine + 0.0824 histidine + 0.00909 isoleucine + 0.00597 phenalanine + 0.0216 tryptophan + 0.00431 tyrosine + 0.0104 valine
-> 0.918 X (Biomass) + 0.061 Alanine + 0.0865 Aspartate -> 0.918 X (biomass) + 0.061 Alanine + 0.0865 Aspartates
+ 0.343 Glycine + 0.0631 Methionine e + 0.412 Aspartate + 0.00991 Glucose + 0.0145 Glutamine + 0.343 Glycine + 0.0631 Methionine e + 0.412 Aspartate + 0.00991 Glucose + 0.0145 Glutamine
+ 0.554 Glycine + 0.00226 Histidine + 0.00588 Isoleucine + 0.554 glycines + 0.00226 histidines + 0.00588 isoleucines
+ 0.00926 Leucine + 0.00706 Lysine + 0.0649 Phenalanine + 0.0095 Serine + 0.00671 Valine + 0.00926 leucine + 0.00706 lysine + 0.0649 phenalanine + 0.0095 serine + 0.00671 valine
-* 0.594 X (Biomass) + 0.049 Alanine + 0.395 Asparagine - * 0.594 X (biomass) + 0.049 alanines + 0.395 asparagines
+ 0.0503 Threonine + 0.0388 Tryptophan
+ 0.0503 threonine + 0.0388 tryptophan
0.0077 Ar ginine + 0.179 Aspartate + 0.0157 Glucose + 0.104 Glutamine 0.0077 ar ginine + 0.179 aspartate + 0.0157 glucose + 0.104 glutamine
+ 0.216 Glycine + 0.00357 Histidine + 0.00929 Isoleucine + 0.216 Glycine + 0.00357 Histidine + 0.00929 Isoleucine
+ 0.0146 Leucine + 0.0112 Lysine + 0.03Q Tyrosine + 0.0106 Valine+ 0.0146 leucine + 0.0112 lysine + 0.03Q tyrosine + 0.0106 valine
-* 0.939 X (Biomass) + 0.0624 Alanine + 0.152 Asparag ine - * 0.939 X (biomass) + 0.0624 alanines + 0.152 asparagines
+ 0.0183 Tryptophan + 0.0183 tryptophan
0.0342 Arginine + 0.211 Aspartate + 0.00762 Glucose + 0.0195 Glutamine 0.0342 Arginine + 0.211 Aspartate + 0.00762 Glucose + 0.0195 Glutamine
+ 0.244 Glycine + 0.00452 Histidine + 0.0546 Isoleucine + 0.244 glycines + 0.00452 histidines + 0.0546 isoleucines
+ 0.0185 Leucine + 0.0171 Lysine + 0.00406 Methionine + 0.0185 leucine + 0.0171 lysine + 0.00406 methionine
+ 0.0178 Tyrosine + 0.0203 Valine + 0.0178 tyrosine + 0.0203 valine
-> 0.457 X (Biomass) + 0.804 IgG (Antibody) + 0.185 Asparagine -> 0.457 X (biomass) + 0.804 IgG (Antibody) + 0.185 asparagines
+ 0.0153 Tryptophan + 0.0153 tryptophan
In den gezeigten Makroreaktionen sind alle externen Metaboliten des metabolischen Netzwerkes aus a) angegeben. Teil des Modells sind jedoch nur die unterstrichenen externen Metabolite, da nur für diese Messdaten aus c) vorliegen. In the macroreactions shown, all external metabolites of the metabolic network are given from a). However, only the underlined external metabolites are part of the model, since only for this measurement data from c) are available.
6 Schritt f) 6 step f)
Für das gewählte Set der Makroreaktionen wurden die Reaktionsraten über der Zeit ermittelt. In diesem Beispiel wurden mit der erfindungsgemäßen Methode „lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" die in Abbildung 10 gezeigten Messwerte durch eine Schätzung der Reaktionsraten r(t) approximiert. Das Ergebnis der Methode ist ein stückweise linearer Verlauf der einzelnen (volumetrischen) Reaktionsraten. Durch Division mit dem interpoliertem Verlauf der vitalen Zellzahl Xv(t) wurden die zellspezifischen Reaktionsraten r(t) der in Tabelle 3 gezeigten Makroreaktionen gewonnen. Die so erhaltenen Reaktionsraten r(t) sind in Abbildung 10 abgebildet. For the selected set of macro reactions, the reaction rates over time were determined. In this example, using the method according to the invention "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions", the measured values shown in Figure 10 were approximated by an estimate of the reaction rates r (t) The result of the method is a piecewise linear progression of the individual (volumetric) reaction rates Division with the interpolated progression of the vital cell number X v (t), the cell-specific reaction rates r (t) of the macro reactions shown in Table 3 were obtained and the reaction rates r (t) obtained are shown in Figure 10.
7 Schritt g) 7 step g)
Für alle in Tabelle 3 gezeigten Makroreaktionen wurden generische Kinetiken gemäß Formel 24 angenommen:
(Formel 24)For all macro reactions shown in Table 3, generic kinetics according to Formula 24 were adopted: (Formula 24)
In diesem Fall wurden sie durch eine Monod-Kinetik realisiert D. h. das bei jeder Reaktion k für jedes Substrat t eine Limitierung gemäß Formel 25 : In this case they were realized by a monodic kinetics D. h. for each reaction k, a limitation according to formula 25 for each substrate t:
(Formel 25)(Formula 25)
eingeführt wurde. Hierbei ist rk max die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, Ni die Anzahl der berücksichtigten Limitierungen, Q die Konzentration der Komponente t, Km k i die dazugehörigen Monod-Konstanten und n; der Hill-Parameter für die Reaktionsordnung darstellen. Deren Werte werden in den Schritten h) und j) angepasst. was introduced. Here, r k max is the maximum reaction rate, Ni the number of limitations taken into account, Q the concentration of the component t, K mki the associated monod constants and n; represent the Hill parameter for the reaction order. Their values are adjusted in steps h) and j).
Weitere Terme ergeben sich aus der Analyse der Reaktionsraten r(t) aus f). In diesem Beispiel wurden neben Substrathmitierungen auch Inhibierungen gemäß Formel 26 berücksichtigt. Further terms result from the analysis of the reaction rates r (t) from f). In addition to substrate transfers, inhibitions according to formula 26 were also taken into account in this example.
(Formel 26)(Formula 26)
Auch für diese Limitierung mussten die Werte der Parameter Kl k ii und ηέ angepasst werden. Die verwendeten kinetischen Terme der Reaktionen sind in Tabelle 4 angegeben. Also for this limitation, the values of the parameters K lk ii and η έ had to be adjusted. The kinetic terms of the reactions used are given in Table 4.
Tabelle 4: Kinetische Terme der gewählten Makroreaktionen aus L
Table 4: Kinetic terms of the selected macro reactions from L
[Glc] (t) \ ( [Gln] (t) \ ( [Asn] (t) r2 (t = r2,r. [Glc] (t) \ ([Gln] (t) \ ([Asn] (t) r 2 (t = r 2, r.
Km,Gic,2 + [Glc] (t ) KmiGlni2 + [Gln] (t) J KmiAsrii2 + [Asn] (t) Km, Gic, 2 + [Glc] (t) K miGlni2 + [Gln] (t) JK miAsrii2 + [Asn] (t)
[Ala] (t) [Ala] (t)
Km,Ala,2 + [Ala\ (t) j Km, Ala, 2 + [Ala \ (t) j
[Glc] (t) \ ( [Asn] (t) \ ( KliLaCi3 r3 (t = r3,; [Glc] (t) \ ([Asn] (t) \ (K liLaCi3 r 3 (t = r 3 ,;
Km,Gic,3 + [Glc] (t I KmiGlni3 + [Asn] (t) l KIiLaCi3 + [Lac] (t
Km, Gic, 3 + [Glc] (t IK miGlni3 + [Asn] (t) l K IiLaCi3 + [Lac] (t
8 Schritt h) 8 step h)
Für jede Reaktionsrate konnte mit der in Tabelle 4 angegebenen Kinetik und den interpolierten Werten der in der Kinetik berücksichtigten Konzentrationen Cm (t) der Verlauf der Reaktionsrate algebraisch berechnet werden.For each reaction rate it was possible to algebraically calculate the course of the reaction rate with the kinetics given in Table 4 and the interpolated values of the concentrations C m (t) considered in the kinetics.
Die Anpassung der Parameter dieser Kinetiken erfolgte separat für jede Reaktion t an die in Schritt f) ermittelte Reaktionsrate ri(t). Die Zielfunktion für eine Optimierung der in Reaktion t vorkommenden Parameter lautete in diesem Beispiel: The adaptation of the parameters of these kinetics was carried out separately for each reaction t to the reaction rate ri (t) determined in step f). The objective function for optimizing the parameters occurring in reaction t in this example was:
(Formel 27)(Formula 27)
Die so angepassten Verläufe aller berechneten rk pk, C_int (t) J sind zusammen mit den entsprechenden rk (t) in Abbildung 11 dargestellt. Die Verläufe der ersteren sind gestrichelt, die der letzteren durchgehend dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Verlauf qualitativ übereinstimmt. Dies bedeutet, dass mit den gewählten Kinetiken auch die Dynamik des Prozesses zufriedenstellend wiedergegeben werden kann. Diese Information ist in diesem Modellierungsschritt sehr hilfreich, da bei einer nicht zufriedenstellenden Wiedergabe die schnell durchzuführenden Schritte g) (Auswahl anderer Kinetiken) und h) (Parameterwertschätzung) wiederholt werden können, bis der gewünschte Anpassungsgrad erreicht ist. Schritt i) war hier also nicht erforderlich.
9 Schritt j) The thus adapted curves of all calculated r k p k , C int (t) J are shown together with the corresponding r k (t) in Figure 11. The progressions of the former are dashed, the latter represented by the latter. It can be seen that the course is qualitatively consistent. This means that with the chosen kinetics also the dynamics of the process can be reproduced satisfactorily. This information is very useful in this modeling step because if the playback is unsatisfactory, it is possible to repeat the quick steps g) (select other kinetics) and h) (parameter value estimation) until the desired level of fit is achieved. Step i) was not required here. 9 step j)
Die weiterführende Anpassung der Modelparameterwerte p erfolgte mit den Messdaten aus c). Hierfür wurden alle Parameter zugleich optimiert. Zudem wurden die bisher nicht betrachteten Vorgänge Apoptose und Lysis mit einbezogen. Diese werden in den Differentialgleichungen, die die Entwicklung der vitalen- und gesamten Zellzahl beschreiben, benötigt: The further adaptation of the model parameter values p was carried out with the measurement data from c). For this purpose, all parameters were optimized at the same time. In addition, the previously not considered processes apoptosis and lysis were included. These are needed in the differential equations describing the development of vital and total cell numbers:
dX1 dX 1
μά)■ Xv (Formel 28) μ ά ) ■ X v (formula 28)
dt dt
1 (Formel 29) 1 (formula 29)
Die gewählte Kinetik für die Beschreibung der Apoptose lautete: The chosen kinetics for the description of apoptosis was:
([Lac] (t) - CLaCiCr)([Lac] (t) - C LaCiCr )
d( = μα, ,max , [Lac] > C • lhac,cr (Formel 30) d (= μα,, max, [Lac]> C • l hac, cr (formula 30)
Kd,Lac + ([^ac]( — ^Lac,cr) Kd, Lac + ([^ ac ] ( - ^ Lac, cr)
Md( = 0 , [Lac] < CLaCi ,cr (Formel 31 )Md (= O , [Lac] <C LaCi , cr (Formula 31)
Die Lysisrate Ki wurde als konstant über dem Prozess angenommen. Neben den Parametern der Reaktionsraten wurden in diesem Schritt die durch die Apoptose und Lysis eingeführten Parameter Ciac.cr (kritische Laktat Konzentration), μα,τηαχ (maximale Absterberate), Kd Lac (Monod-Parameter zur Beschreibung des Einflusses der Laktat-konzentration auf die Absterberate) und Kt (Lysisrate) bestimmt. In dem Beispiel wurde ausgehend von den Startwerten des Datensatzes durch numerisches Lösen des ÜDE-Systems der Verlauf der geschätzten Konzentrationen C(t) ermittelt. Die Differenz zwischen den gemessenen Konzentrationen C_m (t) und den geschätzten Konzentrationen C (t) wurde dabei mit üblichen Methoden mit folgender Zielfunktion minimiert: The lysis rate Ki was assumed to be constant over the process. In addition to the parameters of the reaction rates, the parameters Ciac.cr (critical lactate concentration), μα, τηαχ (maximum rate of death) introduced by apoptosis and lysis, K d Lac (Monod parameter for describing the influence of lactate concentration) were determined in this step the rate of death) and K t (lysis rate). In the example, based on the starting values of the data set, the course of the estimated concentrations C (t) was determined by numerically solving the ÜDE system. The difference between the measured concentrations C_ m (t) and the estimated concentration C (t) was thereby minimized by conventional methods with the following objective function:
(Formel 32)(Formula 32)
Mit insgesamt 33 Parametern p ist diese Optimierung i. d. R schwierig durchzuführen, da die With a total of 33 parameters p, this optimization is i. d. R difficult to perform since the
Zielfunktion viele lokale Optima besitzt. Startet man einen deterministischen Optimierungsalgorithmus, wie z. B. den Levenberg-Marquardt Algorithmus an den aus Schritt h) bekannten Startwerten der Parameter ist die Erfolgsaussicht hingegen stark erhöht. Der angepasste Prozessverlauf ist in Abbildung 12 abgebildet. Die angepassten Parameter sind in Tabelle 5 abgebildet.
Tabelle 5: Parameter der Kinetiken sowie der Apoptose und Lysis Target function has many local optima. If you start a deterministic optimization algorithm, such. If, for example, the Levenberg-Marquardt algorithm at the starting values of the parameters known from step h), the chances of success are greatly increased. The adjusted process flow is shown in Figure 12. The adjusted parameters are shown in Table 5. Table 5: Parameters of kinetics as well as apoptosis and lysis
10 Schritt k) 10 step k)
Das Modell, bestehend aus der Matrix L, den Kinetiken aus Tabelle 4 sowie den Kinetiken der Apoptose mit den mit den dazugehörigen Parameterwerten aus Tabelle 5 wurde ausgegeben. The model consisting of the matrix L, the kinetics from Table 4 and the kinetics of apoptosis with the associated parameter values from Table 5 was output.
Symbolverzeichnis List of Symbols
(Unterstrich) Bezeichnet einen Vektor (Underscore) Denotes a vector
i (Index ) Bezeichnet das i-te Element eines Vektors i (index) Denotes the ith element of a vector
^ (Index k) Bezeichnet das k-te Element eines Vektors ^ (Index k) Denotes the kth element of a vector
[ ] Bezeichnet die Konzentration der in der Klammer stehenden Komponente [] Indicates the concentration of the component in the bracket
C Konzentration
AC Konzentrationsdifferenz C concentration AC concentration difference
Interpolierte Konzentration Interpolated concentration
c Geschätzte Konzentration (z.B. durch das Lösen einer Differentialgleichung) c Estimated concentration (e.g., by solving a differential equation)
Cs Geshiftete Konzentration C s Shifted concentration
r Kritische Konzentration r Critical concentration
Cm Gemessene Konzentration C m Measured concentration
D Verdünnungsrate D dilution rate
q Ermittelte zellspezifischen Ausscheide- und Aufnahmerate q Determined cell-specific excretion and uptake rates
q Ermittelte zellspezifischen Ausscheide- und Aufnahmerate, die von einer beliebigen Einheit auf — : ——\ umgerechnet wurde q Determined cell-specific excretion and uptake rate, which was converted from any unit to -: - \
° LZeit Zellzahll ° ° LZeit Zellzahll °
r Ermittelte Reaktionsrate r Determined reaction rate
f Geschätzte Reaktionsrate (z.B. durch das Berechnen einer Reaktionskinetik) f Limitierung einer Kinetik f Estimated reaction rate (for example, by calculating a reaction kinetics) f Limiting a kinetics
Parameter einer Reaktionskinetik Parameters of a reaction kinetics
N Stöchiometrische Matrix N stoichiometric matrix
Np Externe stöchiometrische Matrix N p External stoichiometric matrix
K Matrix, die Makroreaktionen enthält K matrix containing macro reactions
E Matrix, die alle Elementary Modes enthält E matrix containing all elementary modes
xt Gesamtzellzahl x t total cell number
Xv Vitale Zellzahl X v Vital cell number
μ Wachstumsrate μ growth rate
Absterberate Mortality
μ Wachstumsrate, die von einer beliebigen Einheit auf μ growth rate from any unit up
\Sto f fmenqe~\ . , . \ Sto f femenqe ~ \. ,.
umgerechnet wurde was converted
LZ eit-Z eilzahl 1 a Number of prefixes 1 a
Kd Lysis-rate Kd lysis rate
Ki Parameter einer Inhibierungs-Limitierung Ki parameters of inhibition limitation
KM Parameter einer Substratlimitierung KM parameters of a substrate limitation
n Hill-Parameter einer Inhibierungs- oder Substratlimitierung n Hill parameters of inhibition or substrate limitation
L Subset der Makroreaktionen, das für das Modell verwendet wird L Subset of macro reactions used for the model
V Modellparameter V model parameter
S Substrat
SSRq Summe der quadrierten Residuen der spezifischen Aufnahme- oder Abgaberaten S substrate SSR q Sum of squared residuals of specific uptake or release rates
SSRC Summe der quadrierten Residuen der Konzentration SSR C Sum of squared residuals of concentration
SSRr Summe der quadrierten Residuen der Reaktionsraten SSR r Sum of squared residuals of reaction rates
Beschreibung der Abbildungen: Description of the pictures:
Abbildung 1 zeigt das Shiften von Messdaten: Dargestellt ist der tatsächliche Verlauf einer gemessenen Größe (Ct (t)), der sich bei Änderungen der Verdünnungsrate (D(t)) sprunghaft ändert. Der geshiftete Verlauf ( i s(t)) kommt nur durch von der Zelle verursachte Änderungen zu Stande. Figure 1 shows the shift of measured data: The actual course of a measured quantity (C t (t)) is shown, which changes abruptly when the dilution rate changes (D (t)). The shifted history ( is (t)) comes about only by changes caused by the cell.
Abbildung 2 zeigt die Flux Map zweier spezifischer Raten qx und q2. Die Höhenlinien geben die Häufigkeit an, mit der die jeweilige Kombination der Raten in den gemessenen Daten vorkommt. Figure 2 shows the flux map of two specific rates q x and q 2 . The contour lines indicate the frequency with which the respective combination of rates occurs in the measured data.
Abbildung 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Lösungsraumes, der durch eine positive Linearkombination von EMs aufgespannt wird. In schwarz ist der Lösungsraum des gesamten Sets, in grau der eines Subsets dargestellt. Figure 3 shows a three-dimensional representation of the solution space, which is spanned by a positive linear combination of EMs. In black, the solution space of the entire set is shown, in gray, that of a subset.
Abbildung 4 zeigt die Flux Map zweier spezifischer Raten qi und q2. Als Vektoren sind die 2- dimensionalen Projektionen der Makroreaktionen eines Sets I dargestellt. Figure 4 shows the flux map of two specific rates q i and q 2 . As vectors, the 2-dimensional projections of the macro reactions of a set I are shown.
Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung des Metabolischen Netzwerkes aus Niu et al. Hierbei ist die Begrenzung der Zelle als Kasten gezeigt. Die zellinterne Abgrenzung des Mitochondriums ist mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet. Externe Komponenten sind mit dem Index „xt" gekennzeichnet. Die Pfeile und gepunkteten Pfeile kennzeichnen Reaktionen. Figure 5 shows a schematic representation of the metabolic network of Niu et al. Here, the limitation of the cell is shown as a box. The cell-internal demarcation of the mitochondrion is indicated by a dashed line. External components are marked with the index "xt" The arrows and dotted arrows indicate reactions.
Abbildung 6 zeigt die Messdaten einer Fermentation mit Hybridoma-Zellen aus Baughman et al. Die Gesamtzellzahl (total Cells) ist hierbei aus der Summe der lebenden Zellen (vital Cells) und toten Zellen (dead Cells) berechnet. Die Abkürzungen GLC, GLN, ASP, ASN, LAC, ALA und PRO bezeichnen das Substrat Glucose und die Aminosäuren Glutamin, Asparaginsäure, Asparagin, Alanin und Prolin sowie das Stoffwechselprodukt Laktat. Die Abkürzung MAB bezeichnet das Produkt monoklonaler Antikörper und BM die Biomasse.
Abbildung 7 zeigt die Wachstums- und Absterberaten sowie die zellspezifischen Aufnahme- und Figure 6 shows the measurement data of a fermentation with hybridoma cells from Baughman et al. The total cell count (total cells) is calculated here from the sum of the living cells (vital cells) and dead cells (dead cells). The abbreviations GLC, GLN, ASP, ASN, LAC, ALA and PRO denote the substrate glucose and the amino acids glutamine, aspartic acid, asparagine, alanine and proline as well as the metabolite lactate. The abbreviation MAB designates the product of monoclonal antibodies and BM the biomass. Figure 7 shows the growth and death rates as well as the cell-specific uptake and release rates
[ mM 1 [mM 1
h io9ceiis \ an8e8erjen- Die Rate h oo 9 ceiis \ an 8 e 8 erjen - The rate
1«
n- 1" n -
Abbildung 8 zeigt die mit der„linearen Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" mit dem gewählten Reaktionsset approximierten Konzentrationen. Die Gesamtzellzahl (Xt) sowie die Antikörperkonzentration (MAB) wurden dafür auf C-mol umgerechnet. Figure 8 shows the concentrations approximated by the "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions" with the selected reaction set, and the total number of cells (X t ) and the antibody concentration (MAB) were converted to C-mol.
Abbildung 9 zeigt die kleinste ermittelte Summe der Fehlerquadrate ("Minimum error") aufgetragen über der Zahl der Makroreaktionen im Subset (nR). Figure 9 shows the smallest calculated sum of error squares ("minimum error") plotted against the number of macro reactions in the subset (n R ).
Abbildung 10 zeigt die mit der erfindungsgemäßen Methode "lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" ermittelten Reaktionsraten der Makroreaktionen r(t). FIG. 10 shows the reaction rates of the macro reactions r (t) determined by the method according to the invention "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions".
Abbildung 1 1 zeigt die mit der erfindungsgemäßen Methode "lineare Schätzung von Reaktionsraten ausgewählter Makroreaktionen" ermittelten Reaktionsraten der Makroreaktionen r(t) (durchgehendeFigure 1 1 shows the reaction rates of macro reactions r (t) (continuous) determined by the method according to the invention "linear estimation of reaction rates of selected macro reactions"
Linie) zusammen mit den algebraisch berechneten Reaktionsraten r (gestrichelte Linie)
Line) together with the algebraically calculated reaction rates r (dashed line)
Abbildung 12 zeigt einen Vergleich der gemessenen Konzentrationen Cm(i) (Punkte) und dem simuliertem Prozessverlauf (i) (durchgehende Linie). Die Konzentrationen sind in [mM] angegeben. Ausnahmen sind die vitale und gesamte Zellzahl (Xv/Xt in [lO9 cells
und die Konzentration des Antikörpers (mAb in [10-4 mM]).
Figure 12 shows a comparison of the measured concentrations C m (i) (points) and the simulated process flow (i) (solid line). The concentrations are given in [mM]. Exceptions are the vital and total number of cells (X v / X t in [10 9 cells and the concentration of antibody (mAb in [10 -4 mM]).