Puhdastilojen suunnitteluprosessi ja teknisten järjestelmien validointi

Puhdastilojen suunnittelussa pyritään saamaan hallittu ja valvottu ilmanpuhtaus luokiteltuun tilaan.Luokittelu tapahtuu puhdastilastandardeilla, lisäksi lääkevalmisteita valmistettavassa tilassa GMP -säädösten mukaisin luokituksin. Puhdastilastandardi ISO 14644 käsittää seitsemän osaa, jossa on käsitelty puhdastilaa koskevia määräyksiä suunnittelusta käyttöön ja testaukseen. GMP-säädökset sisältävät yhdeksän kappaletta, joista kappale 3: 'Tilat ja laitteet' on keskeinen osa lääkeainevalmistuksen puhdastilasuunnittelua. Puhtaan ilman aikaansaamiseksi puhdastilaan merkittävimmät roolit ovat ilmanvaihdolla, puhdastilarakenteilla ja rakennusautomaatiolla. Ilma voidaan tuoda tilaan kolmella eri periaatteella. Ilmaa tuodaan tilaan yhdensuuntaisesti, turbulenttisesti tai sekavirtauksena HEPA -suodattimien kautta, joilla varmistetaan epäpuhtauksien korkea suodatusaste. Ilmapoistetaan rei'itettyjen, korotettujen lattioiden kautta tai tilan alaosassa olevien poistoilmasäleikköjen kautta, josta se johdetaan noin 75-90%:sti kierrätettynä takaisin tilaan. Lääketeollisuudessa rei'itettyjä, korotettuja lattioita eivoida käyttää kontaminaatiovaaran, vuoksi. Tilaan suunniteltuja olosuhteita ylläpidetään rakennusautomaation avulla ja monitorointijärjestelmällä valvotaan tilassa olevan ilman laatua. Kaikki GMP-luokituksen mukaiset puhdastilat tulee validoida. Validointiin kuuluu teknisten järjestelmien kvalifiointi ja koko prosessin validointi. Teknisten järjestel-mien kvalifiointi käsittää suunnitelmien tarkastuksen (DQ), asennus - ja käyttöönotto tarkastukset (IQ), toiminnan testauksen (OQ) ja suorituksen testauksen (PQ). Kvali-fiointi kuuluu yhtenä osa-alueena validointiin. Prosessin validointi on osa yrityksen laadunvarmistusta. Validoinnilla hankitaan dokumentoidut todisteet siitä, että tila tai prosessi todella täyttää annetut vaatimukset. Tässä työssä laadittiin esimerkinomainen kvalifiointisuunnitelma puhdastilan tekni-sille järjestelmille. Suunnitelma sisältää asennus- ja käyttöönoton mukaiset tarkastukset (IQ)ja toiminnan aikaiset testaukset (OQ).

Paperin puhtauden parantaminen lajittelun ja muiden prosessiteknisten keinojen avulla

Tämä työ suoritettiin UPM- Kymmene Oyj:n Tervasaaren tehtaan PK 5:llä. PK 5 valmistaa tarrantaustapaperia. Tämän työn tarkoituksena oli löytää eri keinoja paperin puhtauden parantamiseksi. Puhtaamman paperin valmistaminen parantaa paperikoneen kilpailukykyä kilpailijoihinsa nähden sekä vähentää asiakasvalituskustannuksia. Työn kirjallinen osa koostuu kolmesta suuremmasta kokonaisuudesta, joiden tarkoituksena on luoda teoriapohjaa kokeellisen osan suoritusta varten. Kirjallisuusosan pääpaino on kohdistettu PK 5:llä esiintyviin saostumanaiheuttajiin, kuten uuteaineisiin, ASA- liimaan ja mikrobeihin. Tarkemmassa tarkastelussa on kirjallisuusosassa myös painelajittelu ja pyörrepuhdistus. Kokeellisessa osassa suoritettiin PK 5:n prosessissa syntyvien epäpuhtauksien karakterisointi. Suurimmat saostuman aiheuttajat analyysien perusteella olivat puuperäiset uuteaineet ja ASA- liima. Epäorgaanisista aineista päällystyskomponenttina toimiva kaoliini ja sellun mukana tuleva pihkatalkki esiintyi useimpien saostumien komponentteina. Selvityksessä havaittiin, että prosessille vieraita aineita ei löydetty muista, kuin kalanteroidusta paperista analysoiduista tummista täplistä. Tummista täplistä analysoitu styreenin alkuperä voi selittyä mm. prosessiin päässeellä kumilla tai muovilla. PK 5:n prosessissa selvityksen mukaan silikonipohjainen vaahdonestoaine aiheuttaa erittäin suuria tummia saostumia, joten sen pääsy prosessiin tulee estää sellutehtaalla tarkoin. Epäpuhtauksien määrä on suurin PK 5:n prosessissa hylkylinjassa ja lyhyessä kierrossa. Hylyn painelajittelu poistaa hyvin roskia syöttömassasta. Hylyn lajittelun toisen portaan lajittimen rejektin roskapitoisuus on suhteellisen suuri. Rejektin ohjaaminen ulos prosessista vähentää roskaisuuden rikastumista prosessiin. Sakeamassalajittelun sijoittaminen PK 5:n konekyypin jälkeen vähentää roskien päätymistä paperiin. Hylyn painelajittelun ja PP- laitoksen rejektin ohjaaminen sakeamassalajittelun toiseen portaaseen vähentäisi priimakuitutappiota ja roskien määrää käytetyissä massoissa. Seisokin aikaisen putkilinjojen pesujen lopputulos parani huomattavasti BA- pesuaineen käyttöönoton jälkeen. Kyseisen pesuaine soveltuu liuottamaan putkistosta mm. PK 5:llä esiintyvät uuteaine- ja ASA- saostumat. BSA- sellun pH- säädön lopettamisella oli suuri vähentävä vaikutus tummien täplien esiintymistiheyteen. pH- säädössä BSA- tornin pohjalaimennukseen annosteltu lipeä edesauttoi tummien saostumien syntymistä saippuoiden uuteaineita.

Nuclear Matrix in Apoptotic Cell Death and Cell Proliferation. The role of Nuclear Mitotic Apparatus (NuMA) Protein

The nucleus is a membrane enclosed organelle containing most of the genetic information of the cell in the form of chromatin. The nucleus, which can be divided into many sub-organelles such as the nucleoli, the Cajal bodies and the nuclear lamina, is the site for several essential cellular functions such as the DNA replication and its regulation and most of the RNA synthesis and processing. The nucleus is often affected in disease: the size and the shape of the nucleus, the chromatin distribution and the size of the nucleoli have remained the basis for the grading of several cancers. The maintenance of the vertebrate body shape depends on the skeleton. Similarly, in a smaller context, the shape of the cell and the nucleus are mainly regulated by the cytoskeletal and nucleoskeletal elements. The nuclear matrix, which by definition is a detergent, DNase and salt resistant proteinaceous nuclear structure, has been suggested to form the nucleoskeleton responsible for the nuclear integrity. Nuclear mitotic apparatus protein, NuMA, a component of the nuclear matrix, is better known for its mitotic spindle organizing function. NuMA is one of the nuclear matrix proteins suggested to participate in the maintenance of the nuclear integrity during interphase but its interphase function has not been solved to date. This thesis study concentrated on the role of NuMA and the nuclear matrix as structural and functional components of the interphase nucleus. The first two studies clarified the essential role of caspase-3 in the disintegration of the nuclear structures during apoptosis. The second study also showed NuMA and chromatin to co-elute from cells in significant amounts and the apoptotic cleavage of NuMA was clarified to have an important role in the dissociation of NuMA from the chromatin. The third study concentrated on the interphase function of NuMA showing NuMA depletion to result in cell cycle arrest and the cytoplasmic relocalization of NuMA interaction partner GAS41. We suggest that the relocalization of the transcription factor GAS41 may mediate the cell cycle arrest. Thus, this study has given new aspects in the interactions of NuMA, chromatin and the nuclear matrix.

Novel CO2 Regulated Proteins in Synechocystis PCC 6803

The large biodiversity of cyanobacteria together with the increasing genomics and proteomics metadata provide novel information for finding new commercially valuable metabolites. With the advent of global warming, there is growing interest in the processes that results in efficient CO2 capture through the use of photosynthetic microorganisms such as cyanobacteria. This requires a detailed knowledge of how cyanobacteria respond to the ambient CO2. My study was aimed at understanding the changes in the protein profile of the model organism, Synechocystis PCC 6803 towards the varying CO₂ level. In order to achieve this goal I have employed modern proteomics tools such as iTRAQ and DIGE, recombinant DNA techniques to construct different mutants in cyanobacteria and biophysical methods to study the photosynthetic properties. The proteomics study revealed several novel proteins, apart from the well characterized proteins involved in carbon concentrating mechanisms (CCMs), that were upregulated upon shift of the cells from high CO₂ concentration (3%) to that in air level (0.039%). The unknown proteins, Slr0006 and flavodiiron proteins (FDPs) Sll0217-Flv4 and Sll0219-Flv2, were selected for further characterization. Although slr0006 was substantially upregulated under C_i limiting conditions, inactivation of the gene did not result in any visual phenotype under various environmental conditions indicating that this protein is not essential for cell survival. However, quantitative proteomics showed the induction of novel plasmid and chromosome encoded proteins in deltaslr0006 under air level CO₂ conditions. The expression of the slr0006 gene was found to be strictly dependent on active photosynthetic electron transfer. Slr0006 contains conserved dsRNA binding domain that belongs to the Sua5/YrdC/YciO protein family. Structural modelling of Slr0006 showed an alpha/beta twisted open-sheet structure and a positively charged cavity, indicating a possible binding site for RNA. The 3D model and the co-localization of Slr0006 with ribosomal subunits suggest that it might play a role in translation or ribosome biogenesis. On the other hand, deletions in the sll0217-sll218- sll0219 operon resulted in enhanced photodamage of PSII and distorted energy transfer from phycobilisome (PBS) to PSII, suggesting a dynamic photoprotection role of the operon. Constructed homology models also suggest efficient electron transfer in heterodimeric Flv2/Flv4, apparently involved in PSII photoprotection. Both Slr0006 and FDPs exhibited several common features, including negative regulation by NdhR and ambiguous cellular localization when subjected to different concentrations of divalent ions. This strong association with the membranes remained undisturbed even in the presence of detergent or high salt. My finding brings ample information on three novel proteins and their functions towards carbon limitation. Nevertheless, many pathways and related proteins remain unexplored. The comprehensive understanding of the acclimation processes in cyanobacteria towards varying environmental CO₂ levels will help to uncover adaptive mechanisms in other organisms, including higher plants.

Puuperäisten biomassahydrolysaattien likaamien membraanien pesu

Tässä diplomityössä tutkittiin biomassahydrolysaatilla liattujen ultrasuodatusmembraanien pesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään membraanien likaantumista ja pesua, puuperäistä biomassahydrolysaattia sekä biomassahydrolysaatin suodatusta membraaneilla ja membraanien karakterisointia. Kokeellisessa osassa tutkittiin pesuaineiden vaikutusta koivuhydrolysaatilla liattujen membraanien peseytyvyyteen. Käytetyt ultrasuodatusmembraanit olivat Alfa Lavalin UFX5 ja ETNA01PP. Membraanien pesussa käytettiin Ecolabin entsymaattisia P3-ultrasil 53 ja P3-ultrasil 67 pesuaineita yhdessä emäksisen P3-ultrasil 69 pesuaineen kanssa sekä hapanta P3-ultrasil 75 pesuainetta. Lisäksi emäksisiä P3-ultrasil 110, P3-ultrasil 112 ja P3-ultrasil 115 pesuaineita. Emäksisten pesujen tehokkuutta vertailtiin pelkällä natriumhydroksidilla tehtyyn pesuun. Membraanien likaantumista arvioitiin mittaamalla puhtaan veden vuota ennen ja jälkeen likaantumissuodatuksen ja laskemalla niiden vuoarvojen erotus. Samalla tavalla arvioitiin pesuaineiden vaikutusta membraanin peseytyvyyteen. Lisäksi peseytyvyyttä arvioitiin FTIR–analyyseillä, kontaktikulmamittauksilla ja membraanin sisältämän ligniinin värjäyksellä. Tutkimuksissa havaittiin, että koivuhydrolysaatilla liatuille UFX5 membraaneille vesivuon sekä FTIR–spektrin muuttumisen perusteella sopii parhaiten emäksisen ja happaman pesuaineen kaksivaiheinen pesu. Kontaktikulman palautumisen perusteella parhaiten sopi pelkällä emäksisellä P3-Ultrasil 115 tehty pesu. Ligniiniä parhaiten, mikroskooppiin liitetyllä kameralla otettujen kuvien perusteella, poisti entsymaattinen P3-ultrasil 67, mutta tämä samalla modifioi membraanin pintaa. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että emäksinen ja entsymaattinen pesuaine pesevät melko hyvin koivuhydrolysaatilla liattuja membraaneja. Lisäksi havaittiin, että ligniini tunkeutuu suodatuksissa membraanin sisään, joten pelkkä pesuaineen kierrättäminen laitteistossa ei riitä vaan tarvitaan paineellista pesua.

Methods of genetic diversity creation and functional display for directed evolution experiments

Protein engineering aims to improve the properties of enzymes and affinity reagents by genetic changes. Typical engineered properties are affinity, specificity, stability, expression, and solubility. Because proteins are complex biomolecules, the effects of specific genetic changes are seldom predictable. Consequently, a popular strategy in protein engineering is to create a library of genetic variants of the target molecule, and render the population in a selection process to sort the variants by the desired property. This technique, called directed evolution, is a central tool for trimming protein-based products used in a wide range of applications from laundry detergents to anti-cancer drugs. New methods are continuously needed to generate larger gene repertoires and compatible selection platforms to shorten the development timeline for new biochemicals. In the first study of this thesis, primer extension mutagenesis was revisited to establish higher quality gene variant libraries in Escherichia coli cells. In the second study, recombination was explored as a method to expand the number of screenable enzyme variants. A selection platform was developed to improve antigen binding fragment (Fab) display on filamentous phages in the third article and, in the fourth study, novel design concepts were tested by two differentially randomized recombinant antibody libraries. Finally, in the last study, the performance of the same antibody repertoire was compared in phage display selections as a genetic fusion to different phage capsid proteins and in different antibody formats, Fab vs. single chain variable fragment (ScFv), in order to find out the most suitable display platform for the library at hand. As a result of the studies, a novel gene library construction method, termed selective rolling circle amplification (sRCA), was developed. The method increases mutagenesis frequency close to 100% in the final library and the number of transformants over 100-fold compared to traditional primer extension mutagenesis. In the second study, Cre/loxP recombination was found to be an appropriate tool to resolve the DNA concatemer resulting from error-prone RCA (epRCA) mutagenesis into monomeric circular DNA units for higher efficiency transformation into E. coli. Library selections against antigens of various size in the fourth study demonstrated that diversity placed closer to the antigen binding site of antibodies supports generation of antibodies against haptens and peptides, whereas diversity at more peripheral locations is better suited for targeting proteins. The conclusion from a comparison of the display formats was that truncated capsid protein three (p3Δ) of filamentous phage was superior to the full-length p3 and protein nine (p9) in obtaining a high number of uniquely specific clones. Especially for digoxigenin, a difficult hapten target, the antibody repertoire as ScFv-p3Δ provided the clones with the highest affinity for binding. This thesis on the construction, design, and selection of gene variant libraries contributes to the practical know-how in directed evolution and contains useful information for scientists in the field to support their undertakings.

Sellutehtaan alkalisten valkaisusuodosten käsittely polymeerisilla membraaneilla

Työn tarkoituksena oli tutkia sellutehtaan alkalisen valkaisusuodoksen kierrätystä membraanitekniikkaa käyttäen. Alkalinen valkaisusuodos syntyy sellun valkaisun alkaliuuttovaiheessa ja se on ympäristölle haitallisin sellutehtaan jätevirroista. Suodoksen pH on korkea ja sen lämpötila voi olla suuri, jolloin sopivan membraanin löytäminen on haastavaa. Työssä vertailtiin 4 eri nanosuodatusmembraanin toimivuutta suodatuksessa. NF245, Desal-5 DK, NF270 ja NTR729HG membraaneja käytettiin tutkimuksessa. Suodatukset tehtiin 60 °C lämpötilassa useissa paineissa. Membraanit esikäsiteltiin paineistamalla sekä alkalisella pesulla. Suodatusnäytteistä saadut retentiot ligniinille, TOC:ille sekä johtokyvylle olivat lupaavia. Kaikilla kalvoilla ligniinin retentio oli yli 95 %. NTR729HG kalvoa lukuun ottamatta myös TOC retentiot olivat yli 90%. NTR729HG ja NF270 membraanit kärsivät suodoksen pH:sta sekä lämpötilasta, jolloin niiden retentiot johtokyvylle jäivät alhaisemmiksi, kuin muilla. NTR729HG membraanissa oli merkkejä foulaantumisesta, sekä kalvon hajoamisesta. Muissa membraaneissa oli suodatuksen aikana tapahtunut modifikaatiota.