The implementation of a design of experiments strategy to increase recombinant protein yields in yeast (review)

Biological processes are subject to the influence of numerous factors and their interactions, which may be non-linear in nature. In a recombinant protein production experiment, understanding the relative importance of these factors, and their influence on the yield and quality of the recombinant protein being produced, is an essential part of its optimisation. In many cases, implementing a design of experiments (DoE) approach has delivered this understanding. This chapter aims to provide the reader with useful pointers in applying a DoE strategy to improve the yields of recombinant yeast cultures.

Design of experiments to study the impact of process parameters on droplet size and development of non-invasive imaging techniques in tablet coating

Atomisation of an aqueous solution for tablet film coating is a complex process with multiple factors determining droplet formation and properties. The importance of droplet size for an efficient process and a high quality final product has been noted in the literature, with smaller droplets reported to produce smoother, more homogenous coatings whilst simultaneously avoiding the risk of damage through over-wetting of the tablet core. In this work the effect of droplet size on tablet film coat characteristics was investigated using X-ray microcomputed tomography (XμCT) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). A quality by design approach utilising design of experiments (DOE) was used to optimise the conditions necessary for production of droplets at a small (20 μm) and large (70 μm) droplet size. Droplet size distribution was measured using real-time laser diffraction and the volume median diameter taken as a response. DOE yielded information on the relationship three critical process parameters: pump rate, atomisation pressure and coating-polymer concentration, had upon droplet size. The model generated was robust, scoring highly for model fit (R2 = 0.977), predictability (Q2 = 0.837), validity and reproducibility. Modelling confirmed that all parameters had either a linear or quadratic effect on droplet size and revealed an interaction between pump rate and atomisation pressure. Fluidised bed coating of tablet cores was performed with either small or large droplets followed by CLSM and XμCT imaging. Addition of commonly used contrast materials to the coating solution improved visualisation of the coating by XμCT, showing the coat as a discrete section of the overall tablet. Imaging provided qualitative and quantitative evidence revealing that smaller droplets formed thinner, more uniform and less porous film coats.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Design of experiments to optimized the determination of TDIs in agglomerated cork stoppers

Isocyanates are included into a class with an extreme commercial importance because their use in the manufacture of polyurethanes. Polyurethanes are used in several applications such as adhesives, coatings, foams, thermoplastics resins, printing inks, foundry moulds and rubbers. Agglomerated cork stoppers are currently used for still wines, semi-sparkle and gaseous wines, beer and cider. Methylene diphenyl diisocyanate (MDI) is presently the isocyanate used in the production of polyurethane based adhesive in use due to its lowest toxicity comparing with toluene diisocyanate (TDI) previously employed. However, free monomeric TDI or MDI, depending on the based polyurethane, can migrate from agglomerated cork stoppers to beverages therefore it needs to be under control. The presence of these compounds are usually investigated by HPLC with Fluorescence or UV-Vis detector depending on the derivatising agent. Ultra Performance Liquid Chromatography with Diode Array Detector (UPLC-DAD) method is replacing HPLC. The objective of this study is to determine which method is better to analyze isocyanates from agglomerated cork stoppers, essentially TDI to quantify its monomer. A Design of Experiments (DOE) with three factors, column temperature, flow and solvent, at two levels was done. Eight experiments with three replications and two repetitions were developed. Through an ANOVA the significance of the factors was evaluated and the best level’s factors were selected. As the TDI has two isomers and in this method these two isomers were not always separated an ANOVA with results of resolution between peaks was performed. The Design of Experiments reveals to be a suitable statistical tool to determine the best conditions to quantified free isocyanates from agglomerated cork stoppers to real foodstuff. The best level’s factors to maximize area was column temperature at 30ºC, flow to 0,3 mL/min and solvent 0,1% Ammonium Acetate, to maximize resolution was the same except the solvent that was 0,01% Ammonium Acetate.

Optimization of the Ion Source-Mass Spectrometry Parameters in Non-Steroidal Anti-Inflammatory and Analgesic Pharmaceuticals Analysis by a Design of Experiments Approach

The flow rates of drying and nebulizing gas, heat block and desolvation line temperatures and interface voltage are potential electrospray ionization parameters as they may enhance sensitivity of the mass spectrometer. The conditions that give higher sensitivity of 13 pharmaceuticals were explored. First, Plackett-Burman design was implemented to screen significant factors, and it was concluded that interface voltage and nebulizing gas flow were the only factors that influence the intensity signal for all pharmaceuticals. This fractionated factorial design was projected to set a full 2(2) factorial design with center points. The lack-of-fit test proved to be significant. Then, a central composite face-centered design was conducted. Finally, a stepwise multiple linear regression and subsequently an optimization problem solving were carried out. Two main drug clusters were found concerning the signal intensities of all runs of the augmented factorial design. p-Aminophenol, salicylic acid, and nimesulide constitute one cluster as a result of showing much higher sensitivity than the remaining drugs. The other cluster is more homogeneous with some sub-clusters comprising one pharmaceutical and its respective metabolite. It was observed that instrumental signal increased when both significant factors increased with maximum signal occurring when both codified factors are set at level +1. It was also found that, for most of the pharmaceuticals, interface voltage influences the intensity of the instrument more than the nebulizing gas flowrate. The only exceptions refer to nimesulide where the relative importance of the factors is reversed and still salicylic acid where both factors equally influence the instrumental signal. Graphical Abstract ᅟ.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Design of clinical pharmacology trials

1. There are a variety of methods that could be used to increase the efficiency of the design of experiments. However, it is only recently that such methods have been considered in the design of clinical pharmacology trials. 2. Two such methods, termed data-dependent (e.g. simulation) and data-independent (e.g. analytical evaluation of the information in a particular design), are becoming increasingly used as efficient methods for designing clinical trials. These two design methods have tended to be viewed as competitive, although a complementary role in design is proposed here. 3. The impetus for the use of these two methods has been the need for a more fully integrated approach to the drug development process that specifically allows for sequential development (i.e. where the results of early phase studies influence later-phase studies). 4. The present article briefly presents the background and theory that underpins both the data-dependent and -independent methods with the use of illustrative examples from the literature. In addition, the potential advantages and disadvantages of each method are discussed.

A DOE based approach for the design of RBF artificial neural networks applied to prediction of surface roughness in AISI 52100 hardened Steel turning

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Design of experiment in drug development: optimal allocations in multi-arm clinical trials and design space for multi-step processes

In this thesis, we deal with the design of experiments in the drug development process, focusing on the design of clinical trials for treatment comparisons (Part I) and the design of preclinical laboratory experiments for proteins development and manufacturing (Part II). In Part I we propose a multi-purpose design methodology for sequential clinical trials. We derived optimal allocations of patients to treatments for testing the efficacy of several experimental groups by also taking into account ethical considerations. We first consider exponential responses for survival trials and we then present a unified framework for heteroscedastic experimental groups that encompasses the general ANOVA set-up. The very good performance of the suggested optimal allocations, in terms of both inferential and ethical characteristics, are illustrated analytically and through several numerical examples, also performing comparisons with other designs proposed in the literature. Part II concerns the planning of experiments for processes composed of multiple steps in the context of preclinical drug development and manufacturing. Following the Quality by Design paradigm, the objective of the multi-step design strategy is the definition of the manufacturing design space of the whole process and, as we consider the interactions among the subsequent steps, our proposal ensures the quality and the safety of the final product, by enabling more flexibility and process robustness in the manufacturing.

On the design of peer punishment experiments

We discuss how technologies of peer punishment might bias the results that are observed in experiments. A crucial parameter is the “fine-to-fee” ratio, which describes by how much the punished subjects income is reduced relatively to the fee the punishing subject has to pay to inflict punishment. We show that a punishment technology commonly used in experiments embeds a variable fine-to-fee ratio and show that it confounds the empirical findings about why, whom, and how much subjects punish.

On the use of Cramér-Rao minimum variance bounds for the design of magnetic resonance spectroscopy experiments

Localized Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is in widespread use for clinical brain research. Standard acquisition sequences to obtain one-dimensional spectra suffer from substantial overlap of spectral contributions from many metabolites. Therefore, specially tuned editing sequences or two-dimensional acquisition schemes are applied to extend the information content. Tuning specific acquisition parameters allows to make the sequences more efficient or more specific for certain target metabolites. Cramér-Rao bounds have been used in other fields for optimization of experiments and are now shown to be very useful as design criteria for localized MRS sequence optimization. The principle is illustrated for one- and two-dimensional MRS, in particular the 2D separation experiment, where the usual restriction to equidistant echo time spacings and equal acquisition times per echo time can be abolished. Particular emphasis is placed on optimizing experiments for quantification of GABA and glutamate. The basic principles are verified by Monte Carlo simulations and in vivo for repeated acquisitions of generalized two-dimensional separation brain spectra obtained from healthy subjects and expanded by bootstrapping for better definition of the quantification uncertainties.

Some results on the design of field experiments for comparing unreplicated treatments

In early generation variety trials, large numbers of new breeders' lines need to be compared, and usually there is little seed available for each new line. A so-called unreplicated trial has each new line on just one plot at a site, but includes several (often around five) replicated check or control (or standard) varieties. The total proportion of check plots is usually between 10% and 20%. The aim of the trial is to choose some good performing lines (usually around 1/3 of those tested) to go on for further testing, rather than precise estimation of their mean yield. Now that spatial analyses of data from field experiments are becoming more common, there is interest in an efficient layout of an experiment given a proposed spatial analysis. Some possible design criteria are discussed, and efficient layouts under spatial dependence are considered.

Design of improved membrane protein production experiments:quantitation of the host response

Eukaryotic membrane proteins cannot be produced in a reliable manner for structural analysis. Consequently, researchers still rely on trial-and-error approaches, which most often yield insufficient amounts. This means that membrane protein production is recognized by biologists as the primary bottleneck in contemporary structural genomics programs. Here, we describe a study to examine the reasons for successes and failures in recombinant membrane protein production in yeast, at the level of the host cell, by systematically quantifying cultures in high-performance bioreactors under tightlydefined growth regimes. Our data show that the most rapid growth conditions of those chosen are not the optimal production conditions. Furthermore, the growth phase at which the cells are harvested is critical: We show that it is crucial to grow cells under tightly-controlled conditions and to harvest them prior to glucose exhaustion, just before the diauxic shift. The differences in membrane protein yields that we observe under different culture conditions are not reflected in corresponding changes in mRNA levels of FPS1, but rather can be related to the differential expression of genes involved in membrane protein secretion and yeast cellular physiology. Copyright © 2005 The Protein Society.