通过CHO基因组尺度模型推动数字生物制造

关键发现：

1、 释放潜力：用CHO细胞的gem改进生物制造

细胞培养研究领域的一个关键里程碑是CHO细胞基因组的测序，它提供了与培养表型相关的无数遗传元件的宝贵资源，包括转染效率、遗传稳定性、生长速率等。这些数据也使GEMs的重建能够在数学上将基因型与表型联系起来。

2、 绘制图谱：解码哺乳动物细胞代谢与CHO基因组为基础的模型

图1 建立和改进中国仓鼠卵巢细胞基因组尺度代谢模型（GEMs）用于破译代谢复杂性 

最初的CHO- GEM命名为iCHO1766，是科学界协同合作的产物，基于2011年公布的CHO细胞基因组序列构建而成。该模型使其适用性、质量和可靠性得到持续改进成为可能。此外，研究人员进一步结合高通量组学数据（如转录组学、蛋白质组学、代谢组学），在FBA框架内使用不同的计算机方法来模拟不同的培养条件。因此，这种全面的方法可以更深入地了解CHO细胞代谢的机制，为系统优化细胞培养和确定潜在的工程靶点提供技术支撑。iCHO1766重建为衍生细胞系特异性模型提供了遗传和代谢元件。胞内通量预测的可靠性通过FBA变体来增强。通量采样可以捕获更广泛的通量分布，包括次优状态，而不考虑任何细胞目标；而简化的FBA（pFBA）基于细胞在资源利用过程中总代谢活动最小化的假设，预测多种其他通量分布中最合理的通量分布。在碳约束FBA (ccFBA)和氮/碳约束FBA (nccFBA)中，将培养基中碳/氮总量添加到元素平衡约束中，以消除不现实的内循环或无效循环，从而将模型预测的通量边界约束在更现实的范围内。因此，可以更好地估计细胞生长和重组治疗性蛋白（RTPs）产生所需的各种碳和氮源（葡萄糖、乳酸、氨基酸）的利用率，并可能确定提高抗体产量的理想培养基条件。值得注意的是，酶容量约束FBA（ecFBA）通过整合动力学参数（动力学组）应用于iCHO2291，以提高其预测保真度，从而更真实地描绘CHO细胞培养中的资源分配和调控过程。该方法通过使用13C同位素标记的测量成功地证明了iCHO2291通量预测的可靠性，这使得基于通量的乳酸溢出代谢的理解成为可能，这是传统方法很少捕获的。

3、 搜索和导航：在生物工艺开发中利用CHO-GEMs

图2 中国仓鼠卵巢细胞基因组尺度代谢模型（GEMs）的关键应用 

随着人们对利用CHO-GEMs进行生物工艺开发的兴趣日益浓厚，它们的实际应用主要集中在上游工艺。图2展示了CHO-GEMs如何指导细胞系和培养过程的优化。基于CHO-GEMs的FBA在多个研究中成功地用于工艺开发。在不同的环境条件下，揭示了细胞培养过程中代谢变化的表型反应机制，特别是培养基营养成分、工艺参数（如溶解氧（DO）、温度、pH、通气）和操作方式。对于模型驱动的培养基开发，可以对CHO细胞的表型特异性和代谢瓶颈进行表征，从而更系统地制定策略以提高其培养性能。

4、驱动：推动CHO-GEMs走向数字生物处理

图3 多层和多尺度的中国仓鼠卵巢细胞基因组尺度代谢模型（GEMs）以捕获影响培养性能的条件特异性细胞调节

目前各种CHO-GEMs和算法创新已经促进了细胞系和生物过程改进的实际实施，但因目前的模型并不能完全捕捉影响培养性能的特定条件的细胞调节，其工业应用仍处于初级阶段。未来结合下一代测序与非侵入性光学传感器等先进分析技术的支持，有望产生丰富的高通量组学和实时培养数据。

结论

CHO-GEMs和相关分析方法的进展已经在一些实际应用中显示出效用，包括理的细胞系和工艺开发。在持续关注扩大模型覆盖范围和创建具有多层的综合模型结构之后，这些模型的进一步功能将出现，包括代谢以外的其他细胞过程（例如，酶和转录调节）。随着该领域的不断发展和发展，通过国际生物制造网络（IBioNe）和欧洲动物细胞技术协会（ESACT）等的持续合作，预计GEMs的预测能力将得到增强，从而满足了行业内对CHO-GEMs和FBA应用日益增长的需求。

原文：

Park, S. Y., Choi, D. H., Song, J., Lakshmanan, M., Richelle, A., Yoon, S., Kontoravdi, C., Lewis, N. E., & Lee, D. Y. (2024). Driving towards digital biomanufacturing by CHO genome-scale models. Trends in biotechnology, 42(9), 1192–1203. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.03.001