Publication:
Recombinant collagen-like protein batch production in stirred tank bioreactors

cris.virtual.department#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtual.orcid#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtualsource.departmentcee1d544-72c8-4ddc-a13a-624688c7ed55
cris.virtualsource.orcidcee1d544-72c8-4ddc-a13a-624688c7ed55
dc.contributor.authorGameil, Abeir Hussein Mohamed
dc.contributor.supervisorFaridah Yusof
dc.contributor.supervisorAzlin Suhaida Azmi
dc.contributor.supervisorNoor Illi Mohamad Puad
dc.date.accessioned2025-10-09T03:18:53Z
dc.date.available2025-10-09T03:18:53Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractThe collagen family of proteins represents an abundant biopolymer that serves indispensable functions in maintaining the human body. Concerns over the halal/kosher status, sustainability, quality, and immunogenicity of animal-derived collagens have driven efforts to explore alternatives. Among these, recombinant bacterial collagen-like proteins emerged as prospective sustainable sources for various industries. This study investigates the scalability of a recombinant Rhodopseudomonas palustris collagen-like protein (RPCLP) production in E. coli. Before scale-up, the fermentation medium and process must be optimized to boost the growth and maximize RPCLP concentration. Hence, RPCLP was expressed in E. coli BL21(DE3) using the pColdII vector, and induction was accomplished using IPTG and temperature reduction. The optimal M9-casamino acid medium components were determined using a one-factor-at-a-time (OFAT) optimization. The screening of factors (using Taguchi OA) and, subsequently, optimization of selected factor levels (using FCCCD) to maximize RPCLP concentration were conducted in a 2 L bioreactor. Kinetic modeling was investigated by using the Monod and logistic growth models, and Luedeking-Piret models for the glucose consumption and RPCLP production. Nonlinear regression was used to determine kinetic parameters, and ANOVA analyses were conducted to evaluate the models. The fermentation was then upscaled into a 7.5 L stirred tank reactor (STR) via two scale-up criteria, namely constant oxygen mass transfer coefficient (constant kLa) and constant impeller tip speed. The soluble protein, obtained via ultrasonication, was characterized through trypsin digestion and SDS-PAGE, and purified using metal affinity chromatography. MALDI-TOF was also conducted to determine its molecular weight. The designs of the screening and optimization experiments were made by using Design-Expert software. The factors that significantly govern the growth of recombinant E. coli expressing R. palustris collagen-like proteins in the 2 L bioreactor were identified. The optimum conditions for the growth of the recombinant host cells and the concentration of recombinant collagen-like protein in the 2 L bioreactor were established. Optimum conditions yielded 2 g/L RPCLP, which is moderate compared to typical yields for recombinant collagen-like proteins. In the kinetics study, the Monod and logistic growth models fitted well, with significant R2 values (0.96 and 0.99, respectively). In contrast, the Luedeking-Piret models generated were not in accord with experimental data for glucose consumption and RPCLP production (R2 values ? 0.7). The kinetic parameters were determined, and the findings suggest that the production is partially growth-associated. The constant impeller tip speed criterion was effective as the maximum tip speed of 0.73 m/s prevents shear damage of the cells and the protein product. Contrarily, the constant kLa criterion was inadequate for scale-up, possibly due to heterogeneous environments caused by improper mixing and mass transfer during kLa measurement, leading to inaccurate estimates. Concentrations of approximately 2.1 to 2.5 g/L RPCLP were obtained in both scales using the constant impeller tip criterion. These concentrations were comparable to a previous study that obtained approximately 1 g/L recombinant Scl2 protein from a 2 L batch culture. A protein band that corresponds to the estimated size of the recombinant RPCLP from the literature was detected via SDS-PAGE. This study is the first to demonstrate successful medium optimization, kinetic modeling, and scale-up of recombinant RPCLP production to a 7.5 L bioreactor. The findings establish a protocol for an enhanced bioprocess to cater to the expanding market demands for sustainable, halal, or vegan collagens.
dc.description.abstractarabicتمثل عائلة البروتينات الكولاجينية بوليمرًا حيويًا وفيرًا يؤدي وظائف لا غنى عنها في الحفاظ على جسم الإنسان. أدت المخاوف بشأن حالة الحلال/الكوشير، والاستدامة، والجودة، والمناعة المحتملة للكولاجين المشتق من الحيوانات إلى دفع الجهود لاستكشاف البدائل، والتي ظهرت منها البروتينات البكتيرية المؤتلفة الشبيهة بالكولاجين كمصدر مستدام محتمل لمختلف الصناعات. تبحث هذه الدراسة في قابلية التوسع في إنتاج البروتين المؤتلف الشبيه بالكولاجين من Rhodopseudomonas palustris (RPCLP) في E. coli. قبل التوسع، يجب تحسين الوسط وعملية التخمير لزيادة النمو وتعظيم تركيز بروتين. RPCLP لذلك، تم التعبير عن البروتين الشبيه بالكولاجين من R. palustris في الإشريكية القولونية BL21(DE3) عبر طريقة التعبير البارد باستخدام ناقل pColdII، وتم استخدام IPTG كمحفز مع خفض درجة الحرارة. تم تحسين مكونات الوسط M9-casamino acid باستخدام نهج العامل الواحد في كل مرة (OFAT). بعد ذلك، تم إجراء فحص متغيرات العملية (باستخدام Taguchi OA) وتبعا تحسين مستويات العوامل المحددة لزيادة تركيز RPCLP إلى الحد الأقصى (باستخدام FCCCD) في مفاعل حيوي سعة 2 لتر. وأعقب ذلك دراسة حركية لنمذجة العملية في نموذج مونود والنموذج اللوجستي ، بالإضافة إلى نماذج Luedeking-Piret لاستهلاك الجلوكوز وإنتاج RPCLP. تم تحديد المعلمات الحركية عن طريق الانحدار غير الخطي وأجريت تحليلات ANOVA لتحديد أهمية كل نموذج. تمت بعد ذلك ترقية عملية التخمير إلى مفاعل خزان مقلب سعة 7.5 لتر (STR) بواسطة معيار معامل نقل الأكسجين الثابت (kLa ثابت) ومعيار سرعة طرف المكره الثابت. تم توصيف البروتين القابل للذوبان، الذي تم الحصول عليه عن طريق الموجات فوق الصوتية، من خلال هضم التربسين وSDS-PAGE ، وتنقيته باستخدام كروماتوغرافيا تقارب المعادن. تم إجراء MALDI-TOF أيضًا لتحديد وزنه الجزيئي. تم تنفيذ تصميمات اختبارات الفحص والتحسين بواسطة برنامج Design Expert. تم تحديد العوامل التي تحكم بشكل كبير نمو الإشريكية القولونية المؤتلفة التي تعبر عن البروتينات الشبيهة بالكولاجين R. palustris في المفاعل الحيوي سعة 2 لتر. تم إنشاء الظروف المثالية لنمو الإشريكية القولونية المؤتلفة وتركيز البروتين الشبيه بالكولاجين المؤتلف في المفاعل الحيوي سعة 2 لتر. أسفرت الظروف المثلى عن تركيز RPCLP قدره 2 جم/لتر ، وهو مستوى معتدل مقارنةً بالمردودات المعتادة للبروتينات المؤتلفة الشبيهة بالكولاجين. في دراسة الحركية، كانت بيانات النمو ملائمة لكل من نموذج Monod والنموذج اللوجستي بشكل جيد، مع معاملات تحديد كبيرة (قيم R2 هي 0.96 و0.99 على التوالي)، ولكن نماذج Luedeking-Piret لم تمثل استهلاك الجلوكوز وتكوين المنتج بشكل جيد. (قيم R2 ≤ 0.7). تم تحديد المعلمات الحركية، وتشير النتائج إلى أن الإنتاج يرتبط جزئيا بالنمو. كان معيار سرعة طرف المكره الثابت فعالاً حيث أن أقصى سرعة للطرف البالغة 0.73 متر/ثانية تمنع تلف القص للخلايا وناتج البروتين. وعلى النقيض من ذلك، كان معيار kLa الثابت غير كافٍ للتوسع. وربما يرجع ذلك إلى البيئات غير المتجانسة الناتجة عن الخلط ونقل الكتلة غير السليم أثناء قياس kLa، مما أدى إلى تقديرات غير دقيقة. تم الحصول على تراكيز تتراوح بين 2.1 و 2.5 جم/لتر تقريبًا من RPCLP في كلا المقياسين باستخدام معيار طرف المكره الثابت. كانت هذه التراكيز مماثلة لدراسة سابقة حصلت على حوالي 1 جم/لتر من بروتين Scl2 المؤتلف من مزرعة دفعة سعة 2 لتر. تم الكشف عن شريط بروتين يتوافق مع الحجم المقدر لـ RPCLP المؤتلف من الأدبيات العلمية بواسطة SDS-PAGE. هذه الدراسة هي الأولى التي توضح بنجاح تحسين الوسط والنمذجة الحركية وتوسيع نطاق إنتاج RPCLP المؤتلف إلى مفاعل حيوي سعة 7.5 لتر. تؤسس النتائج لبروتوكول لعملية حيوية معززة لتلبية متطلبات السوق المتزايدة لأنواع الكولاجين المستدامة أو الحلال أو النباتية.
dc.description.callnumberet QR 82 R46 G19R 2025
dc.description.cpsemailcps2u@iium.edu.my
dc.description.degreelevelDoctoral
dc.description.emailabeir.89@gmail.com
dc.description.identifierThesis : Recombinant collagen-like protein batch production in stirred tank bioreactors / by Abeir Hussein Mohamed Gameil
dc.description.identityG18366114Abeirhusseinmohamedgameil
dc.description.kulliyahKulliyyah of Engineering (KOE)
dc.description.nationalitySUDAN
dc.description.notesThesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2025.
dc.description.physicaldescription1 online resource (xxiv, 300 leaves) ; color illustrations.
dc.description.programmeDoctor of Philosophy in Engineering
dc.identifier.urihttps://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/33284
dc.language.isoen
dc.publisherKuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2025
dc.rightsOWNED BY IIUM
dc.subjectRecombinant collagen-like protein;Fermentation scale-up;Bioprocess optimization
dc.subject.lcshRhodopseudomonas
dc.subject.lcshEscherichia coli -- Biotechnology
dc.titleRecombinant collagen-like protein batch production in stirred tank bioreactors
dc.typeDoctoral Theses
dspace.entity.typePublication
oairecerif.author.affiliation#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
G18366114Abeirhusseinmohamedgameil_SEC.pdf
Size:
38.53 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Full text.