Strategies to improve and balance the expression levels of recombinant proteins in mammalian cell lines

Proteins are the building blocks of all living organisms enabling us to function and survive. There are more than 100,000 different proteins in the human body performing a variety of vital tasks. Examples of essential proteins are antibodies defending our body against foreign invaders and hemoglobulin responsible for importing oxygen to our cells and exporting carbon dioxide out from our cells. Consequently, mutations leading to dysfunctional proteins is the cause of many known diseases. Fortunately, the advancement of modern medicine has enabled proteins also to be employed as therapeutics to treat and cure various conditions. For instance, human insulin is recombinantly produced in the bacterium E. coli and is used as a biopharmaceutical to treat patients with Diabetes. The increased knowledge about diseases, their cause, and what cellular pathway to target has led to the discovery of many novel and complex biologics. Hence, the manufacturing of biopharmaceuticals is a rapidly emerging field that enables the production of complex molecules that are target-specific, effective, and highly active in the human body. Mammalian cell lines are often the preferred cell factories for manufacturing biologics since they generate proteins with human-like post-translational modifications, which are often essential features to obtain functional, safe, and effective therapeutics. Unfortunately, these life-saving biologics are costly, making them affordable for a fraction of patients worldwide. Therefore, one of the goals of the biotech industry is to make accessible biologics for everyone who needs it regardless of financial background. One way to achieve this goal is to engineer mammalian cell factories to improve the quantity and quality of biopharmaceuticals while reducing the production cost. The results presented in this thesis are the outcome of five different studies aiming to improve and balance the expression levels of recombinant proteins in mammalian cell lines. In the first study, we investigated the productivity differences between mammalian cell lines from different origins. In the second and third projects, by utilizing transcriptomic analysis, helper genes were identified for improving the quantity and quality of two difficult-to-express biologics. The fourth study generated an easy-to-use toolbox for balancing the expression levels of recombinant proteins in mammalian cell lines. In the final project, the toolbox from the fourth project was employed to develop an in vitro cell-based cancer assay which is a crucial tool in cancer research and drug discovery. In summary, this thesis provides strategies to improve the production process of biologics in mammalian cell lines and thereby contributes to the goal of offering safe, effective, and affordable medicine to patients in every part of this world.Proteiner är livets byggstenar och därav nödvändiga för vår överlevnad. Det finns mer än 100,000 olika proteiner i människokroppen som utför åtskilliga och livsviktiga funktioner. Två exempel på viktiga och allmänkända proteiner är antikroppar, kroppens soldater som förvarar oss mot främmande mikroorganismer och hemoglobin som transporterar syre till kroppens olika organ och för bort den giftiga koldioxiden från cellerna. Följaktligen är mutationer som leder till dysfunktionella proteiner den främsta orsaken till majoriteten av kända sjukdomar. Lyckligtvis har den stora framgången inom forskning och medicin möjliggjort användandet av proteiner som läkemedel för behandling av olika sjukdomar. Till exempel är insulin som ett protein och används som läkemedel för diabetiker och som produceras rekombinant i bakterien E. coli. Den ökade kunskapen om sjukdomar, hur de uppkommit och vilka cellulära mekanismer som är viktiga för deras utveckling, har lett till upptäckten av flera nya och komplexa biologiska läkemedel. Detta har lett till att tillverkningen av bioläkemedel har blivit ett snabbt växande område som möjliggör produktion av komplexa molekyler som är målspecifika, effektiva och mycket aktiva i människokroppen. Däggdjurscellinjer är ofta det mest förekommande typen av cellfabriker för tillverkning av biologiska läkemedel då de är kapabla att generera proteiner med modifieringar som liknar det humana och som ofta är väsentliga för att erhålla funktionella, säkra och effektiva läkemedel. Tyvärr är dessa livräddande biologiska läkemedel mycket dyra, vilket gör dem tillgängliga för endast en bråkdel av patienter över hela världen. Därför är ett av målen för bioteknikindustrin att göra biologiska läkemedel tillgängliga för alla som behöver det oavsett ekonomisk bakgrund. Ett sätt att uppnå detta mål är att framställa effektivare däggdjurscellfabriker för att förbättra mängden och kvalitén på bioläkemedel och samtidigt reducera produktionskostnaden. Resultaten som presenteras i denna avhandling är skörden av fem distinkta studier, som syftar till att förbättra och balansera uttrycksnivåerna av rekombinanta proteiner i däggdjurscellinjer. I den första studien undersökte vi skillnaderna i produktivitet mellan två däggdjurscellinjer från olika ursprung. I det andra och tredje projektet, genom att använda transkriptom-analys, identifierades hjälpargener för att förbättra kvantiteten och kvaliteten på två svåruttryckbara biologiska läkemedel. Den fjärde studien genererade en lättanvänd verktygslåda för att balansera uttrycksnivåerna av rekombinanta proteiner i däggdjurscellinjer. I det sista projektet användes verktygslådan från den fjärde studien för att utveckla en i vitro cellbaserad canceranalys-plattform som är ett verktyg för cancerforskning och upptäckter av nya läkemedel. Sammanfattningsvis, presenterar denna avhandling verktyg för att kunna förbättra produktionsprocessen av biologiska läkemedel i däggdjurscellinjer och därmed bidrar till målet att erbjuda säkert, effektivt och överkomligt läkemedel till alla patienter i världen.QC 2021-11-19