Summary

Une analyse comparative des recombinant expression des protéines dans différents bio-usines: bactéries, cellules d'insectes et Plant Systems

Published: March 23, 2015
doi:

Summary

In this study the expression of a target human recombinant protein in different production platforms was compared. We focused on traditional fermenter-based cultures and on plants, describing the set-up of each system and highlighting, on the basis of the reported results, the inherent limits and advantages for each platform.

Abstract

Systèmes à base de plantes sont considérées comme une plate-forme précieuse pour la production de protéines recombinantes en raison de leur potentiel bien documenté pour la production à faible coût flexible de haute qualité, produits bioactifs.

Dans cette étude, nous avons comparé l'expression d'une protéine cible recombinante humaine dans les cultures traditionnelles à base de fermentation de cellules (bactériennes et d'insectes) avec les systèmes d'expression à base de plantes, à la fois transitoires et stables.

Pour chaque plate-forme, nous avons décrit la mise en place, l'optimisation et la longueur du processus de production, la qualité du produit final et les rendements et nous avons évalué les coûts de production provisoires, spécifiques de la protéine recombinante cible sélectionnée.

Dans l'ensemble, nos résultats indiquent que les bactéries ne sont pas appropriés pour la production de la protéine cible en raison de son accumulation dans les corps d'inclusion insolubles. D'autre part, les systèmes à base de plantes sont des plateformes polyvalentes tchapeau permet la production de la protéine choisie à plus faibles que les coûts-baculovirus / système de cellule d'insecte. En particulier, les lignées transgéniques stables affichent le plus haut rendement du produit final et transitoires plantes exprimant le processus de développement plus rapide. Cependant, toutes les protéines recombinantes peuvent bénéficier de systèmes à base de plantes, mais la meilleure plate-forme de production devraient être déterminées empiriquement avec une approche au cas par cas, comme décrit ici.

Introduction

Recombinant proteins are commercially mass-produced in heterologous expression systems with the aid of emerging biotechnology tools. Key factors that have to be considered when choosing the heterologous expression system include: protein quality, functionality, process speed, yield and cost.

In the recombinant protein field, the market for pharmaceuticals is expanding rapidly and, consequently, most biopharmaceuticals produced today are recombinant. Proteins can be expressed in cell cultures of bacteria, yeasts, molds, mammals, plants and insects, as well as in plant systems (either via stable- or transient-transformation) and transgenic animals; each expression system has its inherent advantages and limitations and for each target recombinant protein the optimal production system has to be carefully evaluated.

Plant-based platforms are arising as an important alternative to traditional fermenter-based systems for safe and cost-effective recombinant protein production. Although downstream processing costs are comparable to those of microbial and mammalian cells, the lower up-front investment required for commercial production in plants and the potential economy of scale, provided by cultivation over large areas, are key advantages.

We evaluated plants as bioreactors for the expression of the 65 kDa isoform of human glutamic acid decarboxylase (hGAD65), one of the major autoantigen in Type 1 autoimmune diabetes (T1D). hGAD65 is largely adopted as a marker, both for classifying and monitoring the progression of the disease and its role in T1D prevention is currently under investigation in clinical trials. If these trials are successful, the global demand for recombinant hGAD65 will increase dramatically.

Here, we focus on the expression of the enzymatically inactive counterpart of hGAD65, hGAD65mut, a mutant generated by substituting the lysine residue that binds the cofactor PLP (pyridoxal-5′-phosphate) with an arginine residue (K396R)1.

hGAD65mut retains its immunogenicity and, in plant and insect cells, accumulates up to ten-fold higher than hGAD65, its wild-type counterpart. It was hypothesized that the enzymatic activity of hGAD65 interferes with plant cell metabolism to such an extent that it suppresses its own synthesis, whereas hGAD65mut, the enzymatically-inactive form, can be accumulated in plant cells to higher levels.

For the expression of hGAD65mut, the use of different technologies, widely used in plant biotechnology, was explored here and compared to traditional expression platforms (Escherichia coli and Baculovirus/insect cell-based).

In this work, the recombinant platforms developed for the expression of hGAD65mut comprising traditional and plant-based systems were reviewed and compared on the basis of process speed and yield, and of final product quality and functionality.

Protocol

1. Construction de vecteurs d'expression Commercial recombinaison système de clonage: Amplifier la séquence du gène cible (hGAD65mut) avec des amorces appropriées permettant l'addition d'une pince de CACC à l'extrémité 5 'du gène, comme décrit précédemment 2 de pleine longueur. Clonage du produit d'amplification purifié sur gel, selon les directionnels spécifications de la trousse de clonage, dans le vecteur d'entrée (topoisomérase liée…

Representative Results

Un modèle expérimental pour l'expression hétérologue d'une protéine recombinante cible dans différents systèmes de production est décrite ici. Le premier objectif était la mise en place des différentes plates-formes mettant en place les conditions optimales pour l'expression de la protéine cible dans chaque système. L'expression de la protéine cible, hGAD65mut, a été induite en triple E. coli cultures. A la suite de l'expression 3 h à 37 ° C, les…

Discussion

Dans cette étude, trois modes différents ont été comparés pour l'expression d'une protéine recombinante humaine: des cellules bactériennes, des cellules de baculovirus / insectes et de plantes. La plate-forme à base de plantes a été étudiée plus en exploitant trois technologies d'expression largement utilisés (c.-à-transitoire – MagnICON et pK7WG2 base – et stables). La protéine cible choisie pour cette expérience, hGAD65mut, a déjà été exprimé dans différents systèmes 13…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the COST action ‘Molecular pharming: Plants as a production platform for high-value proteins’ FA0804. The Authors thank Dr Anatoli Giritch and Prof. Yuri Gleba for providing the MagnICON vectors for research purposes.

Materials

Yeast extract Sigma  Y1333 
Tryptone  Formedium  TRP03 
Agar Bacteriological Grade  Applichem  A0949 
Sf-900 II SFM medium Gibco  10902-088
Grace’s Insect Medium, unsupplemented  Gibco  11595-030 
Cellfectin II Reagent Invitrogen 10362-100
MS medium including vitamins Duchefa Biochemie  M0222
Sucrose Duchefa Biochemie  S0809
Plant agar Duchefa Biochemie  P1001
Ampicillin sodium Duchefa Biochemie  A0104 Toxic
Gentamycin sulphate Duchefa Biochemie  G0124 Toxic
Ganciclovir Invitrogen I2562-023
Carbenicillin disodium Duchefa Biochemie  C0109 Toxic 
Kanamycin sulfate Sigma K4000 Toxic 
Rifampicin Duchefa Biochemie  R0146 Toxic – 25 mg/ml stock in DMSO
Streptomycin  sulfate Duchefa Biochemie  S0148 Toxic 
Spectinomycin  dihydrochloride  Duchefa Biochemie  S0188
IPTG (Isopropil-β-D-1-tiogalattopiranoside)  Sigma  I5502  Toxic 
MES hydrate Sigma M8250
MgCl2  Biochemical 436994U
Acetosyringone  Sigma D134406 Toxic – 0.1 M stock in DMSO
Syringe (1 ml) Terumo
MgSO4  Fluka  63136
BAP                                                       (6-Benzylaminopurine)  Sigma  B3408  Toxic 
NAA (Naphtalene acetic acid)  Duchefa Biochemie  N0903  Irritant 
Cefotaxime  Mylan generics 
Trizma base Sigma T1503 Adjust pH with 1 N HCl to make Tris-HCl buffer
HCl  Sigma H1758 Corrosive 
NaCl Sigma S3014 1 M stock
KCl Sigma P9541
Na2HPO4 Sigma S7907
KH2PO4 Sigma P9791
PMSF (Phenylmethanesulfonylfluoride) Sigma P7626 Corrosive,  toxic
Urea Sigma U5378
β-mercaptoethanol  Sigma M3148 Toxic 
Tween-20 Sigma P5927
Hepes Sigma H3375
DTT (Dithiothreitol)  Sigma D0632 Toxic – 1 M stock, store at -20 °C
CHAPS Duchefa Biochemie  C1374 Toxic 
Plant protease inhibitor cocktail Sigma P9599 Do not freeze/thaw too many times
SDS (Sodium dodecyl sulphate) Sigma L3771 Flammable, toxic, corrosive – 10% stock
Glycerol Sigma G5516
Brilliant Blue R-250 Sigma B7920
Isopropanol Sigma 24137 Flammable
Acetic acid Sigma 27221 Corrosive
Anti-Glutamic acid decarboxylase 65/67 Sigma G5163 Do not freeze/thaw too many times
Horseradish peroxidase (HRP)-conjugate anti-rabbit antibody Sigma A6154 Do not freeze/thaw too many times
Sf9 Cells Life Technologies 11496
BL21 Competent E.coli New England Biolabs C2530H
Protein A Sepharose Sigma P2545
Cell culture plates  Sigma CLS3516
Radio Immuno Assay kit Techno Genetics 12650805 Radioactive material 

References

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Cite This Article
Gecchele, E., Merlin, M., Brozzetti, A., Falorni, A., Pezzotti, M., Avesani, L. A Comparative Analysis of Recombinant Protein Expression in Different Biofactories: Bacteria, Insect Cells and Plant Systems. J. Vis. Exp. (97), e52459, doi:10.3791/52459 (2015).

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