Improvement of recombinant protein production in shaken cultures:focus on aeration and enzyme-controlled glucose feeding

Abstract Efficient production of biologically functional recombinant proteins is a cornerstone of modern biotechnological research. Laboratory-scale protein production is most commonly accomplished in simple shaking bioreactors such as shake flasks. However, productivity of these cultures is often severely limited by low biomass yield and non-optimal growth conditions regarding medium composition, pH and oxygen supply. In many cases, poor culture performance can constitute a major research bottleneck. This study aims to improve recombinant protein production in shaking Escherichia coli cultures by use of enzyme-controlled, fed-batch-like glucose feeding in a rich medium, and by investigating the effects of culture aeration on different aspects of protein production. The results show that the enzymatic fed-batch medium can provide higher cell densities, volumetric protein yields and, in some cases, improved product solubility or activity compared to traditionally used media. While these improvements could be obtained in ordinary shaking vessels, the results also demonstrate that cultivation in shake flasks with elevated aeration capacity can further improve cell density and volumetric productivity in the fed-batch medium. However, enhanced aeration may also have an adverse effect on the expression of certain proteins such as Fab antibody fragments. Maximum volumetric Fab yield was achieved under reduced aeration rates, and lower oxygen availability also contributed to substantially increased accumulation of periplasmically produced Fab fragments into extracellular medium. Hence modification of aeration conditions and medium composition can be used to control periplasmic/extracellular product localization as outlined in this study. Moreover, high aeration was detrimental to expression in a glycerol-based lactose autoinduction medium, but this strict dependency on aeration level could be mitigated and robustness of expression improved by an autoinduction medium based on the enzymatic glucose feeding as the supporting carbon source instead of glycerol. The results of this study can be utilized to improve volumetric productivity, protein solubility and control of product localization in small-scale protein production, as well as to facilitate robust and efficient high-throughput protein expression for such applications as structural and functional characterization.Tiivistelmä Biologisesti aktiivisten vierasproteiinien tehokas tuottaminen on yksi bioteknologisen tutkimuksen kulmakivistä. Laboratoriomittakaavan proteiinituotto toteutetaan yleisimmin yksinkertaisissa ravistelubioreaktoreissa, kuten ravistelupulloissa. Näiden viljelmien tuottavuutta rajoittaa kuitenkin usein biomassan matala saanto sekä epäoptimaaliset olosuhteet kasvualustan koostumuksen, pH:n ja hapen suhteen. Monissa tapauksissa viljelmän heikko tuottavuus muodostaa tutkimukselle merkittävän pullonkaulan. Tämän tutkimuksen tavoite on parantaa vierasproteiinien tuottoa Escherichia coli –ravisteluviljelmissä hyödyntäen entsymaattisesti kontrolloitua, panossyöttökasvatusta jäljittelevää glukoosisyöttöä rikkaassa kasvualustassa, sekä selvittää ilmastuksen vaikutusta proteiinituoton eri osatekijöihin. Tulosten mukaan glukoosisyöttöön perustuva kasvualusta mahdollistaa korkeamman solutiheyden sekä proteiinituoton verrattuna tavallisimmin käytettyihin kasvualustoihin. Joissain tapauksissa myös proteiinin liukoisuus tai aktiivisuus voi parantua. Vaikka nämä edut pystyttiin saavuttamaan myös tavanomaisissa ravistelupulloissa, voidaan panossyöttökasvualustan solutiheyttä ja tuottoa tilavuutta kohti edelleen lisätä käyttämällä korkeamman ilmastustehokkuuden ravistelupulloja. Toisaalta tehostetun ilmastuksen havaittiin olevan mahdollisesti haitallista tiettyjen proteiinien, kuten Fab-vasta-ainefragmenttien, tuotolle. Fab-fragmenttien maksimaalinen tuotto saavutettiin ilmastustehokkuutta laskemalla. Lisäksi matalampi hapen saatavuus edisti periplasmaan ohjattujen Fab-fragmenttien kerääntymistä solunulkoiseen kasvualustaan. Näin ollen ilmastusolosuhteita ja kasvualustan koostumusta muokkaamalla voidaan vaikuttaa tuotteen lopulliseen sijoittumiseen. Korkean ilmastustehokkuuden havaittiin myös olevan haitallista proteiinituotolle glyserolipohjaisessa autoinduktiokasvualustassa. Tätä riippuvuutta ilmastuksen tasosta pystyttiin vähentämään ja autoinduktion luotettavuutta parantamaan käyttämällä kasvualustaa jossa hiililähteenä toimii glyserolin sijaan entsymaattinen glukoosisyöttö. Tutkimuksen tuloksia hyödyntäen voidaan parantaa vierasproteiinien saantoa, liukoisuutta ja periplasmisen/solunulkoisen kerääntymisen säätelyä, sekä mahdollistaa luotettava ja tehokas proteiinituotto viljelmien suurta lukumäärää vaativiin sovelluksiin, kuten proteiinien rakenteen ja toiminnan tutkimukseen