Fermentation strategies for recombinant protein production in Pichia pastoris have been investigated and are reviewed here. Characteristics of the expression system, such as phenotypes and carbon utilization, are summarized. Recently reported results such as growth model establishment, app58lication of a methanol sensor, optimization of substrate feeding strategy, DOstat controller design, mixed feed technology, and perfusion and continuous culture are discussed in detail.
Seo, Myung-Ji;Choi, Hak-Jong;Chung, Kwang-Hoe;Pyun, Yu-Ryang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.21
no.10
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pp.1053-1056
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2011
Optimal conditions for a high cell density fermentation were investigated in a recombinant Escherichia coli producing salmosin, a platelet aggregation inhibitor. The optimized carbon and nitrogen sources were glycerol 10 g/l, yeast extract 30 g/l, and bacto-tryptone 10 g/l, yielding the dry cell weight (DCW) of 10.61 g/l in a 500 ml flask culture. The late-stage induction with 1% L-arabinose in a 5 l jar fermentor showed the highest DCW of 65.70 g/l after 27 h of the fed-batch fermentation. Around 2,200 mg/l of the protein was expressed as an inclusion body that was then refolded to obtain the active salmosin of 96 mg/l. We also confirmed the inhibitory activity against platelet aggregation of the active salmosin from the high cell density fermentation.
The artificial gene coding for anticoagulant hirudin was placed under the control of the GAL 10 promoter and expressed in the galactokinase-deficient strain (Δgal1) of Saccharomyces cerevisiae, which uses galactose only as a gratuitous inducer in order to avoid its consumption. For efficient production of recombinant hirudin, a carbon source other than galactose should be provided in the medium to support growth of the Δgal1 strain. Here we demonstrate the successful use of glucose in the fed-batch fermentation of the Δgal1 strain to achieve efficient production of recombinant hirudin, with a yield of up to 400 mg hirudin/L.
In this report, we describe the high-yield secretory expression of the recombinant human anti-HBsAg Fab fragment from Pichia pastoris that was achieved by co-integration of the genes encoding the heavy and light chains (both under the control of alcohol oxidase promoter) into the genome of the yeast cells. The fed-batch fermentations were carried out in a 5 L scale. Both chains of the Fab were successfully expressed upon methanol induction. The absorbance ($OD_{600}$) of the broth can reach 350~500 at the end of fed-batch phase. After the induction, the expression level of the recombinant Fab (soluble) reached 420~458 mg/L. The recombinant Fab fragment was purified from the crude culture supernatant by ion exchange chromatography and the purity of the recombinant Fab fragment was over 95%. The affinity activities of the crude fermentation supernatant and the purified Fab were analyzed by indirect ELISA, which showed that the purified recombinant Fab fragment had high affinity activity with hepatitis B surface antigen.
Optimizing protein production in recombinant E. coli strains involves manipulation of genetic and environmental factors. In designing a production system, attention must be paid to gene expression efficiency, culture conditions and bioreactor configuration. Although not much emphasis was given to the physiology of host strains in this review, an understanding of the relationship between the physiology of host cell growth and the overproduction of a cloned gene protein is of primary importance to the improvement of the recombinant fermentation processes. Sometimes it is desirable to make use of gene fusion systems, e.g. protein A, polypeptide, gutathione-S-transferase, or pneumococcal murein hydrolase fusion, to facilitate protein purification.
Maximization of productivity of recombinant cell fermentations requires consideration of the inverse relationship between the host cell growth rate and product formation rate. The problem of maximizing a weighted performance index was solved by using optimal control theory for recombinant E. coli fermentation. Concentration of a growth inhibitor was used as a control variable to manipulate the specific growth rate, and consequently the cloned-gene expression rate. Using a simple unstructured model to describe the main characteristics of this system, theoretical analysis showed that the optimal control profile results in an initial high growth rate phase followed by a low growth rate and high product formation rate phase. Numerical calculations were done to determine optimal switching times from the growth to the production stage for two representative cases corresponding to different dependency of the product formation rate on the growth rate. For the case when product formation rate is sensitive to the specific growth rate, the optimized operation yields about 60% increase in the final product concentration compared with a simple batch fermentation.
Starch is an abundant resource in plant biomass, and it should be hydrolyzed enzymatically into fermentable sugars for ethanol fermentation. A genetic recombinant yeast, Saccharomyces cerevisiae GA-7458, was constructed by integrating the structural gene of both $\alpha$-amylase from Bacillus stearothermophilus and the gene (STA1) encoding glucoamylase from S. diastaticus into the chromosome of S. cerevisiae SH7458. The recombinant yeast showed active enzymatic activities of $\alpha$-amylase and glucoamylase. The productivity of ethanol fermentation from the pH-controlled batch culture (pH 5.5) was 2.6 times greater than that of the pH-uncontrolled batch culture. Moreover, in a fed-batch culture, more ethanol was produced (13.2 g/L), and the production yield was 0.38 with 2% of corn starch. Importantly, the integrated plasmids were fully maintained during ethanol fermentation.
Lee, In-Young;Kim, Myung-Kuk;Na, Doe-Sun;Hahm, Kyung-Soo;Moon H. Han;Lee, Sun-Bok
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.16
no.4
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pp.327-333
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1988
For optimal production of recombinant human interleukin-2 (IL-2) in E. coli the effect of fermentation conditions on cell growth, IL-2 production, and stability of recombinant cells were investigated. Among the complex nutrients tested in this work, yeast extract, peptone and corn steep liquor were found to be effective for recombinant cell growth. The recombinant cells were maintained stably under repression condition (3$0^{\circ}C$), but the stability of recombinant cells were drastically reduced upon induction of IL-2 expression (42$^{\circ}C$) even under the selection pressure. Addition of antibiotics to the culture medium resulted in the cell growth inhibition without significant improvement in recombinant stability. When the expression of IL-2 gene was induced at different growth phases, highest IL-2 production was achieved by the induction of IL-2 at the middle-exponential growth phase. It was found that the production of IL-2 significantly inhibited the cell growth and the ex-pression of other genes in the plasmid.
This report describes a high-level expression of human alpha-2a interferon ($IFN{\alpha}-2a$) in Escherichia coli and its pilot scale purification by using a monoclonal antibody-independent chromatographic procedure that is based on anion-exchange, cation-exchange, hydrophobic interaction, and gel filtration. The recombinant E. coli produced much more $IFN{\alpha}-2a$ in a soluble form, when cultivated at low temperatures than at high-temperature fermentation. However, if the bacterial growth was taken into consideration, fermentation at $30^{\circ}C$ seemed optimal for the interferon production. By using our new protocol, we recovered approximately 160 mg of $IFN{\alpha}-2a$ with a specific activity of $3.59{\times}10^8$ IU/mg from 201 of the broth. The gel permeation chromatographic and SDS-PAGE indicated that the interferon preparation was purified to homogeneity and was of the correctly folded fast-migrating monomer.
Fed-batch fermentations were carried out in order to improve the efficiency of hirudin production by recombinant Saccharomyces cerevisiae. A fed-batch fermentation done with the optimized semi-synthetic medium resulted in a maximum hirudin concentration of 342mg/$\ell$ by keeping a galactose concentrations between 10 and 30g/$\ell$ which corresponded to a 11.4-fold increase in hirudin concentration compared with the simple bach fermentation done with the same medium. Comparison of the chromatographic pattern of proteins in the growth medium clearly showed that the use of the semi-synthetic medium is more advantageous for separation of hirudin than the case o fusing the complex medium. Continuous cell recycle fermentation done at dilution rate of 0.1h-1 and an inlet galactose concentration of 100g/$\ell$ yielded a maximum hirudin productivity of 19.1mg hirudin/$\ell$$.$h.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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