The goal of this study is to investigate effects of temperature and co-chaperonin requirement for in vitro protein refolding assisted by E. coli chaperone GroEL under permissive and nonpermissive temperature conditions. In vitro protein refolding of two denatured proteins was kinetically investigated under several conditions in the presence of GroEL. Effects of temperature and GroES-requirement on the process of prevention of protein aggregation and refolding of denatured protein were extensively monitored. We have found that E. coli GroEL chaperone system along with ATP is required for invitro refolding of unfolded polypeptide under nonpermissive temperature of $37^{\circ}C$. However, under permissive condition spontaneous refolding can occur due to lower temperature, which can competes with chaperone-mediated protein refolding via GroEL chaperone system. Thus, GroEL seemed to divert spontaneous refolding pathway of unfolded polypeptide toward chaperone-assisted refolding pathway, which is more efficient protein refolding pathway.
The aklavinone 11-hydroxylase which was overexpressed using T7 promoter in E. coli could be detected in SDS-PAGE only in insoluble precipitate without any detectable enzyme activity. The insoluble enzyme was solubilized in 6M guanidine$.$HCl solution and their refolding ability was tested under various conditions. When the enzymatic activity was checked by the bioconversion experiment, stepwise dialysis against 6M, 3M, 1M guanidine$.$HCl and finally 100 mM potassium phosphate buffer of the solubilized protein gave the best bioconversion efficiency. The aklavinone 11-hydroxylase showed its enzymatic activity in the reaction buffer containing NADPH with vigorous shaking. The enzymatic activity was lost during partial purification and regained by the addition of crude extract of S. lividans in the reaction mixture. This effect was confirmed to due to some low-molecular weight component(s) in the crude extract, because the addition of dialyzed crude extract could not recover the enzymatic activity.
Many proteins are expressed as an insoluble form during the production using Escherichia coli (E. coli) system. Although various methods are applied to increase their amounts of soluble expression, refolding is the only feasible way to obtain a target protein in some cases. Moreover, protein NMR experiments require 13C/15N-labeled proteins that can only be obtained from E. coli systems in terms of cost and technical difficulty. The finding of appropriate refolding conditions for a target protein is a time-consuming process. In particular, it is very difficult to determine whether the refolded protein has a native structure, when a target protein has no enzymatic activity and its refolding yield is very low. Here, we showed that 1-dimensional 1H-15N heteronuclear single quantum correlation (1D 1H-15N HSQC) experiment can be efficiently used to screen an optimal condition for the refolding of a target protein by monitoring both the structure and concentration of the refolded protein.
Park Sang Joong;Ryu Kang;Suh Chang Woo;Chai Young Gyu;Kwon Oh Byung;Park Seung Kook;Lee Eun Kyu
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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v.7
no.1
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pp.1-5
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2002
A fusion protein, consisting of a human epidermal growth factor (hEGF) as the recognition domain and human angiogenin as the toxin domain, can be used as a targeted therapeutic against breast cancer cells among others. The fusion protein was expressed as inclusion body in recombinant E. coli, and when the conventional, solution-phase refolding process was used the refolding yield was very low due to severe aggregation. It was probably because of the opposite electric charge at a neutral pH resulting from the vastly different pI values of each domain. The solid-phase refolding process that exploited the ionic interactions between ionic exchanger surface and the fusion protein was tried, but the adsorption yield was also very low, below $ 30\%$, regardless of the resins and pH conditions used. Therefore, to provide a higher ionic affinity toward the solid matrix, six lysine residues were tagged to the N-terminus of the hEGF domain. When heparin-Sepharose was used as the matrix, the adsorption capacity increased 2.5-3 times to about $88\%$. Besides the intrinsic affinity of angiogenin to heparin, the poly-lysine tag provided additional ionic affinity. And the subsequent refolding yield increased nearly 13-fold, from ca. $4.8\%$ in the conventional refolding of the untagged fusion protein to $63.6\%$. The process was highly reproducible. The refolded protein in the column eluate retained RNase bioactivity of angiogenin.
Park, Sang-Joong;Ryu, Kang;Chai, Young-Gyu;Kweon, Oh-Byung;Park, Seung-Kook;Lee, Eun-Kyu
한국생물공학회:학술대회논문집
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2001.11a
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pp.197-203
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2001
A fusion protein, consisting of human epidermal growth factor as a recognition domain and human angiogenin as a toxin domain, can be used as a targeted therapeutic against breast cancer cells among others. The fusion protein was expressed as inclusion body in recombinant E. coli, and when the conventional, solution-phase refolding process was used the refolding yield was very low due to severe aggregation, probably due to the opposite surface charge due to vastly different pI values of each domain. Solid-phase refolding process exploiting ionic interactions between the solid matrix and the protein was tried, but the ionic binding yield was very low regardless of the resins and pH conditions used. To provide higher affinity toward the solid matrix, six lysine residues were tagged to the N -terminus of the hEGF domain When the cation exchange resins such as heparin- or CM-Sepharose were used as the matrix, the adsorption capacity increased 2.5-3 times and the subsequent refolding yield increased nearly IS times compared to the conventional process.
Bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) is part of a complex capable of inducing ectopic bone formation in mammals. Studies on TGF-β1 processing and Drosophila dorsal-ventral patterning have focused attention on BMP-1 as important in mediating the biological activity of this bone inducing complex. Herein, the bacterial expression, refolding, purification, and initial characterization of the BMP-1 proteolytic domain (BPD) are described. A semi-quantitative fluorescence-based thin layer chromatography assay was developed to assist in rapidly screening for optimal renaturation conditions. According to a preliminary screen for optimal conditions for the refolding of BPD , a detectable proteolytic activity against a high turnover substrate for astacin, a homologous protease from crayfish was observed. The conditions identified have allowed the expression of sufficient amounts of BPD for the characterization of the protein. Its proteolytic activity exhibits the same cleavage specificity as astacin against seven substrates that were previously synthesized for studying astacin. Furthermore, this activity is inhibited by the metal chelator 1,10-phenanthroline but not by its analogue 1,7-phenanthroline. The collagenase inhibitor Pro-Leu-Gly hydroxamate was found to inhibit both astacin and BPD activity. The results presented in this paper argue that BMP-1 does in fact possess an intrinsic proteolytic activity.
Kim, Chung-Im;Kim, Myoung-Dong;Park, Yong-Cheol;Han, Nam-Soo;Seo, Jin-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.10
no.5
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pp.632-637
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2000
This research was undertaken to restore the biological activity of cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) of Bacillus macerans origin expressed as inclusion bodies in recombinant Escherichia coli. The optimum concentration of urea used as a denaturant was 8 M. The supplementation of 0.5 M urea into a dialysis buffer increased the refolding efficiency by preventing any protein aggregation. The influence of the protein concentration, temperature, and pH were also investigated. The protein concentration was found to be the most important factor in the refolding efficiency. The optimum temperature was 15-$25^{\circ}C$ and the optimum pH was 6.0. The maximum specific activity of the CGTase refolded under the optimum conditions was 92.2 U/mg, corresponding to 72% of the native CGTase. A comparison of the secondary structure between the native and the refolded CGTase showed that the relative ratio of the $\alpha$-helix content in the native to the refolded CGTase was 1:0.82.
Park, Sang-Joong;Ryu, Kang;Suh, Chang-Woo;Chai, Young-Gyu;Kwon, Oh-Byung;Park, Seung-Kook;Lee, Eun-Kyu
KSBB Journal
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v.17
no.2
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pp.153-157
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2002
A fusion protein, consisting of a human epidermal growth factor as the recognition domain and human angiogenin as the toxin domain, can be used as a targeted therapeutic against breast cancer cells among others. The fusion protein was expressed as an inclusion body in recombinant E. coli, yet when the conventional solution-phase refolding process was used the refolding yield was very low due to severe aggregation, probably because of the opposite surface charge resulting from the vastly different pl values of each domain. Accordingly the solid-phase refolding process, which exploits the ionic interactions between a solid matrix and the protein, was tried, however the ionic binding yield was also very low regardless of the resins and pH conditions used. Therefore, to provide a higher affinity toward the solid matrix, six Iysine residues were tagged to the N-terminus of the hEGF domain. When cation exchange resins, such as heparin- or CM-Sepharose, were used as the matrix, the adsorption capacity increased 2.5~3-fold and the subsequent refolding yield increased nearly 15-fold compared to the conventional process. A similat result was also obtained when an Ni-NTA metal affinity resin was used.
Kim, Hyoung-Won;An, Eun-Kyoung;Shin, Mi-Young;Kim, In-Ho
한국생물공학회:학술대회논문집
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2003.10a
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pp.544-547
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2003
Fusion $ferritin(F_H+F_L),$ an iron-binding protein, was purified from recombinant E. coli by gel filtration chromatography after two-step sonications. Unfolded ferritin was refolded by GFC with various refolding enhancing additives. 50 mM Tris-HCI(pH 7.4) buffers containing 2 M urea and additive was used in GFC. Objective was to characterize the structure change at various conditions. Molecular weight was determined using GF-HPLC and RP-HPLC was used to quantify the unfolded and refolded proteins. Activity was confirmed by iron-uptake reaction.
Escherichia coli has been used as an expression work horse for foreign genes. This article summarized recent development in genetic engineering techniques for overproduction of medical proteins and industrial enzymes. Special emphasis was placed upon research activities concerning folding and refolding of inclusion bodies at genetic and fermentation levels. Plasmid and mRNA stabilization, development of strong inducible promoters, modification of translational elements and reduction of rpoteolytic degradation were carried out to elevate an expression level of a target protein. Optimization of culture conditions, improvement of denaturation and renaturation steps and coexpression of molecular chaperones or foldase were accomplished to produce active proteins in soluble form. Fusion protein systems with selective separation and surface display technology were also performed in an effort to make the E. coli expression system more effective and versatile.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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