Large-scale production of secreted proteins in Pichia pastoris

The production of recombinant therapeutic proteins is an active area of research in drug development. These bio-therapeutic drugs target nearly 150 disease states and promise to bring better treatments to patients. However, if new bio-therapeutics are to be made more accessible and affordable, improvements in production performance and optimization of processes are necessary. A major challenge lies in controlling the effect of process conditions on production of intact functional proteins. To achieve this, improved tools are needed for bio-processing. For example, implementation of process modeling and high-throughput technologies can be used to achieve quality by design, leading to improvements in productivity. Commercially, the most sought after targets are secreted proteins due to the ease of handling in downstream procedures. This chapter outlines different approaches for production and optimization of secreted proteins in the host Pichia pastoris. © 2012 Springer Science+business Media, LLC.

Optimising Pichia pastoris induction

A common method for inducing the production of recombinant proteins in Pichia pastoris is through the use of methanol. However, the by-products of methanol metabolism are toxic to yeast cells and therefore its addition to recombinant cultures must be controlled and monitored throughout the process in order to maximise recombinant protein yields. Described here are online and off-line methods to monitor and control methanol addition to bench-top-scale bioreactors. © 2012 Springer Science+business Media, LLC.

Characterization of a new toxin from the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae: the ribotoxin anisoplin

Metarhizium anisopliae is an entomopathogenic fungus relevant in biotechnology with applications like malaria vector control. Studies of its virulence factors are therefore of great interest. Fungal ribotoxins are toxic ribonucleases with extraordinary efficiency against target ribosomes and suggested as potential insecticides. Here, we describe this ribotoxin characteristic activity in M. anisopliae cultures. Anisoplin has been obtained as a recombinant protein and further characterized. It is structurally similar to hirsutellin A, the ribotoxin from the entomopathogen Hirsutella thompsonii. Moreover, anisoplin shows the ribonucleolytic activity typical of ribotoxins and cytotoxicity against insect cells. How Metarhizium uses this toxin and possible applications are on perspective.

Sortase as a Tool in Biotechnology and Medicine

We have harnessed two reactions catalyzed by the enzyme sortase A and applied them to generate new methods for the purification and site-selective modification of recombinant protein therapeutics.

We utilized native peptide ligation —a well-known function of sortase A— to attach a small molecule drug specifically to the carboxy-terminus of a recombinant protein. By combining this reaction with the unique phase behavior of elastin-like polypeptides, we developed a protocol that produces homogenously-labeled protein-small molecule conjugates using only centrifugation. The same reaction can be used to produce unmodified therapeutic proteins simply by substituting a single reactant. The isolated proteins or protein-small molecule conjugates do not have any exogenous purification tags, eliminating the potential influence of these tags on bioactivity. Because both unmodified and modified proteins are produced by a general process that is the same for any protein of interest and does not require any chromatography, the time, effort, and cost associated with protein purification and modification is greatly reduced.

We also developed an innovative and unique method that attaches a tunable number of drug molecules to any recombinant protein of interest in a site-specific manner. Although the ability of sortase A to carry out native peptide ligation is widely used, we demonstrated that Sortase A is also capable of attaching small molecules to proteins through an isopeptide bond at lysine side chains within a unique amino acid sequence. This reaction —isopeptide ligation— is a new site-specific conjugation method that is orthogonal to all available protein-small conjugation technologies and is the first site-specific conjugation method that attaches the payload to lysine residues. We show that isopeptide ligation can be applied broadly to peptides, proteins, and antibodies using a variety of small molecule cargoes to efficiently generate stable conjugates. We thoroughly assessed the site-selectivity of this reaction using a variety of analytical methods and showed that in many cases the reaction is site-specific for lysines in flexible, disordered regions of the substrate proteins. Finally, we showed that isopeptide ligation can be used to create clinically-relevant antibody-drug conjugates that have potent cytotoxicity towards cancerous cells

Characterisation of a secretory serine protease inhibitor (SjB6) from Schistosoma japonicum

BACKGROUND: Proteins belonging to the serine protease inhibitor (serpin) superfamily play essential physiological roles in many organisms. In pathogens, serpins are thought to have evolved specifically to limit host immune responses by interfering with the host immune-stimulatory signals. Serpins are less well characterised in parasitic helminths, although some are thought to be involved in mechanisms associated with host immune modulation. In this study, we cloned and partially characterised a secretory serpin from Schistosoma japonicum termed SjB6, these findings provide the basis for possible functional roles.

METHODS: SjB6 gene was identified through database mining of our previously published microarray data, cloned and detailed sequence and structural analysis and comparative modelling carried out using various bioinformatics and proteomics tools. Gene transcriptional profiling was determined by real-time PCR and the expression of native protein determined by immunoblotting. An immunological profile of the recombinant protein produced in insect cells was determined by ELISA.

RESULTS: SjB6 contains an open reading frame of 1160 base pairs that encodes a protein of 387 amino acid residues. Detailed sequence analysis, comparative modelling and structural-based alignment revealed that SjB6 contains the essential structural motifs and consensus secondary structures typical of inhibitory serpins. The presence of an N-terminal signal sequence indicated that SjB6 is a secretory protein. Real-time data indicated that SjB6 is expressed exclusively in the intra-mammalian stage of the parasite life cycle with its highest expression levels in the egg stage (p < 0.0001). The native protein is approximately 60 kDa in size and recombinant SjB6 (rSjB6) was recognised strongly by sera from rats experimentally infected with S. japonicum.

CONCLUSIONS: The significantly high expression of SjB6 in schistosome eggs, when compared to other life cycle stages, suggests a possible association with disease pathology, while the strong reactivity of sera from experimentally infected rats against rSjB6 suggests that native SjB6 is released into host tissue and induces an immune response. This study presents a comprehensive demonstration of sequence and structural-based analysis of a secretory serpin from a trematode and suggests SjB6 may be associated with important functional roles in S. japonicum, particularly in parasite modulation of the host microenvironment.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Therapeutic Potential of RNAi Through Endocytotic Methods

The ability to manipulate gene expression promises to be an important tool for the management of infectious diseases and genetic disorders. However, a major limitation to effective delivery of therapeutic RNA to living cells is the cellular toxicity of conventional techniques. Team PANACEA’s research objective was to create new reagents based on a novel small-molecule delivery system that uses a modular recombinant protein vehicle consisting of a specific ligand coupled to a Hepatitis B Virus-derived RNA binding domain (HBV-RBD). Two such recombinant delivery proteins were developed: one composed of Interleukin-8, the other consisting of the Machupo Virus GP1 protein. The ability of these proteins to deliver RNA to cells were then tested. The non-toxic nature of this technology has the potential to overcome limitations of current methods and could provide a platform for the expansion of personalized medicine.

Effets de l’environnement lumineux et de l’âge foliaire sur la croissance, la capacité photosynthétique et la production protéique chez "Nicotiana benthamiana"

Cette étude visait à caractériser la croissance, la capacité photosynthétique, la concentration en azote et protéines totales solubles, la production de protéines recombinantes (HA) ainsi que la quantité de lumière interceptée à différents stades de développement de plants de Nicotiana benthamiana afin d’optimiser la production de vaccins. L’évolution des réponses physiologiques étudiées fut similaire chez toutes les feuilles primaires, suggérant que le processus de sénescence s’initie et progresse de façon semblable indépendamment de leur ordre d’initiation. Toutefois, la superposition des patrons temporels de sénescence et de croissance foliaire a mené à un rendement HA maximal se situant invariablement dans la partie médiane du plant lorsqu’exprimé sur une base foliaire. À l’échelle du plant entier, nos résultats suggèrent qu’il est possible d’augmenter la production de vaccins en récoltant les plants à un stade de développement plus tardif, ou en augmentant la densité de culture et en récoltant ces plants plus tôt.

Comparing the expression of human DNA topoisomerase I in KM71H and X33 strains of Pichia pastoris

Background: Human is an essential cellular enzyme that is found in all human cells. As this enzyme is upregulated in cancer cells exceedingly, it is used as a target for cancer chemotherapeutic drug development. As such, producing the in-house enzyme for the purpose to speed up the search for more cost-effective and target specific hTopoI inhibitors is warranted. This study aims to compare the optimised conditions for the expression of hTopoI in KM71H (MutS) and X33 (Mut+) strains of Pichia pastoris P. pastoris transfected with an hTopoI recombinant vector was used for the optimization of a higher level of hTopoI expression. Results: In the process, fed-batch cultivation parameters that influence the expression of hTopoI, such as culture temperature, methanol induction and feeding strategy, were optimised in the transfected KM71H and X33 P. pastoris strains in a shake flask system. The cell density and total protein concentration (protein level) of transfected P. pastoris were compared to determine the optimum culture conditions for each transfected P. pastoris strain. A higher hTopoI level was observed in the transfected KM71H culture supernatant (2.26 ng/mL) when the culture was incubated in the optimum conditions. Conclusions: This study demonstrated that MutS strain (KM71H) expressed and secreted a higher level of hTopoI heterologous protein in the presence of methanol compared to the Mut+ strain; X33 (0.75 ng/mL). However, other aspects of optimization, such as pH, should also be considered in the future, to obtain the optimum expression level of hTopoI in P. pastoris.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Beyond the natural proteome:nondegenerate saturation mutagenesis - methodologies and advantages

Beyond the natural proteome, high-throughput mutagenesis offers the protein engineer an opportunity to “tweak” the wild-type activity of a protein to create a recombinant protein with required attributes. Of the various approaches available, saturation mutagenesis is one of the core techniques employed by protein engineers and in recent times, nondegenerate saturation mutagenesis is emerging as the approach of choice. This review compares the current methodologies available for conducting nondegenerate saturation mutagenesis with traditional, degenerate saturation and briefly outlines the options available for screening the resulting libraries, to discover a novel protein with the required activity and/or specificity.

Characterization of a new toxin from the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae: the ribotoxin anisoplin

Metarhizium anisopliae is an entomopathogenic fungus relevant in biotechnology with applications like malaria vector control. Studies of its virulence factors are therefore of great interest. Fungal ribotoxins are toxic ribonucleases with extraordinary efficiency against target ribosomes and suggested as potential insecticides. Here, we describe this ribotoxin characteristic activity in M. anisopliae cultures. Anisoplin has been obtained as a recombinant protein and further characterized. It is structurally similar to hirsutellin A, the ribotoxin from the entomopathogen Hirsutella thompsonii. Moreover, anisoplin shows the ribonucleolytic activity typical of ribotoxins and cytotoxicity against insect cells. How Metarhizium uses this toxin and possible applications are on perspective.

Partial protection against chlamydial reproductive tract infection by a recombinant major outer membrane protein/CpG/cholera toxin intranasal vaccine in the guinea pig Chlamydia cavaie model

Chlamydia trachomatis is a major cause of sexually transmitted diseases worldwide. There currently is no vaccine to protect against chlamydial infection of the female reproductive tract. Vaccine development has predominantly involved using the murine model, however infection of female guinea pigs with Chlamydia caviae more closely resembles chlamydial infection of the human female reproductive tract, and presents a better model to assess potential human chlamydial vaccines. We immunised female guinea pigs intranasally with recombinant major outer membrane protein (r-MOMP) combined with CpG-10109 and cholera toxin adjuvants. Both systemic and mucosal immune responses were elicited in immunised animals. MOMP-specific IgG and IgA were present in the vaginal mucosae, and high levels of MOMP-specific IgG were detected in the serum of immunised animals. Antibodies from the vaginal mucosae were also shown to be capable of neutralising C. caviae in vitro. Following immunisation, animals were challenged intravaginally with a live C. caviae infection of 102 inclusion forming units. We observed a decrease in duration of infection and a significant (p<0.025) reduction in infection load in r-MOMP immunised animals, compared to animals immunised with adjuvant only. Importantly, we also observed a marked reduction in upper reproductive tract (URT) pathology in r-MOMP immunised animals. Intranasal immunisation of female guinea pigs with r-MOMP was able to provide partial protection against C. caviae infection, not only by reducing chlamydial burden but also URT pathology. This data demonstrates the value of using the guinea pig model to evaluate potential chlamydial vaccines for protection against infection and disease pathology caused by C. trachomatis in the female reproductive tract.