Proteomic analysis of ocular surface components by use of HPLC based mass spectrometric strategies

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Top Down (TD) und zwei Bottom Up (BU) MALDI/ESI Massenspektrometrie/HPLC-Methoden entwickelt mit dem Ziel Augenoberfächenkomponenten, d.h. Tränenfilm und Konjunktivalzellen zu analysieren. Dabei wurde ein detaillierter Einblick in die Entwicklungsschritte gegeben und die Ansätze auf Eignung und methodische Grenzen untersucht. Während der TD Ansatz vorwiegend Eignung zur Analyse von rohen, weitgehend unbearbeiteten Zellproben fand, konnten mittels des BU Ansatzes bearbeitete konjunktivale Zellen, aber auch Tränenfilm mit hoher Sensitivität und Genauigkeit proteomisch analysiert werden. Dabei konnten mittels LC MALDI BU-Methode mehr als 200 Tränenproteine und mittels der LC ESI Methode mehr als 1000 Tränen- sowie konjunktivale Zellproteine gelistet werden. Dabei unterschieden sich ESI- and MALDI- Methoden deutlich bezüglich der Quantität und Qualität der Ergebnisse, weshalb differente proteomische Anwendungsgebiete der beiden Methoden vorgeschlagen wurden. Weiterhin konnten mittels der entwickelten LC MALDI/ESI BU Plattform, basierend auf den Vorteilen gegenüber dem TD Ansatz, therapeutische Einflüsse auf die Augenoberfläche mit Fokus auf die topische Anwendung von Taurin sowie Taflotan® sine, untersucht werden. Für Taurin konnten entzündungshemmende Effekte, belegt durch dynamische Veränderungen des Tränenfilms, dokumentiert werden. Außerdem konnten vorteilhafte, konzentrationsabhängige Wirkweisen auch in Studien an konjunktival Zellen gezeigt werden. Für die Anwendung von konservierungsmittelfreien Taflotan® sine, konnte mittels LC ESI BU Analyse eine Regenerierung der Augenoberfläche in Patienten mit Primärem Offenwinkel Glaukom (POWG), welche unter einem “Trockenem Auge“ litten nach einem therapeutischen Wechsel von Xalatan® basierend auf dynamischen Tränenproteomveränderungen gezeigt werden. Die Ergebnisse konnten mittels Microarray (MA) Analysen bestätigt werden. Sowohl in den Taurin Studien, als auch in der Taflotan® sine Studie, konnten charakteristische Proteine der Augenoberfläche dokumentiert werden, welche eine objektive Bewertung des Gesundheitszustandes der Augenoberfläche ermöglichen. Eine Kombination von Taflotan® sine und Taurin wurde als mögliche Strategie zur Therapie des Trockenen Auges bei POWG Patienten vorgeschlagen und diskutiert.

Development of a Novel Green Fluorescent Protein-Based Binding Assay to Study the Association of Plakins with Intermediate Filament Proteins.

Protein-protein interactions are fundamental for most biological processes, such as the formation of cellular structures and enzymatic complexes or in signaling pathways. The identification and characterization of protein-protein interactions are therefore essential for understanding the mechanisms and regulation of biological systems. The organization and dynamics of the cytoskeleton, as well as its anchorage to specific sites in the plasma membrane and organelles, are regulated by the plakins. These structurally related proteins anchor different cytoskeletal networks to each other and/or to other cellular structures. The association of several plakins with intermediate filaments (IFs) is critical for maintenance of the cytoarchitecture. Pathogenic mutations in the genes encoding different plakins can lead to dramatic manifestations, occurring principally in the skin, striated muscle, and/or nervous system, due to cytoskeletal disorganization resulting in abnormal cell fragility. Nevertheless, it is still unclear how plakins bind to IFs, although some general rules are slowly emerging. We here describe in detail a recently developed protein-protein fluorescence binding assay, based on the production of recombinant proteins tagged with green fluorescent protein (GFP) and their use as fluid-phase fluorescent ligands on immobilized IF proteins. Using this method, we have been able to assess the ability of C-terminal regions of GFP-tagged plakin proteins to bind to distinct IF proteins and IF domains. This simple and sensitive technique, which is expected to facilitate further studies in this area, can also be potentially employed for any kind of protein-protein interaction studies.

Use of plant roots for phytoremediation and molecular farming

Alternative agriculture, which expands the uses of plants well beyond food and fiber, is beginning to change plant biology. Two plant-based biotechnologies were recently developed that take advantage of the ability of plant roots to absorb or secrete various substances. They are (i) phytoextraction, the use of plants to remove pollutants from the environment and (ii) rhizosecretion, a subset of molecular farming, designed to produce and secrete valuable natural products and recombinant proteins from roots. Here we discuss recent advances in these technologies and assess their potential in soil remediation, drug discovery, and molecular farming.

Cloning the expression of a mammalian gene involved in the reduction of methionine sulfoxide residues in proteins.

An enzyme that reduces methionine sulfoxide [Met(O)] residues in proteins [peptide Met(O) reductase (MsrA), EC 1.8.4.6; originally identified in Escherichia coli] was purified from bovine liver, and the cDNA encoding this enzyme was cloned and sequenced. The mammalian homologue of E. coli msrA (also called pmsR) cDNA encodes a protein of 255 amino acids with a calculated molecular mass of 25,846 Da. This protein has 61% identity with the E. coli MsrA throughout a region encompassing a 199-amino acid overlap. The protein has been overexpressed in E. coli and purified to homogeneity. The mammalian recombinant MsrA can use as substrate, proteins containing Met(O) as well as other organic compounds that contain an alkyl sulfoxide group such as N-acetylMet(O), Met(O), and dimethyl sulfoxide. Northern analysis of rat tissue extracts showed that rat msrA mRNA is present in a variety of organs with the highest level found in kidney. This is consistent with the observation that kidney extracts also contained the highest level of enzyme activity.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Specific and reversible immobilization of proteins tagged to the affinity polypeptide C-LytA on functionalized graphite electrodes

We have developed a general method for the specific and reversible immobilization of proteins fused to the choline-binding module C-LytA on functionalized graphite electrodes. Graphite electrode surfaces were modified by diazonium chemistry to introduce carboxylic groups that were subsequently used to anchor mixed self-assembled monolayers consisting of N,N-diethylethylenediamine groups, acting as choline analogs, and ethanolamine groups as spacers. The ability of the prepared electrodes to specifically bind C-LytA-tagged recombinant proteins was tested with a C-LytA-β-galactosidase fusion protein. The binding, activity and stability of the immobilized protein was evaluated by electrochemically monitoring the formation of an electroactive product in the enzymatic hydrolysis of the synthetic substrate 4-aminophenyl β-D-galactopyranoside. The hybrid protein was immobilized in an specific and reversible way, while retaining the catalytic activity. Moreover, these functionalized electrodes were shown to be highly stable and reusable. The method developed here can be envisaged as a general, immobilization procedure on the protein biosensor field.

Incorporating a TEV cleavage site reduces the solubility of nine recombinant mouse proteins

Failure to express soluble proteins in bacteria is mainly attributed to the properties of the target protein itself, as well as the choice of the vector, the purification tag and the linker between the tag and protein, and codon usage. The expression of proteins with fusion tags to facilitate subsequent purification steps is a widely used procedure in the production of recombinant proteins. However, the additional residues can affect the properties of the protein; therefore, it is often desirable to remove the tag after purification. This is usually done by engineering a cleavage site between the tag and the encoded protein that is recognised by a site-specific protease, such as the one from tobacco etch virus (TEV). In this study, we investigated the effect of four different tags on the bacterial expression and solubility of nine mouse proteins. Two of the four engineered constructs contained hexahistidine tags with either a long or short linker. The other two constructs contained a TEV cleavage site engineered into the linker region. Our data show that inclusion of the TEV recognition site directly downstream of the recombination site of the Invitrogen Gateway vector resulted, in a loss of solubility of the nine mouse proteins. Our work suggests that one needs to be very careful when making modifications to expression vectors and combining different affinity and fusion tags and cleavage sites: (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Developing a scalable model of recombinant protein yield from Pichia pastoris:the influence of culture conditions, biomass and induction regime

Background The optimisation and scale-up of process conditions leading to high yields of recombinant proteins is an enduring bottleneck in the post-genomic sciences. Typical experiments rely on varying selected parameters through repeated rounds of trial-and-error optimisation. To rationalise this, several groups have recently adopted the 'design of experiments' (DoE) approach frequently used in industry. Studies have focused on parameters such as medium composition, nutrient feed rates and induction of expression in shake flasks or bioreactors, as well as oxygen transfer rates in micro-well plates. In this study we wanted to generate a predictive model that described small-scale screens and to test its scalability to bioreactors. Results Here we demonstrate how the use of a DoE approach in a multi-well mini-bioreactor permitted the rapid establishment of high yielding production phase conditions that could be transferred to a 7 L bioreactor. Using green fluorescent protein secreted from Pichia pastoris, we derived a predictive model of protein yield as a function of the three most commonly-varied process parameters: temperature, pH and the percentage of dissolved oxygen in the culture medium. Importantly, when yield was normalised to culture volume and density, the model was scalable from mL to L working volumes. By increasing pre-induction biomass accumulation, model-predicted yields were further improved. Yield improvement was most significant, however, on varying the fed-batch induction regime to minimise methanol accumulation so that the productivity of the culture increased throughout the whole induction period. These findings suggest the importance of matching the rate of protein production with the host metabolism. Conclusion We demonstrate how a rational, stepwise approach to recombinant protein production screens can reduce process development time.

Altering the ribosomal subunit ratio in yeast maximizes recombinant protein yield

Background The production of high yields of recombinant proteins is an enduring bottleneck in the post-genomic sciences that has yet to be addressed in a truly rational manner. Typically eukaryotic protein production experiments have relied on varying expression construct cassettes such as promoters and tags, or culture process parameters such as pH, temperature and aeration to enhance yields. These approaches require repeated rounds of trial-and-error optimization and cannot provide a mechanistic insight into the biology of recombinant protein production. We published an early transcriptome analysis that identified genes implicated in successful membrane protein production experiments in yeast. While there has been a subsequent explosion in such analyses in a range of production organisms, no one has yet exploited the genes identified. The aim of this study was to use the results of our previous comparative transcriptome analysis to engineer improved yeast strains and thereby gain an understanding of the mechanisms involved in high-yielding protein production hosts. Results We show that tuning BMS1 transcript levels in a doxycycline-dependent manner resulted in optimized yields of functional membrane and soluble protein targets. Online flow microcalorimetry demonstrated that there had been a substantial metabolic change to cells cultured under high-yielding conditions, and in particular that high yielding cells were more metabolically efficient. Polysome profiling showed that the key molecular event contributing to this metabolically efficient, high-yielding phenotype is a perturbation of the ratio of 60S to 40S ribosomal subunits from approximately 1:1 to 2:1, and correspondingly of 25S:18S ratios from 2:1 to 3:1. This result is consistent with the role of the gene product of BMS1 in ribosome biogenesis. Conclusion This work demonstrates the power of a rational approach to recombinant protein production by using the results of transcriptome analysis to engineer improved strains, thereby revealing the underlying biological events involved.

Improving recombinant eukaryotic membrane protein yields in Pichia pastoris:the importance of codon optimization and clone selection

In the last 15 years, 80% of all recombinant proteins reported in the literature were produced in the bacterium, Escherichia coli, or the yeast, Pichia pastoris. Nonetheless, developing effective general strategies for producing recombinant eukaryotic membrane proteins in these organisms remains a particular challenge. Using a validated screening procedure together with accurate yield quantitation, we therefore wished to establish the critical steps contributing to high yields of recombinant eukaryotic membrane protein in P. pastoris. Whilst the use of fusion partners to generate chimeric constructs and directed mutagenesis have previously been shown to be effective in bacterial hosts, we conclude that this approach is not transferable to yeast. Rather, codon optimization and the preparation and selection of high-yielding P. pastoris clones are effective strategies for maximizing yields of human aquaporins.

Playing catch-up with Escherichia coli:using yeast to increase success rates in recombinant protein production experiments

Several host systems are available for the production of recombinant proteins, ranging from Escherichia coli to mammalian cell-lines. This article highlights the benefits of using yeast, especially for more challenging targets such as membrane proteins. On account of the wide range of molecular, genetic, and microbiological tools available, use of the well-studied model organism, Saccharomyces cerevisiae, provides many opportunities to optimize the functional yields of a target protein. Despite this wealth of resources, it is surprisingly under-used. In contrast, Pichia pastoris, a relative new-comer as a host organism, is already becoming a popular choice, particularly because of the ease with which high biomass (and hence recombinant protein) yields can be achieved. In the last few years, advances have been made in understanding how a yeast cell responds to the stress of producing a recombinant protein and how this information can be used to identify improved host strains in order to increase functional yields. Given these advantages, and their industrial importance in the production of biopharmaceuticals, I argue that S. cerevisiae and P. pastoris should be considered at an early stage in any serious strategy to produce proteins.

Expression of HIV-1 antigens in plants as potential subunit vaccines

Background Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) has infected more than 40 million people worldwide, mainly in sub-Saharan Africa. The high prevalence of HIV-1 subtype C in southern Africa necessitates the development of cheap, effective vaccines. One means of production is the use of plants, for which a number of different techniques have been successfully developed. HIV-1 Pr55Gag is a promising HIV-1 vaccine candidate: we compared the expression of this and a truncated Gag (p17/p24) and the p24 capsid subunit in Nicotiana spp. using transgenic plants and transient expression via Agrobacterium tumefaciens and recombinant tobamovirus vectors. We also investigated the influence of subcellular localisation of recombinant protein to the chloroplast and the endoplasmic reticulum (ER) on protein yield. We partially purified a selected vaccine candidate and tested its stimulation of a humoral and cellular immune response in mice. Results Both transient and transgenic expression of the HIV antigens were successful, although expression of Pr55Gag was low in all systems; however, the Agrobacterium-mediated transient expression of p24 and p17/p24 yielded best, to more than 1 mg p24/kg fresh weight. Chloroplast targeted protein levels were highest in transient and transgenic expression of p24 and p17/p24. The transiently-expressed p17/p24 was not immunogenic in mice as a homologous vaccine, but it significantly boosted a humoral and T cell immune response primed by a gag DNA vaccine, pTHGagC. Conclusion Transient agroinfiltration was best for expression of all of the recombinant proteins tested, and p24 and p17/p24 were expressed at much higher levels than Pr55Gag. Our results highlight the usefulness of plastid signal peptides in enhancing the production of recombinant proteins meant for use as vaccines. The p17/p24 protein effectively boosted T cell and humoral responses in mice primed by the DNA vaccine pTHGagC, showing that this plant-produced protein has potential for use as a vaccine.

Optimization of chimeric HIV-1 virus-like particle production in a baculovirus-insect cell expression system

A baculovirus-insect cell expression system potentially provides the means to produce prophylactic HIV-1 virus-like particle (VLP) vaccines inexpensively and in large quantities. However, the system must be optimized to maximize yields and increase process efficiency. In this study, we optimized the production of two novel, chimeric HIV-1 VLP vaccine candidates (GagRT and GagTN) in insect cells. This was done by monitoring the effects of four specific factors on VLP expression: these were insect cell line, cell density, multiplicity of infection (MOI), and infection time. The use of western blots, Gag p24 ELISA, and four-factorial ANOVA allowed the determination of the most favorable conditions for chimeric VLP production, as well as which factors affected VLP expression most significantly. Both VLP vaccine candidates favored similar optimal conditions, demonstrating higher yields of VLPs when produced in the Trichoplusia ni Pro insect cell line, at a cell density of 1 × 106 cells/mL, and an infection time of 96 h post infection. It was found that cell density and infection time were major influencing factors, but that MOI did not affect VLP expression significantly. This work provides a potentially valuable guideline for HIV-1 protein vaccine optimization, as well as for general optimization of a baculovirus-based expression system to produce complex recombinant proteins. © 2009 American Institute of Chemical Engineers.

Thyroxine and reserpine-induced changes in metabolic profiles of rat urine and the therapeutic effect of Liu Wei Di Huang Wan detected by UPLC-HDMS

The promise of metabonomics, a new "omics" technique, to validate Chinese medicines and the compatibility of Chinese formulas has been appreciated. The present study was undertaken to explore the excretion pattern of low molecular mass metabolites in the male Wistar-derived rat model of kidney yin deficiency induced with thyroxine and reserpine as well as the therapeutic effect of Liu Wei Di Huang Wan (LW) and its separated prescriptions, a classic traditional Chinese medicine formula for treating kidney yin deficiency in China. The study utilized ultra-performance liquid chromatography/electrospray ionization synapt high definition mass spectrometry (UPLC/ESI-SYNAPT-HDMS) in both negative and positive electrospray ionization (ESI). At the same time, blood biochemistry was examined to identify specific changes in the kidney yin deficiency. Distinct changes in the pattern of metabolites, as a result of daily administration of thyroxine and reserpine, were observed by UPLC-HDMS combined with a principal component analysis (PCA). The changes in metabolic profiling were restored to their baseline values after treatment with LW according to the PCA score plots. Altogether, the current metabonomic approach based on UPLC-HDMS and orthogonal projection to latent structures discriminate analysis (OPLS-DA) indicated 20 ions (14 in the negative mode, 8 in the positive mode, and 2 in both) as "differentiating metabolites".

Design and construction of an in-plant activation cassette for transgene expression and recombinant protein production in plants

Virus-based transgene expression systems have become particularly valuable for recombinant protein production in plants. The dual-module in-plant activation (INPACT) expression platform consists of a uniquely designed split-gene cassette incorporating the cis replication elements of Tobacco yellow dwarf geminivirus (TYDV) and an ethanol-inducible activation cassette encoding the TYDV Rep and RepA replication-associated proteins. The INPACT system is essentially tailored for recombinant protein production in stably transformed plants and provides both inducible and high-level transient transgene expression with the potential to be adapted to diverse crop species. The construction of a novel split-gene cassette, the inducible nature of the system and the ability to amplify transgene expression via rolling-circle replication differentiates this system from other DNA- and RNA-based virus vector systems used for stable or transient recombinant protein production in plants. Here we provide a detailed protocol describing the design and construction of a split-gene INPACT cassette, and we highlight factors that may influence optimal activation and amplification of gene expression in transgenic plants. By using Nicotiana tabacum, the protocol takes 6-9 months to complete, and recombinant proteins expressed using INPACT can accumulate to up to 10% of the leaf total soluble protein.