Recombinant hepatitis C virus-envelope protein 2 interactions with low-density lipoprotein/CD81 receptors

Hepatitis C virus (HCV) envelope protein 2 (E2) is involved in viral binding to host cells. The aim of this work was to produce recombinant E2B and E2Y HCV proteins in Escherichia coli and Pichia pastoris, respectively, and to study their interactions with low-density lipoprotein receptor (LDLr) and CD81 in human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and the ECV304 bladder carcinoma cell line. To investigate the effects of human LDL and differences in protein structure (glycosylated or not) on binding efficiency, the recombinant proteins were either associated or not associated with lipoproteins before being assayed. The immunoreactivity of the recombinant proteins was analysed using pooled serum samples that were either positive or negative for hepatitis C. The cells were immunophenotyped by LDLr and CD81 using flow cytometry. Binding and binding inhibition assays were performed in the presence of LDL, foetal bovine serum (FCS) and specific antibodies. The results revealed that binding was reduced in the absence of FCS, but that the addition of human LDL rescued and increased binding capacity. In HUVEC cells, the use of antibodies to block LDLr led to a significant reduction in the binding of E2B and E2Y. CD81 antibodies did not affect E2B and E2Y binding. In ECV304 cells, blocking LDLr and CD81 produced similar effects, but they were not as marked as those that were observed in HUVEC cells. In conclusion, recombinant HCV E2 is dependent on LDL for its ability to bind to LDLr in HUVEC and ECV304 cells. These findings are relevant because E2 acts to anchor HCV to host cells; therefore, high blood levels of LDL could enhance viral infectivity in chronic hepatitis C patients.

“Features of two proteins of Leptospira interrogans with potential role in host-pathogen interactions”

Abstract Background Leptospirosis is considered a re-emerging infectious disease caused by pathogenic spirochaetes of the genus Leptospira. Pathogenic leptospires have the ability to survive and disseminate to multiple organs after penetrating the host. Leptospires were shown to express surface proteins that interact with the extracellular matrix (ECM) and to plasminogen (PLG). This study examined the interaction of two putative leptospiral proteins with laminin, collagen Type I, collagen Type IV, cellular fibronectin, plasma fibronectin, PLG, factor H and C4bp. Results We show that two leptospiral proteins encoded by LIC11834 and LIC12253 genes interact with laminin in a dose - dependent and saturable mode, with dissociation equilibrium constants (KD) of 367.5 and 415.4 nM, respectively. These proteins were named Lsa33 and Lsa25 (Leptospiral surface adhesin) for LIC11834 and LIC12253, respectively. Metaperiodate - treated laminin reduced Lsa25 - laminin interaction, suggesting that sugar moieties of this ligand participate in this interaction. The Lsa33 is also PLG - binding receptor, with a KD of 23.53 nM, capable of generating plasmin in the presence of an activator. Although in a weak manner, both proteins interact with C4bp, a regulator of complement classical route. In silico analysis together with proteinase K and immunoflorescence data suggest that these proteins might be surface exposed. Moreover, the recombinant proteins partially inhibited leptospiral adherence to immobilized laminin and PLG. Conclusions We believe that these multifunctional proteins have the potential to participate in the interaction of leptospires to hosts by mediating adhesion and by helping the bacteria to escape the immune system and to overcome tissue barriers. To our knowledge, Lsa33 is the first leptospiral protein described to date with the capability of binding laminin, PLG and C4bp in vitro.

Flagellin:allergen fusion proteins as novel vaccines for the treatment of severe type I allergies

Over the last decades the prevalence of food allergies has continually increased on a world wide scale. While there are effective treatments available for bee and wasp venom allergic patients, there is currently no established therapy for the treatment of severe food allergies. Aim of the project was to genetically fuse different food allergens with the immune modulating Toll-like receptor 5 (TLR5)-ligand flagellin and to test these constructs for their immune modulatory capacities both in vitro and in vivo. Chicken ovalbumin (Ova) as model antigen, Pru p 3, and Ara h 2 the respective major allergens from peach and peanut were used as allergens. The potential vaccine candidates were characterized by protein biochemical methods (purity, folding, endotoxin contaminations). Moreover, their immune modulating effects on cell culture lines (TLR5-receptor activation) and primary mouse immune cells (myeloid and plasmacytoid dendritic cells) were investigated. Additionally, the prophylactic and therapeutic use of the flagellin Ova fusion protein (rflaA:Ova) were investigated in a mouse model of intestinal allergy. In myeloid dendritic cells (mDC) stimulation with the fusion proteins led to a strong cell activation and cytokine secretion. Here, the fusion proteins proved to be a much stronger stimulus than the equimolar amount of both proteins provided alone or as a mixture. Noteworthy, stimulation with rflaA:Ova induced the secretion of the anti-inflammatory cytokine IL-10 from mDC. In co-culture experiments this IL-10 secretion suppressed the Ova-induced secretion of Th1 and Th2 cytokines from Ova-specific CD4 T cells. Using MyD88-deficient mDC this repression of cytokine secretion was shown to be TLR-dependent. Finally, the potency of the rflaA:Ova construct was investigated in a mouse model of Ova-induced intestinal allergy. In a prophylactic vaccination approach rflaA:Ova was shown to prevent the establishment of the intestinal allergy and all associated symptoms (weight loss, temperature drop, soft faeces). This fusion protein-mediated protection was accompanied by a reduced T cell activation, and reduced Th2 cytokines in intestinal homogenates. These effects were paralleled by a strong induction of Ova-specific IgG2a antibodies in rflaA:Ova-vaccinated sera, while Ova-specific IgE antibody production was significantly reduced. Therapeutic vaccination with rflaA:Ova reduced allergic symptoms and T cell activation but did not influence weight loss and antibody production. In all in vivo experiments vaccination with both proteins either provided alone or as a mixture did not have comparable effects. Future experiments aim at elucidating the mechanism and further optimization of the therapeutic vaccination approach. The results presented in this thesis demonstrate, that fusion proteins containing flagellin have strong immune modulatory capacities both in vitro and in vivo. Therefore, such constructs are promising vaccine candidates for the therapy of type I allergies.

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.

Production and immunological analysis of IgE reactive recombinant egg white allergens expressed in Escherichia coli.

IgE-mediated allergy to chicken egg affects a large number of children and adults worldwide. The current management strategy for egg allergy is strict avoidance, however this is impractical due to the presence of eggs in a range of foods and pharmaceutical products including vaccines. Strict avoidance also poses nutritional disadvantages due to high nutritional value of eggs. Allergen specific immunotherapy is being pursued as a curative treatment, in which an allergic individual is gradually exposed to the allergen to induce tolerance. Use of recombinant proteins for immunotherapy has been beneficial due to the purity of the recombinant proteins compared to natural proteins. In this study, we produced IgE reactive recombinant egg white proteins that can be used for future immunotherapy. Using E. coli as an expression system, we successfully produced recombinant versions of Gal d 1, 2 and 3, that were IgE reactive when tested against a pool of egg allergic patients' sera. The IgE reactivity indicates that these recombinant proteins are capable of eliciting an immune response, thus being potential candidates for immunotherapy. We have, for the first time, attempted to produce recombinant versions of all 4 major egg white allergens in E. coli, and successfully produced 3, with only Gal d 4 showing loss of IgE reactivity in the recombinant version. The results suggest that egg allergy in Australian populations may mainly be due to IgE reactivity to Gal d 3 and 4, while Gal d 1 shows higher IgE reactivity. This is the first report of a collective and comparative immunological analysis of all 4 egg white allergens. The significance of this study is the potential use of the IgE reactive recombinant egg white proteins in immunotherapy to treat egg allergic patients.