A combinatorial approach of N-terminus blocking and codon optimization strategies to enhance the soluble expression of recombinant hIL-7 in E. coli fed-batch culture

Abstract

Human interleukin-7 (hIL-7) is a therapeutically important cytokine involved in lymphocyte development and survival. In previous reports, a uniformly poor expression of hIL-7 has been shown in Escherichia coli host with the problem of inclusion body formation. In this study, the role of codon optimization and N-terminus blocking using various solubility enhancer fusion tags was explored to improve its soluble expression. The use of codon optimization strategy improved its expression to 80 ± 5 mg/L at shake flask level. The utilization of pelB leader sequence resulted in an unprocessed protein in the form of cytoplasmic inclusion bodies with lower expression yields. The N-terminus fusion of small ubiquitin-like modifier (SUMO), thioredoxin (Trx), and NusA tags increased the expression in the range of 90-140 mg/L, where >90 % of the fusion protein was obtained in soluble form. The fed-batch fermentation of SUMO-tagged hIL-7 protein was optimized at bioreactor level, where a high volumetric product concentration of 2.65 g/L was achieved by controlling the plasmid segregation instability using high antibiotic concentration. The specific product yield (Y) and volumetric product concentration were 1.38 and 2.55-fold higher compared to batch results, respectively. A preparative scale affinity chromatography resulted in a high recovery yield of 50.6 mg/L with ∼90 % purity. The conformational property of purified recombinant hIL-7 from CD spectroscopy showed a typical helical structure with 31.5 % α-helix and 26.43 % β-sheet. The biological activity of purified protein was tested using IL-7-dependent murine immature B lymphocyte (2E8) cell line by 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyl tetrazolium bromide salt (MTT) assay, where it showed a similar biological activity as standard control.

Comparative Characteristics of Biotechnological Approaches to Obtaining Recombinant Human Cytokines in Bacterial Expressing Systems

“…Для уникнення утворення тілець-включень використовуються такі стратегії, як зниження температури культивування, коекспресія шаперонів, використання слабких або помірних промоторів, використання сигнальних послідовностей для експорту білка. Кожна з них частково покращує розчинність білка [19].…”

“…Періодична ферментація з підживленням для експресії hIL-7 із SUMO-міткою була оп-тимізована на рівні біореактора, де висока об'ємна концентрація продукту -2,65 г/лбула досягнута завдяки контролю нестабільності плазміди з використанням високої концентрації антибіотика. Питомий вихід продукту та об'ємна концентрація були в 1,38 та 2,55 разу вищі порівняно з результатами, що досягались при культивуванні без підживлення, відповідно [19].…”

“…Також суттєвим недоліком E. coli є можливість забруднення продукту пірогенними компонентами, що є проблемою для клінічного використання [19]. Зовнішня мембрана E. coli містить імуностимулювальні молекули ліпополісахариду (LPS), яких на одну клітину припадає близько 210 6 молекул, що становить 30 % від загальної маси зовнішньої мембрани [26].…”

“…Дезамінування амінокислотних субстратів, яке відбувається при використанні пептонів або дріжджового екстракту, може викликати підвищення рН унаслідок виділення в середовище аміаку [30]. Використання мінімальних середовищ дає змогу вирішити ці проблеми і досягти вищого рівня синтезу [19].…”

“…Розчин для підживлення містить 50 %-ний розчин глюкози з додаванням 20 г/л MgSO4•7Н2О, слідові кількості металів, індуктор синтезу. Концентрацію глюкози після індукції підтримують на рівні 1-5 г/л [19].…”