KR100211288B1 - Do-stat cultivation method for the mass production of gsf - Google Patents

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Abstract

본 발명은 G-CSF(granulocyte colony stimulating factor) 대량생산을 위한 DO-stat 유가식 배양방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 살모넬라 균주의 L-아라비노즈(arabinose)오페론을 이용한 유도성의 G-CSF 발현벡터를 포함하는 재조합 대장균을 초기 배양배지에서 회분식으로 배양하다가, 용존산소의 양이 급격히 증가할 때부터 유가배지에서 배양하면서, 동시에 유가배양 시작시점에서 L-아라비노즈를 첨가하는 공정을 포함하는 G-CSF 대량생산을 위한 DO-stat 유가식 배양방법에 관한 것이다. 본 발명의 DO-stat 유가식 발효방법에 의하면, 탄소원이 고농도로 존재하는 회분발효 구간에서는 글리세롤을 탄소원으로 이용하여, 아라비노즈 오페론의 억제효과와 아세트산의 축적을 감소시키고, 용존산소의 양을 지표로 하는 유가배양 구간에서는 탄소원으로서 값싸고 이용 효율이 우수한 포도당을 발현억제 최소농도 이하로 유지시켜 G-CSF의 발현 저해 문제를 저해 문제를 해결하였으며, 또한 유가배양 시작시점에서 L-아라비노즈를 첨가하여 세포의 성장, 플라스미즈의 안정성 및 G-CSF의 발현량을 높은 수준에서 안정적으로 유지시키므로, 저렴한 생산비용으로 G-CSF를 대량 생산하게 된다.The present invention relates to a DO-stat fed-batch culture method for mass production of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF). More specifically, the present invention is a batch culture of recombinant E. coli containing an inducible G-CSF expression vector using L-arabinose operon of Salmonella strains in an initial culture medium, the amount of dissolved oxygen rapidly increases The present invention relates to a DO-stat fed-batch cultivation method for mass production of G-CSF, including the step of culturing in a fed medium and adding L-arabinose at the beginning of the fed culture. According to the DO-stat fed-batch fermentation method of the present invention, in the batch fermentation section in which carbon source is present at high concentration, glycerol is used as the carbon source to reduce the inhibitory effect of arabinose operon and the accumulation of acetic acid, and to measure the amount of dissolved oxygen. In the oil-cultivation section, the problem of inhibiting G-CSF expression inhibition was solved by maintaining the low-cost, high-efficiency glucose as the carbon source below the expression inhibition minimum concentration, and adding L-arabinose at the beginning of the oil-cultivation. Thus, the growth of cells, stability of plasmid and expression level of G-CSF are stably maintained at a high level, thereby mass-producing G-CSF at low production cost.

Description

과립구 콜로니 자극인자의 대량생산을 위한 DO-stat 유가식 배양방법DO-stat fed-batch culture method for mass production of granulocyte colony stimulating factor

본 발명은 과립구 콜로니 자극인자(granulocyte colony stimulating factor : G-CSF)의 대량생산을 위한 DO(dissolved oxygen)-stat 유가식 배양방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 살모넬라 균주의 L-아라비노즈(arabinose)오페론을 이용한 유도성의 G-CSF 발현벡털를 포함하는 재조합 대장균을, 포도당 이외의 탄소원을 포함하는 초기 배양배지에서 회분식으로 배양하다가, 용존산소의 양이 급격히 증가할 때부터 유가배지에서 배양하면서, 세포의 성장, 플라스미즈의 안정성 및 G-CSF의 발현량을 고려하여 선정된 최적의 발현 유도시기인 유가배양 시작시점에서 L-아리비노즈를 첨가하는 공정을 포함하는, G-CSF 대량생산을 위한 DO-stat 유가식 배양방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dissolved oxygen (DO) -stat fed-batch culture method for mass production of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF). More specifically, the present invention is to culture the recombinant Escherichia coli containing an inducible G-CSF expression vector using L-arabinose operon of Salmonella strain, in a batch culture in an initial culture medium containing a carbon source other than glucose , L- cultivation at the start of milk culture, which is the optimal expression induction period selected in consideration of cell growth, plasmid stability, and G-CSF expression level, while cultivating in fed medium from the rapid increase of dissolved oxygen. It relates to a DO-stat fed-batch culture method for mass production of G-CSF, including the process of adding aribinose.

일반적으로, 재조합 대장균에 의한 재조합 단백질의 생산시, 해당 프로모터 및 발현 단백질의 특성에 따라 세포의 성장과 단위 세포당 발현량이 영향을 받게 된다. 강력한 프로모터에 의하여 단백질의 발현이 조절되는 시스템의 경우, 재조합 단백질의 발현속도가 빠르게 되면 숙주 세포의 에너지 대사 균형에 영향을 주어 세포의 성장을 저해할 수 있고, 특히 발현 단백질이 숙주 세포에 직접 악영향을 끼치는 경우에는 세포 성장의 더욱 저해된다.In general, in the production of recombinant protein by recombinant E. coli, the growth of cells and the amount of expression per unit cell are affected by the properties of the promoter and the expression protein. In systems where the expression of proteins is controlled by a strong promoter, the rapid expression of recombinant proteins may affect the balance of energy metabolism of the host cells and inhibit cell growth. In particular, the expression proteins directly affect host cells. In this case, cell growth is further inhibited.

또한, 재조합 단백질의 생산에 있어서, 강력한 프로모터에 의한 단백질의 과다 발현은 많은 경우에 플라즈미드의 안정성을 저하시킨다. 즉, 단백질의 유도 직후, 플라즈미드의 급격한 감소 현상이 나타나고, 이러한 현상과 더불어 재조합 단백질의 발현 속도로 감소되는 것으로 보고되고 있다(참조: Park, S. H. et al., Biotechnol. and Bioeng., 36:493(1990)).In addition, in the production of recombinant proteins, overexpression of the protein by a strong promoter in many cases lowers the stability of the plasmid. That is, immediately after the induction of the protein, a sharp decrease in plasmid occurs, and it is reported to decrease with the expression rate of the recombinant protein (Park, SH et al., Biotechnol. And Bioeng., 36: 493). (1990)).

강력한 유도성 프로모터에 의한 단백질의 발현은 상기한 원인들로 인하여 숙주 세포 자체에 큰 부담으로 작용하게 되는 바, 이러한 부담을 최소화시킬 수록 재조합 단백질의 대량생산이 달성된다. 상술한 조건을 고려한 최적의 발현 시기는 동일한 발현 벡터와 동일한 숙주세포를 사용하더라도, 발현되는 단백질의 특성에 따라 그 시기가 다를 수가 있으며, 발현 시기가 세포성장 및 발현에 미치는 영향의 경중에 있어서도 다를 수 있다.The expression of the protein by the strong inducible promoter causes a large burden on the host cell itself due to the above-mentioned causes. The minimization of the burden results in mass production of the recombinant protein. Even when the same expression vector and the same host cell are used in consideration of the conditions described above, the timing may vary depending on the characteristics of the expressed protein, and the timing of expression may vary depending on the effect of cell growth and expression. Can be.

이러한 시스템에서 재조합 단백질을 대량생산하기 위해서는 발효공정의 최적화를 통하여 상기 저해효과들을 최소화할 수 있고, 원하는 재조합 단백질의 생산성을 향상 시킬 수 있다.In order to mass produce recombinant proteins in such a system, the inhibitory effects can be minimized through optimization of the fermentation process, and the productivity of the desired recombinant protein can be improved.

한편, 인간 과립구 콜로니 자극인자(granulocyte colony stimulating factor:G-CSF)는 호중구 전구세포의 증식 및 분화를 촉진시켜 호중구 방출을 증가시키며, 또한 성숙한 호중구를 활성화시켜 탐식작용, 항체의존 세포살해작용, 슈퍼옥사이드(superoxide)생성, 화학주성인자(chemotactic factor)에 대한 반응을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 아울러, G-CSF는 화학 항암요법시 부작용으로 나타나는 호중구 결핍증을 개선하는 약물로 개발되어 전세계적으로 큰 시장을 형성하고 있다.Meanwhile, human granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) promotes the proliferation and differentiation of neutrophil progenitor cells to increase neutrophil release, and also activates mature neutrophils to activate phagocytosis, antibody-dependent cell killing, and super It is known to increase the formation of oxides (superoxide), the response to chemotactic factors (chemotactic factor). In addition, G-CSF has been developed as a drug to improve the neutrophil deficiency that is a side effect of chemotherapy, forming a large market worldwide.

이와 같이 중요한 G-CSF를 대량생산하기 위하여, 본 발면자들은 이미 L-아라비노즈 오페론을 이용한 유도성의 G-CSF 발현벡터 pGW2를 제조하고, 그를 대장균에 도입하여 형질전환체 대장균 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)를 제조하였다(참조: 동일자 출원하는 『과립구 콜로니 자극인자를 발현하는 재조합 미생물 및 그로부터 전기 재조합 단백질의 제조방법』). 그러나, 전기 형질전환체의 회분배양으로는 만족할 만한 수준의 제조합 G-CSF를 생산할 수 없었다.In order to mass-produce such important G-CSF, the present inventors have already prepared an inducible G-CSF expression vector pGW2 using L-arabinose operon and introduced it into Escherichia coli, transforming E. coli MC1061: pWAGF (KFCC). -10961) (see Recombinant Microorganism Expressing Granulocyte Colony Stimulating Factor and Method for Producing Electron Recombinant Protein therefrom). However, batch culture of the electrical transformants did not produce satisfactory levels of presynthetic G-CSF.

이에, 본 발명자들은 발효공정의 최적화를 통하여 G-CSF를 생산성을 향상시키고자 예의 연구노력한 결과, 재조합 대장균 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)를, 포도당 이외의 탄소원을 포함하는 신규의 초기 배양배지에서 배양하다가, 영양 성분이 고갈되어 용존 산소의 양이 급격히 증가할 때부터, 신규의 유가배지에서 DO-stat 유가식으로 배양하면서, 동시에 L-아라비노즈를 첨가하여 단백질 발현을 유도시키면, 세포 성장, 플라스미즈의 안정성 및 재조합 G-CSF의 발현량이 높은 수준에서 안정적으로 유지됨을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have made intensive studies to improve the productivity of G-CSF through optimization of the fermentation process. As a result, the recombinant E. coli MC1061: pWAGF (KFCC-10961) was added to a new initial culture medium containing a carbon source other than glucose. When nutrients are depleted and the amount of dissolved oxygen rapidly increases, cultivating DO-stat in a new fed medium, and simultaneously adding L-arabinose to induce protein expression leads to cell growth, It was confirmed that the stability of the plasmid and the expression level of recombinant G-CSF remained stable at a high level, thereby completing the present invention.

결국, 본 발명의 목적은 G-CSF 대량생산을 위한 DO-stat 유가식 배양방식을 제공하는 것이다.After all, it is an object of the present invention to provide a DO-stat fed-batch culture for mass production of G-CSF.

제1도는 전형적인 DO-stat 유가배양의 발효양상을 나타내를 그래프이다.1 is a graph showing the fermentation pattern of a typical DO-stat fed-batch culture.

제2도는 DO-stat 고농도 유가식 배양에서 과립구 콜로니 자극인자(G-CSF) 단백질 유도시기에 따른 세포 성장 및 플라즈미드의 안정성을 발효시간에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing cell growth and plasmid stability according to fermentation time according to granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) protein induction in DO-stat high fed-batch culture.

제3도는 DO-stat 고농도 유가식 배양에서 G-CSF 단백질 유도시기에 따른 G-CSF 단백질 발현 양상을 발효시간에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the expression of G-CSF protein according to the fermentation time according to the G-CSF protein induction time in DO-stat high fed-batch culture.

제4도는 포도당 또는 글리세롤을 탄소원으로 하여 DO-stat 유가배양 하였을 때의 세포 농도와 플라즈미드 안정성을 발효시간에 따라 나타내는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing cell concentration and plasmid stability when DO-stat is fed with a glucose or glycerol as a carbon source according to fermentation time.

제5도는 포도당 또는 글리세롤을 탄소원으로 하여 DO-stat 유가배양 하였을때 발현된 G-CSF 와 배양액 중의 잔존 글리세롤과 포도당의 농도를 발효시간에 따라 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the concentrations of G-CSF and glucose remaining in the culture medium and the concentration of glycerol and glucose in the culture medium when DO-stat was fed with glucose or glycerol as a carbon source according to fermentation time.

이하, 본 발명의 보다 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

살모넬라 균주의 L-아리비노즈 오페론을 이용한 유도성의 G-CSF 발현벡터를 포함하는 재조합 대장균(KFCC-10961)으로부터 G-CSF를 대량생산하기 위하여, 포도당 이외의 탄소원을 포함하는 초기 배양배지, 가장 바람직하게는 효모엑기스 40g/L, 탄소원 40g/L, Na2HPO410.22g/L, KH2PO42.31g/L 및 앰피실린 0.07g/L로 구성된 배지에서 회분식으로 재조합 대장균을 배양하다가, 영양성분이 고갈되어 용존산송의 양이 급격히 증가할 때부터, 유가배지(효모엑기스 292g/L, 탄소원 400g/L, 무수 황산마그네슘 5.76g/L로 구성된 배지)를 첨가하는 DO-stat 유가식 배양범을 사용한다. 이때, 초기 배지의 탄소원은 글리세롤이 가장 바람직하고, 유가배지의 탄소원은 포도당이 가장 바람직하다.Initial culture medium containing carbon source other than glucose for mass production of G-CSF from recombinant E. coli (KFCC-10961) containing inducible G-CSF expression vector using L-Aribinose operon of Salmonella strain Preferably, the recombinant Escherichia coli is cultured in a batch in a medium consisting of yeast extract 40g / L, carbon source 40g / L, Na 2 HPO 4 10.22g / L, KH 2 PO 4 2.31g / L and ampicillin 0.07g / L, DO-stat fed-batch cultivation with added oil medium (media consisting of yeast extract 292g / L, carbon source 400g / L, anhydrous magnesium sulfate 5.76g / L) from depletion of nutrients Use the bum. In this case, the carbon source of the initial medium is most preferably glycerol, and the carbon source of the fed medium is most preferably glucose.

DO-stat 유가식 배양법은 용존 산소량을 발효조내 영양성분의 고갈정도의 지표로 삼아, 용존 산소량이 일정 수준 이상 증가하면 영양성분을 보충하여 주고, 이후 보충된 영양성분의 소비와 함께 감소된 용존 산소량이 영양성분의 고갈로 인해 다시 증가하면, 영양성분을 또 다시 보충하여 주는 유가법을 의미한다. 이와 같이 용존 산소량을 영양성분의 고갈 지표로 할 수 있는 대장균이 호기적 조건에서 탄소원으로 대표되는 영양성분을 산화시키고 저분자 물질로 분해하여 그를 이용하는데, 이러한 탄소원의 해당작용에 있어서 전자 수용체로서 용존산소를 이용하기 때문이다. 즉, 산소의 소비속도는 배지내 영양성분의 소비속도와 비례하게 되고, 영양성분의 고갈은 산소 소비속도의 감소를 초래하여 용존 산소량이 급격히 증가하게 된다.DO-stat fed-batch cultivation uses dissolved oxygen as an indicator of depletion of nutrients in fermenter, and supplements nutrients when dissolved oxygen increases above a certain level, and then reduces dissolved oxygen with consumption of supplemented nutrients. If it increases again due to the depletion of the nutritional component, it means the oil price method to replenish the nutritional component again. In this way, E. coli, which can use the dissolved oxygen as an indicator of nutrient depletion, oxidizes the nutrient represented by the carbon source under aerobic conditions and decomposes it into a low-molecular substance, which is used as an electron acceptor in the corresponding action of the carbon source. This is because it uses. That is, the rate of oxygen consumption is proportional to the rate of consumption of nutrients in the medium, and depletion of nutrients causes a decrease in the rate of oxygen consumption, leading to a rapid increase in the amount of dissolved oxygen.

본 발명에서는 배양액중 용존 산소량을 측정하여 용존산소가 50

Figure kpo00002
포환 이상일 때 유가배지를 주입하고, 50
Figure kpo00003
이하로 떨어질 때 배지 주입을 중단하는 DO-stat 유가법을 실시한다.In the present invention, dissolved oxygen is measured by measuring the amount of dissolved oxygen in the culture medium.
Figure kpo00002
When the shot is over, inject the oil medium, 50
Figure kpo00003
DO-stat feeding is performed to stop media injection when it falls below.

상술한 재조합 대장균(KFCC-10961)의 DO-stat 유가식 배양식에, 세포 성장, 플라스미즈의 안정성 및 재조합 G-CSF의 발현량 모두가 높은 수준에서 안정적으로 유지 될 수 있는 단백질 발현 유도시기를 결정하는 것이 중요하므로, 회분발효의 대수적 성장시점, DO-stat 유가배양의 시작점 및 유가배양의 완료시점으로 구분하여 L-아라비노즈를 첨가하여 발현을 유도한 다음, 세포 농도, 플라스미즈의 안정성 및 재조합 G-CSF의 발현량을 측정하였다. 그 결과, 최적의 유도시기는 DO-stat 유가배양의 시작점인 것으로 나타났다.In the DO-stat fed-batch culture of the recombinant Escherichia coli (KFCC-10961) described above, the timing of induction of protein expression in which cell growth, stability of plasmid and expression level of recombinant G-CSF can all be stably maintained Since it is important to determine, the L-arabinose was added to induce the expression after the logarithmic growth of batch fermentation, the start of DO-stat fed-batch culture and the completion of the fed-batch culture, and then the cell concentration, stability of plasmid and The expression level of recombinant G-CSF was measured. As a result, the optimal induction period was found to be the starting point for DO-stat oil price culture.

한편, L-아라비노즈 오페론은 오탄당인 아라비노즈의 대상에 관련된 유전자로서, 포도당이 일정 농도 이상으로 존재할 때에는 강력한 억제(catabolite repression)를 받는다. 그런데, 미생물의 고농도 배양은 반드시 많은 양의 탄소원을 필요로 하고, 현재까지 미생물의 고농도 배양에 가장 많이 사용되는 탄소원은 포도당 또는 글리세롤이다. 탄소원으로서 가장 광범위하게 사용되는 포도당은 대장균의 성장속도나 수율 면에서 가장 우수한 탄소원으로 알려져 있으나, 배지 중에 높은 농도로 존재하는 경우, 상술한 바와 같이 아라비노즈 오페론을 강력히 저해하는 양상을 나타내며, 또한 부산물로서 아세트산을 많이 생산하여 단백질의 생산 수율을 저하시키는 결과를 초래한다. 이러한 점을 고려하여 아라비노즈 오페론을 사용하는 본 발명의 경우 고농도의 포도당이 존재하는 회분발효의 구간에서는 글리세롤을 탄소원으로서 사용한다. 그러나, 글리세롤은 아라비노즈 오페론을 저해(repression)하지 않으며 포도당에 비해 세포대사의 부산물인 아세트산을 적게 생산한다는 장점을 가지나, 세포의 성장속도가 감소되고 가격이 비싸다는 단점이 있다.On the other hand, L-arabinose operon is a gene related to the target of arabinose, an octane sugar, and when glucose is present at a certain concentration or more, it receives strong suppression (catabolite repression). By the way, high concentration culture of microorganisms necessarily require a large amount of carbon source, and to date, the most commonly used carbon source for high concentration culture of microorganisms is glucose or glycerol. Glucose, the most widely used carbon source, is known to be the best carbon source in terms of growth rate and yield of E. coli, but when present in a high concentration in the medium, it exhibits a strong inhibition of arabinose operon as described above, and also a by-product. As a result, a large amount of acetic acid is produced, resulting in a decrease in the yield of protein. In view of this point, in the case of the present invention using arabinose operon, glycerol is used as a carbon source in a batch fermentation section in which high concentration of glucose is present. However, glycerol does not inhibit arabinose operon and produces less acetic acid, a byproduct of cell metabolism, compared to glucose, but has a disadvantage in that the growth rate of cells and the price are high.

본 발명에서 사용하고 있는 유가배양 방식인 DO-stat는 발효조내의 탄소원이 고갈되는 것을 용존산송의 증가량으로 인식하여 유가배양을 실시하는 방법으로, 탄소원의 축적을 막아 포도당의 전술한 발현억제 작용을 극복할 수 있고, 동시에 탄소원의 축적으로 인해 유발되는 아세트산과 같은 부산물의 축적을 막을 수 있다.DO-stat, the oil value culture method used in the present invention, recognizes the depletion of the carbon source in the fermentation tank as an increased amount of dissolved acid pine, and carries out the oil value culture, which prevents the accumulation of carbon sources and overcomes the above-described expression inhibition of glucose. And at the same time prevent the accumulation of by-products such as acetic acid caused by the accumulation of carbon sources.

이러한 배경하에서, 본 발명에서는 탄소원이 고농도로 존재하는 회분발효 구간에서는 글리세롤을 탄소원으로 이용하여, 아라비노즈 오페론의 억제효과와 아세트산의 축적을 감소시키고, 유가배양 구간에서는 탄소원으로서 값싸고 이용 효율이 우수한 포도당을 발현억제 최소농도 이하, 바람직하게는 0.5g/L 이하로 유지시켜, 글리세롤을 탄소원으로 하였을 때와 비교하여, 발현 억제현상없이 G-CSF를 대량 생산하게 되었다.Under this background, in the present invention, glycerol is used as a carbon source in a batch fermentation section in which carbon sources are present in high concentrations, thereby reducing the inhibitory effect of arabinose operon and accumulation of acetic acid, and inexpensive and excellent in utilization efficiency as a carbon source. Glucose was maintained at or below the expression suppression minimum concentration, preferably 0.5 g / L or less, thereby producing a large amount of G-CSF without expression inhibition compared to when glycerol was used as the carbon source.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하는 것으로, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only to specifically describe the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.

[실시예 1]Example 1

[G-CSF 생산을 위한 DO-stat 유가식 배양][DO-stat Fed-Batch Culture for G-CSF Production]

G-CSF 발현균주를 DO-stat 유가식으로 배양하기 위하여, 우선 냉동고(-70

Figure kpo00004
)에서 25
Figure kpo00005
글리세롤에 보관된 G-CSF 발현균주인 재조합 대장균 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)(참조: 동일자 출원하는 『과립구 콜로니 자극인자를 발현하는 재조합 미생물 및 그로부터 전기 재조합 단백질의 제조방법』)를 30
Figure kpo00006
진탄 배양기에서 150 rpm으로 15시간 배양한 다음, 하기 표1의 조성으로 이루어진 초기배지에 최종 5
Figure kpo00007
(v/v)의 농도가 되도록, 초기 배양부피 1L인 발효조 Biofio Ⅲ(New Brunseick Sci. Co. Ltd., USA)에 무균적으로 접종하였다.In order to cultivate the G-CSF expressing strain in a DO-stat fed-batch, first, freezer (-70)
Figure kpo00004
25 from
Figure kpo00005
Recombinant Escherichia coli MC1061: pWAGF (KFCC-10961) (cf., `` Recombinant microorganism expressing granulocyte colony stimulating factor and method for producing an electric recombinant protein therefrom '', which is a G-CSF expressing strain stored in glycerol)
Figure kpo00006
After incubation at 150 rpm in a shaker incubator for 15 hours, the final 5
Figure kpo00007
Inoculated aseptically into the fermenter Biofio III (New Brunseick Sci. Co. Ltd., USA), which is 1 L of the initial culture volume, to have a concentration of (v / v).

초기 운전 고건은 중성 pH, 온도 37

Figure kpo00008
, 교반속도 600rpm, 통기량 1.0vvm으로 하였고, 이후 용존 산소량을 최소 포화 대비 10
Figure kpo00009
이상으로 유지시켜 주기 위하여 초기 배지성분이 고갈될 때까지 지속적으로 교반 속도를 증가시켰다. 이때, 배양기 내의 pH는 15
Figure kpo00010
(v/v) 인산과 10
Figure kpo00011
(v/v) 수산화 암모늄을 사용하여 중성으로 유지시켰다.Initial operating conditions are neutral pH, temperature 37
Figure kpo00008
, Stirring speed 600rpm, aeration rate 1.0vvm and then dissolved oxygen amount to 10
Figure kpo00009
In order to maintain the above, the stirring speed was continuously increased until the initial medium component was depleted. At this time, the pH in the incubator is 15
Figure kpo00010
(v / v) phosphoric acid and 10
Figure kpo00011
(v / v) Ammonium hydroxide was used to keep neutral.

초기 배양배지에서 회분식으로 재조합 대장균을 배양하다가, 영양성분이 모두 고갈되어 용존산소의 양이 급격히 증가할 때부터 하기 표1의 유가배지를 첨가하여, DO-stat 유가식으로 배양하였다. 즉, 배양액 중 용존산소가 50

Figure kpo00012
포화 이상일 때 유가 배지를 주입하고, 50
Figure kpo00013
이하로 떨어질 때 배지 주입을 중단하는 DO-stat 유가법을 자동으로 조절하여 배양이 끝날 때까지 반복하였다. 제1도는 DO-stat 유가법을 이용하는 경우의 전형적인 발효양상을 나타낸다.After culturing the recombinant E. coli in a batch culture in the initial culture medium, the nutrient components are all depleted and the dissolved oxygen is rapidly increased, and the fed medium of the following Table 1 is added, and cultured by DO-stat fed-batch. That is, the dissolved oxygen in the culture medium is 50
Figure kpo00012
Infuse the feeding medium when above saturation, 50
Figure kpo00013
DO-stat feeding method to stop the medium injection when falling below was automatically adjusted until the end of the culture. Figure 1 shows the typical fermentation pattern when using the DO-stat feeding method.

Figure kpo00014
Figure kpo00014

[실시예 2]Example 2

[G-CSF 단백질 발현의 유도][Induction of G-CSF Protein Expression]

DO-stat 유가식 배양과정 중 어느 시점에서의 발현유도가 세포 농도, 플라즈미드의 안정성 및 G-CSF 발현량을 최대화할 수 있는지 알아보기 위하여, DO-stat 유가식 배양과정 중의 대수적 성장시점, 유가배양의 시작점, 유가배양이 시작된지 약 4시간 및 8시간 경과된 시점에서, 최종 L-아라비노즈의 농도가 1

Figure kpo00015
(w/v) 되도록 무균적으로, 발효조에 각각 첨가하여 G-CSF 발현을 유도하였다. 이후 일정한 시간 간격으로 발효 시료를 채취하여, 세포 농도, 플라즈미드의 안정성 및 G-CSF 발현량을 각각 조사하였다.To find out whether expression induction at DO-stat fed-batch culture maximizes cell concentration, plasmid stability, and G-CSF expression, logarithmic growth point and fed-batch culture during DO-stat fed-batch culture At the beginning of the run, about 4 hours and 8 hours after the start of the oil price, the final concentration of L-arabinose is 1
Figure kpo00015
(w / v) Aseptically, each was added to the fermenter to induce G-CSF expression. Thereafter, fermentation samples were taken at regular time intervals, and cell concentration, plasmid stability, and G-CSF expression levels were examined.

상기에서, 세포의 농도는 채취한 시료를 10배씩 순차적으로 희석한 다음, 분광광도계(LKB, Ultrospec Ⅱ, USA)를 이용하여 600㎚ 파장에서의 흡광도를 측정함으로써 결정하였다.In the above, the concentration of the cells was determined by sequentially diluting the collected sample 10 times, and then measuring the absorbance at 600 nm wavelength using a spectrophotometer (LKB, Ultrospec II, USA).

또한, G-CSF의 발현량은 각각의 농도를 알고 있는 5개의 정제된 G-CSF의 표준물질과 함께, 채치한 시료를 SDS-PAGE한 다음, 염색하여 레이저 스캐너(laser scanner)로 탐지하고, 이미지 분석기(image analyzer)를 사용하여 시료의 염색된 부분의 피크 면적을 표준물질의 피크 면적을 이용하여 만든 정량곡선과 비교하는 방법으로 구하였다.In addition, the expression level of G-CSF, together with five purified G-CSF standards of known concentration, SDS-PAGE of the sampled sample, and then stained and detected by a laser scanner, An image analyzer was used to obtain the peak area of the stained portion of the sample by comparing the quantitative curve created using the peak area of the standard material.

플라즈미드의 안정성은 채취한 시료를 10배씩 순차적으로 희석하고, LB 플레이트에 도말·배양하여 단일 콜로니를 형성시킨 다음, 이를 100㎍/㎖ 농도의 앰피실린(ampicillin)이 함유된 LB 플레이트에 옮겨 배양하고, 이중 앰피실린 저항성을 나타내는 콜로니의 비율로 나타내었다.The stability of the plasmid was diluted 10 times by successively the sample collected, smeared and cultured in LB plate to form a single colony, and then transferred to an LB plate containing ampicillin at a concentration of 100 µg / ml and cultured. , The percentage of colonies showing double ampicillin resistance.

제2도는 G-CSF 단백질 유도시기에 따른 세포 성장 및 플라즈미드의 안정성을 발효시간에 따라 나타낸 그래프이고, 제3도는 G-CSF 단백질 유도시기에 따른 G-CSF 단백질 발현 양상을 발효시간에 따른 나타낸 그래프이다. 제2도 및 제3도에서, 유도시기 1은 DO-stat 유가식 배양과정 중의 대수적 성장시점에서 L-아라비노즈를 첨가한 경우를 나타내고, 유도시기 2는 유가배양의 시작점에서 L-아라비노즈를 첨가한 경우를 나타내며, 유도시기 3은 유가배양이 시작된지 약 4시간 경과된 시점에서 L-아라비노즈를 첨가한 경우를 나타내고, 유도시기 4는 유가배양이 시작된지 약 8시간 경과된 시점에서 L-아라비노즈를 첨가한 경우를 나타낸다.FIG. 2 is a graph showing cell growth and plasmid stability according to G-CSF protein induction time according to fermentation time. FIG. 3 is a graph showing G-CSF protein expression pattern according to G-CSF protein induction time according to fermentation time. to be. In FIGS. 2 and 3, induction phase 1 represents the case of L-arabinose addition at the logarithmic growth point during DO-stat fed-batch cultivation process, and induction phase 2 represents L-arabinose at the beginning of the incubation. Induction phase 3 represents the case where L-arabinose was added about 4 hours after the start of oil price culture, and induction period 4 indicates L when about 8 hours after the start of oil price culture. The case where arabinose is added is shown.

제2도 및 제3도에서 보듯이, 초기 배지에서의 대수적 성장시점에서 발현을 유도하였을 때, G-CSF의 발현량은 발효가 진행됨에 따라 높게 유지되나, 플라즈미드의 안정성은 발효 후반부에 급격히 저하되는 것을 알 수 있었고; 이와 반대로 DO-stat 유가배양 후반부에서(유가배영이 시작된지 약 4시간과 8시간 경과된 시점에서)단백질 발현을 유도하였을 때, G-CSF는 제대로 발현되지 않음을 알 수 있었으며; 유가배양의 시작시점에서 단백질 발현을 유도하였을 때, G-CSF의 발현량도 높게 유지될 뿐만 아니라, 플라즈미드의 안정성도 발효 후반부까지 높은 수준으로 유지됨을 알 수 있었다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, when expression is induced at the logarithmic growth point in the initial medium, the expression level of G-CSF remains high as the fermentation progresses, but the stability of the plasmid is sharply lowered later in the fermentation. Could be found; In contrast, G-CSF was not well expressed when protein expression was induced in the latter part of DO-stat feeding (at about 4 and 8 hours after the start of feeding). When protein expression was induced at the beginning of fed-batch culture, not only the expression level of G-CSF was maintained high but also the stability of plasmid was maintained at a high level until the latter part of fermentation.

따라서, 세포 농도, 플라즈미드의 안정성 및 G-CSF 발현량의 최대화를 위한 최적의 단백질 발현 유도시기는 회분 배양이 끝나고 유가 배양이 시작되는 시점임을 알 수 있었다.Therefore, the optimal protein expression induction time for maximizing cell concentration, plasmid stability, and G-CSF expression amount was found to be the point at which the batch culture and the fed-batch culture begin.

[실시예 3]Example 3

[포도당을 탄소원으로 하는 DO-stat 유가식 배양에 의한 G-CSF 생산][Production of G-CSF by DO-stat Fed-Batch Culture Using Glucose as Carbon Source]

탄소원으로서의 포도당은 대장균의 성장속도나 수율 면에서는 우수하나, 일정 농도 이상의 고농도로 존재하는 경우, 아라비노즈 오페론을 강력히 저해할 뿐만 아니라, 부산물인 아세트산을 많이 생산하여 단백질의 생산 수율을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 보고를 기초로, 본 실시에서는 고농도의 포도당이 존재하는 회분발효의 구간에서는 글리세롤을 탄소원으로 사용하였고, 또한 DO-stat 유가식 배양에서는 탄소원의 축적 및 이로 인해 유발되는 아세트산과 같은 부산물의 축적을 막을 수 있으므로, 유가식 발효 구간에서는 값싸고 이용효율이 우수한 포도당을 탄소원으로 이용하였다. 이때, 배양액 중의 포도당 농도는 0.5g/L 이하로 유지시켰다. DO-stat 유가식 발효 구간에서 탄소원으로 포도당을 사용한 경우의 결과를 글리세롤을 사용한 경우와 비교하였다.Glucose as a carbon source is excellent in terms of growth rate and yield of Escherichia coli, but when present in high concentrations above a certain concentration, it not only strongly inhibits arabinose operon, but also produces a lot of by-product acetic acid, which decreases the yield of protein. have. Based on these reports, in this practice, glycerol was used as the carbon source in the batch fermentation section in which high concentration of glucose was present, and in the DO-stat fed-batch culture, the accumulation of carbon source and the by-products such as acetic acid caused by In the fed-batch fermentation section, glucose was used as a carbon source because it could be prevented. At this time, the glucose concentration in the culture was maintained at 0.5g / L or less. The results of using glucose as a carbon source in the DO-stat fed-batch fermentation section were compared with those of glycerol.

제4도는 포도당 또는 글리세롤을 탄소원으로 하여 DO-stat 유가식 배양하였을 때의 세포 농도와 플라즈미드 안정성을 발효시간에 따라 나타낸 그래프이고, 제5도는 포도당 또는 글리세롤을 탄소원으로 하여 DO-stat 유가식 배양하였을 때 발현된 G-CSF와 배양액 중의 잔존 글리세롤과 포도당의 농도를 발효시간에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the cell concentration and plasmid stability of the DO-stat fed-batch culture using glucose or glycerol as a carbon source according to the fermentation time. FIG. 5 is a DO-stat fed-batch culture using glucose or glycerol as a carbon source. It is a graph showing the concentration of glycerol and glucose remaining in the G-CSF and the culture medium at the time of fermentation.

제4도 및 제5도에서 보듯이, 포도당을 이용한 유가배양시의 세포 농도, 플라즈미디의 안정성 및 G-CSF 발현량은 글리세롤을 탄소원으로 하였을 때와 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 따라서, 포도당은 본 발명의 DO-stat 유가식 배양에서 값비싼 글리세롤에 견줄만한 우수한 탄소원으로 이용될 수 있음을 확인하였다 .As shown in FIGS. 4 and 5, it was found that the cell concentration, the stability of plasmid and the expression level of G-CSF were not significantly different from those of glycerol as a carbon source. Therefore, it was confirmed that glucose can be used as an excellent carbon source comparable to expensive glycerol in the DO-stat fed-batch culture of the present invention.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 DO-stat 유가식 발효방법에 의하면, 탄소원이 고농도로 존재하는 회분발효 구간에서는 글리세롤을 탄소원으로 이용하여, 아라비노즈 오페론의 억제효과와 아세트산의 축적을 감소시키고, 용존산소의 양을 지표로 하는 유가배양 구간에서는 탄소원으로서 값싸고 이용 효율이 우수한 포도당을 발현억제 최소농도 이하로 유지시켜 G-CSF의 발현 저해 문제를 해결하였으며, 또한 유가배양 시작시점에서 L-아라비노즈를 첨가하여 세포의 성장, 플라스미즈의 안정성 및 G-CSF의 발현량을 높은 수준에서 안정적으로 유지시키므로, 저렴한 생산비용으로 G-CSF를 대량 생산하게 된다.As described and demonstrated in detail above, according to the DO-stat fed-batch fermentation method of the present invention, in the batch fermentation section in which carbon sources are present at high concentration, glycerol is used as the carbon source to reduce the inhibitory effect of arabinose operon and accumulation of acetic acid. In the oil price cultivation section using the amount of dissolved oxygen as an indicator, G-CSF expression inhibition was prevented by maintaining the low-cost, high-efficiency glucose as a carbon source below the minimum expression inhibition level. -Arabinose is added to maintain cell growth, plasmid stability, and G-CSF expression level stably at a high level, thereby mass-producing G-CSF at low production cost.

Claims (8)

L-아라비노즈(arabinose)오페론을 이용한 유도성의 G-CSF 발현벡터를 포함하는 재조합 대장균을, 포도당 이외의 탄소원을 포함하는 초기 배양배지에서 회분식으로 배양하다가, 용존산소의 양이 급격히 증가할 때부터 유가배지에서 배양하고, L-아라비노즈를 첨가하여 단백질 발현을 유도하는 공정을 포함하는 G-CSF 대량생산을 위한 DO-stat 유가식 배양방법.Recombinant Escherichia coli containing an inducible G-CSF expression vector using L-arabinose operon was batch cultured in an initial culture medium containing a carbon source other than glucose, and then the amount of dissolved oxygen rapidly increased. DO-stat fed-batch culture method for mass production of G-CSF comprising the step of culturing in fed medium, and adding L-arabinose to induce protein expression. 제1항에 있어서, 재조합 대장균은 대장균 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)인 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.The method of claim 1, wherein the recombinant E. coli is E. coli MC1061: pWAGF (KFCC-10961) DO-stat fed-batch culture method. 제1항에 있어서, 초기 배양배지는 효모엑기스 40g/L, 글리세롤 40g/L, Na2HPO410.22g/L, KH2PO42.31g/L 및 앰피실린 0.07g/L로 구성된 배지인 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.The method according to claim 1, wherein the initial culture medium is a medium consisting of yeast extract 40g / L, glycerol 40g / L, Na 2 HPO 4 10.22g / L, KH 2 PO 4 2.31g / L and ampicillin 0.07g / L DO-stat fed-batch culture method characterized in that. 제1항에 있어서, 용존산소의 양이 50
Figure kpo00016
이상일 때 유가배지를 주입하고, 50
Figure kpo00017
이하로 떨어질 때 유가배지 주입을 중단하는 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.
The method of claim 1 wherein the amount of dissolved oxygen is 50
Figure kpo00016
If above, infuse oil badge, 50
Figure kpo00017
DO-stat fed-batch cultivation method characterized in that the stop of the feeding medium fed to fall below.
제1항 또는 제4항에 있어서, 유가배지는 효모엑기스 292g/L, 탄소원 400g/L 및 무수 황산마그네슘 5.76g/L로 구성된 배지인 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.5. The DO-stat fed-batch culturing method according to claim 1 or 4, wherein the medium fed oil is a medium composed of 292 g / L of yeast extract, 400 g / L of carbon source, and 5.76 g / L of anhydrous magnesium sulfate. 제5항에 있어서, 탄소원은 포도당인 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.6. The DO-stat fed-batch culture method according to claim 5, wherein the carbon source is glucose. 제1항 또는 제6항에 있어서, 유가배지의 탄소원으로 포도당이 사용되는 경우, 유가배양시 포도당의 농도는 0.5g/L 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.[Claim 7] The DO-stat fed-batch culture method according to claim 1 or 6, wherein when glucose is used as the carbon source of the fed medium, the concentration of glucose is maintained at 0.5 g / L or less during the fed-batch culture. 제1항에 있어서, L-아리비노즈는 DO-stat 유가배양 시작점에서 첨가하는 것을 특징으로 하는 DO-stat 유가식 배양방법.The DO-stat fed-batch culture method according to claim 1, wherein L- aribinose is added at the start of DO-stat fed-batch culture.
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