KR100251283B1 - Method of improving expression of granulocyte colony stimulating factor by fed-batch culture that controls the specific growth rate of cells - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a method for enhancing the expression of granulocyte colony stimulating factor G-CSF by constant feeding fed-batch that controls cell specific growth rate. Therefore, cell yield and expression of G-CSF are considerably enhanced and a plasmid stably is maintained in E. coli by latter stage of fermentation. CONSTITUTION: A method for enhancing expression of granulocyte colony stimulating factor G-CSF by constant feeding fed-batch is composed of the following steps of: (a) cultivating a recombinant E.coli transformed with G-CSF expression vector using L-arabinose operon of Salmonella spp. in high concentration; (b) inducing the expression of G-CSF using L- arabinose; (c) culturing by constant feeding fed-batch with adding feeding medium thereto.

Description

균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법Method of improving expression of granulocyte colony stimulating factor by fed-batch culture that controls the specific growth rate of cells

본 발명은 균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자(granulocyte colony stimulating factor: G-CSF)의 발현을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 살모넬라 균주의 L-아라비노즈(arabinose) 오페론을 이용한 G-CSF 발현벡터로 형질전환된 재조합 대장균을, 균체의 성장속도를 조절하는 대수적 유가방법(exponential feeding)으로 고농도로 배양한 다음, L-아라비노즈로 G-CSF의 발현을 유도하고, 이후 유가 배지를 첨가하여 정속 유가 배양(constant feeding fed-batch)함으로써, 재조합 대장균으로부터 재조합 G-CSF의 발현을 증대시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for enhancing the expression of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) by fed-batch culture that controls the specific growth rate of cells. More specifically, the present invention is a recombinant Escherichia coli transformed with a G-CSF expression vector using L-arabinose operon of Salmonella strain, high concentration as an algebraic feeding method (exponential feeding) to control the growth rate of the cells Incubated with L-arabinose to induce the expression of G-CSF, followed by the addition of a fed-batch medium for constant feeding fed-batch, thereby increasing the expression of recombinant G-CSF from recombinant E. coli. It is about.

일반적으로, 재조합 대장균에서의 재조합 단백질 생산시, 균체의 성장과 단위 균체 당 발현량은 해당 프로모터의 특성과 발현되는 단백질의 특성에 따라 크게 영향을 받게 된다.In general, in the production of recombinant protein in recombinant E. coli, the growth of cells and the amount of expression per unit cell are greatly influenced by the characteristics of the promoter and the expressed protein.

강력한 프로모터에 의하여 단백질의 발현이 조절되는 시스템인 경우, 재조합 단백질의 빠른 발현 속도는 숙주 세포의 에너지 대사 균형에 영향을 주어 세포의 성장을 저해한다. 그리고, 강력한 프로모터에 의한 재조합 단백질의 과다 발현은 많은 경우에 있어 플라즈미드의 안정성을 저하시킨다. 즉, 단백질 유도 직후 급격한 플라즈미드의 감소 현상이 나타나고, 이러한 현상과 더불어 재조합 단백질 발현 속도의 감소가 수반된다.In systems where the expression of proteins is regulated by powerful promoters, the rapid expression rate of the recombinant protein affects the balance of energy metabolism of the host cell and inhibits cell growth. And overexpression of the recombinant protein by a strong promoter in many cases lowers the stability of the plasmid. That is, a rapid decrease in plasmid occurs immediately after protein induction, accompanied by a decrease in recombinant protein expression rate.

강력한 유도성 프로모터에 의한 단백질의 발현은 상기한 원인들로 인하여 숙주 세포 자체에 큰 부담으로 작용하게 되고, 이러한 부담을 어떻게 적절히 해소시켜 주느냐에 따라 재조합 단백질의 생산성이 좌우된다.The expression of the protein by a strong inducible promoter acts as a large burden on the host cell itself due to the above-mentioned causes, and the productivity of the recombinant protein depends on how appropriately mitigating such burden.

이와 같은 강력한 유도성 프로모터를 이용하는 시스템에서, 재조합 단백질을 대량 생산하기 위한 방법으로는 단백질 발현 유도 시기의 최적화를 통하여 상기 저해 효과들을 최소화하고, 원하는 재조합 단백질의 생산성을 향상시킨다.In a system using such a strong inducible promoter, a method for mass production of recombinant protein minimizes the inhibitory effects through optimization of protein expression induction timing and improves the productivity of a desired recombinant protein.

예를 들면, 본 발명에서 사용하고 있는 L-아라비노즈 유도성 프로모터를 이용한 발현 시스템에서도 단백질의 발현을 유도한 이후에는 플라즈미드의 안정성이 감소되는 현상이 나타나는 것으로 관찰되었고, 이를 극복하기 위하여 최적의 단백질 유도 시기로 회분 발효가 완료되고 유가 배양이 시작되는 시점으로 결정한 바 있다(참조: 동일자 출원하는 "산소가 첨가된 DO-stat 유가식 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법").For example, in the expression system using the L-arabinose-inducible promoter used in the present invention, it was observed that the stability of the plasmid was reduced after inducing the expression of the protein. The induction period was determined as the time point at which the batch fermentation is complete and the fed-batch cultivation starts (see, “Improving the Expression of Granulocyte Colony Stimulator by Oxygenated DO-stat Fed-Batch Culture”, filed on the same day).

일반적으로 회분 발효가 완료되는 구간에서는 균체량이 상대적으로 적고 단백질의 유도 이후에는 균체의 성장이 억제되므로, 균체량이 상대적으로 많은 유가 배양 후반부에 단백질의 발현을 유도하는 것이 균체의 고농도 배양이나 단백질의 대량생산에 있어 유리하다.In general, in the period where batch fermentation is completed, since the cell mass is relatively small and the growth of cells is inhibited after protein induction, inducing protein expression in the latter part of the high-cost cultivation of high-value cell culture or mass production of protein It is advantageous in production.

그러나, 본 발명자가 제시한 DO-stat 유가 배양법에 의하면, 단백질의 유도 시기를 유가 배양 후반부로 늦춰, 고농도의 균체량을 얻은 후 단백질의 발현을 유도하는 경우, 오히려 단백질의 발현이나 균체량에 있어서 회분 발효가 완료되는 시기에 단백질 발현을 유도하는 경우보다 감소하는 것으로 나타났다(참조: 대한민국 특허출원 제 97-15209호).However, according to the DO-stat fed-batch culture method proposed by the present inventors, when the induction period of the protein is delayed to the latter part of the fed-batch culture, and a high concentration of the cell mass is obtained to induce the expression of the protein, the batch fermentation in the protein expression or the cell mass is rather performed. Was found to be reduced than when inducing protein expression at the time of completion (see Korean Patent Application No. 97-15209).

이러한 현상의 원인은 단백질 유도 직전의 균체의 비 성장 속도가 재조합 단백질의 발현에 영향을 미치기 때문인 것으로 예측되고 있다(참조: Curless, C. et al., Biotechnol. Prog., 6:149-152(1990)). 이와 같은 예측성은 다음에 근거하고 있다: 균체의 성장 속도가 빠른 경우, 활성 리보좀 등 단백질 합성에 영향을 주는 세포 내 조성물들의 농도가 증가하고(참조: Herbert, D., Symp. Soc. Gen, Microbiol., 11:391(1961)), 이로 인해 빠른 성장 속도하의 균체는 단백질의 합성속도를 증가시켜 균체내의 단백질 농도와 균체의 성장을 지속적으로 유지시킬 수 있다. 동일한 이유로 단백질 유도 전의 균체 성장 속도가 빠를 경우, 세포 내에 높은 농도로 존재하는 단백질 합성에 필요한 균체 내 조성물들을 이용하여, 재조합 단백질을 빠른 속도로 생산할 수 있는 것으로 사료된다.It is predicted that the cause of this phenomenon is that the specific growth rate of the cells immediately before protein induction affects the expression of the recombinant protein (Curless, C. et al., Biotechnol. Prog., 6: 149-152). 1990). This predictability is based on the following: When cell growth is fast, the concentration of intracellular compositions that affect protein synthesis, such as active ribosomes, increases (Herbert, D., Symp. Soc. Gen, Microbiol). , 11: 391 (1961)), which means that fast growing cells can increase the rate of protein synthesis and maintain protein concentration and growth in the cells. For the same reason, if the growth rate of cells before protein induction is fast, recombinant proteins can be produced at high speed by using the composition in cells required for the synthesis of proteins present in high concentrations in cells.

DO-stat 유가 배양법을 사용하여 균체를 배양할 경우, 균체의 성장 속도가 현저하게 느려지고, 이 시기에 단백질의 생산을 유도하는 경우 상기에서 언급한 단백질 발현이나 균체량의 감소 현상이 초래되는 것으로 생각할 수 있다.When the cells are cultured using the DO-stat fed-batch culture method, the growth rate of the cells is remarkably slowed, and when the production of the protein is induced at this time, it can be considered that the above-mentioned protein expression or the decrease of the cell mass are caused. have.

균체의 성장 속도는 발효중 배지의 첨가 속도에 의해 조절 가능한데, DO-stat와 같은 되먹임 공정의 조절(feed-back process control system)에서는 배지의 첨가 속도를 인위적으로 조절할 수 없다는 문제점이 있었다.The growth rate of the cells can be controlled by the addition rate of the medium during fermentation, but there is a problem that the addition rate of the medium cannot be artificially controlled in a feed-back process control system such as DO-stat.

이에, 본 발명자들은 L-아라비노즈 유도 전의 균체의 비 성장 속도를, 부산물의 축적이 없는 균체를 대량으로 생산케하는 최적의 속도로 일정하게 유지하여, G-CSF을 대량으로 생산하는 방법을 개발하고자 예의 연구노력한 결과, L-아라비노즈 유도 전의 균체를 일정한 비 성장 속도에서 배양시키는 대수적 유가법으로 배양한 다음, L-아라비노즈로 G-CSF의 발현을 유도하고, 이후 유가 배지를 첨가하여 정속 유가 배양함으로써, 재조합 대장균으로부터 재조합 G-CSF가 고농도로 발현됨을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have developed a method of producing a large amount of G-CSF by maintaining the specific growth rate of the cells before induction of L-arabinose at an optimal rate for producing a large number of cells without accumulation of by-products. As a result of intensive research, the cells were cultured by an algebraic feeding method in which the cells before induction of L-arabinose were incubated at a constant specific growth rate, followed by inducing expression of G-CSF with L-arabinose, followed by the addition of a fed-rate medium. By fed-batch culture, it was confirmed that recombinant G-CSF was expressed at a high concentration from recombinant E. coli, thereby completing the present invention.

결국, 본 발명의 목적은 L-아라비노즈 유도 전의 대수적 유가 배양 및 L-아라비노즈 유도 후의 정속 유가 배양에 의해 재조합 G-CSF의 발현을 향상시키는 방법에 관한 것이다.Finally, the object of the present invention relates to a method for improving the expression of recombinant G-CSF by algebraic fed-batch culture before L-arabinose induction and constant fed-batch culture after L-arabinose induction.

제1도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비 증식 속도를 0.15h-1로 하고, 유도 후 DO-stat 유가법을 실시하였을 때의 발효양상을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the fermentation pattern when the specific growth rate of the cells before the L-arabinose induction is 0.15h -1 and the DO-stat feeding method is performed after the induction.

제2도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비 증식 속도를 0.15h-1로 하고, 유도 후 DO-stat 유가법을 실시하였을 때의 용존산소량, 통기중 산소의 분압 및 유가배지의 소모량을 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the dissolved oxygen, partial pressure of oxygen during aeration, and the consumption of oil medium when the specific growth rate of the cells before L-arabinose induction is 0.15h −1 and the DO-stat feeding method is performed after induction. to be.

제3도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비 증식 속도를 0.15h-1로 하고, 유도 후 0.91mL/min의 속도로 정속 유가배양을 실시하였을 때의 발효향상을 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the fermentation improvement when constant-rate oil culture was performed at a rate of 0.15 h −1 before induction of L-arabinose and at a rate of 0.91 mL / min after induction.

제4도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비 증식속도를 0.15h-1로 하고, 유도 후 0.91mL/min의 속도로 정속 유가배양을 실시하였을 때의 용존산소량, 통기 중 산소의 분압 및 유가배지의 소모량을 나타낸 그래프이다.The fourth turning L- arabinose dissolved oxygen, partial pressure and venting of the medium oil of the oxygen when the specific growth rate of the cells before induction hayeoteul subjected to the constant speed oil culture at a rate of 0.91mL / min and then to 0.15h -1, and the induction A graph showing the consumption of.

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

L-아라비노즈 오페론을 이용한 G-CSF의 발현벡터로 형질전환된 재조합 미생물을 초기 배양 배지에서 회분 형식으로 균체를 배양하다가, 영양 성분이 모두 고갈되어 용존 산소의 양이 급격히 증가할 때부터, 유가 배지를 첨가하여 대수적 유가법으로 배양한다. 이때, 대수적 유가법에 의한 배지의 첨가 속도와 균체의 성장 속도와의 관계는 다음과 같은 일련의 계산식에 의해 산출된 최종식 (7)과 같다:Since the recombinant microorganism transformed with the expression vector of G-CSF using L-arabinose operon was cultured in batch form in the initial culture medium, when the nutrient components were exhausted and the amount of dissolved oxygen rapidly increased, The medium is added and cultured by an algebraic feeding method. At this time, the relationship between the growth rate of the medium and the growth rate of the cells by the algebraic oil price method is the same as the final equation (7) calculated by the following series of formulas:

먼저, 유가 배양 구간에서 시간에 따른 균체의 성장은 다음의 식(1)로 표시될 수 있다:First, the growth of cells over time in the fed-batch culture period can be expressed by the following equation (1):

Figure kpo00002
Figure kpo00002

상기 식에서, t는 시간(단위 h);Wherein t is time (unit h);

X는 균체량(단위 g/L);X is the cell mass (unit g / L);

V는 발효부피(단위 L); 및,V is the fermented volume (unit L); And,

μ은 균체의 비 증식 속도(단위 h-1)를 나타낸다.μ indicates the specific growth rate of the cells (unit h −1 ).

만일, 균체가 일정한 비 증식 속도(μ)로 성장한다면, 다음의 식 (2)로 표시될 수 있으며, 이를 식(1)에 대입하면 다음의 식(3)이 된다:If the cells grow at a constant specific growth rate (μ), they can be represented by the following equation (2), which is substituted into equation (1):

Figure kpo00003
Figure kpo00003

Figure kpo00004
Figure kpo00004

상기 식에서,Where

X0는 초기 균체량(단위 g/L); 및,X 0 is the initial cell mass (unit g / L); And,

V0는 초기 발효 부피(단위 L)를 나타낸다.V 0 represents the initial fermentation volume (unit L).

또한, 기질의 소비 속도와 배지의 유가 속도와의 관계는 다음의 식(4)로 표시될 수 있다:In addition, the relationship between the rate of consumption of the substrate and the rate of oil consumption of the medium can be expressed by the following equation (4):

Figure kpo00005
Figure kpo00005

상기 식에서,Where

S는 기질의 농도(단위 g/L);S is the concentration of the substrate in g / L;

S0는 유가 배지 중의 기질 농도(단위 g/L); 및,S 0 is the substrate concentration (in g / L) in the fed medium; And,

F는 유가 배지의 첨가 속도(단위 L/h)를 나타낸다.F represents the addition rate (unit L / h) of the fed-batch medium.

유가 배양 중 quasi-steady state 구간에서 S ≒ 0 이므로, 식(4)는 다음식(5)로 표시될 수 있다:Since S ≒ 0 in the quasi-steady state section during the incubation, Eq. (4) can be represented by the following equation (5):

Figure kpo00006
Figure kpo00006

아울러, 수율의 정의에 의해 다음의 식(6)이 성립된다:In addition, the following formula (6) is established by the definition of yield:

Figure kpo00007
Figure kpo00007

상기 식에서,Where

YX/S는 기질로부터의 균체량의 수율을 나타낸다.Y X / S indicates yield of cell mass from the substrate.

식(6)에 식(5)와 식(3)을 대입하면, 다음의 최종식 (7)을 얻을 수 있다:Substituting equations (5) and (3) into equation (6) yields the following final equation (7):

Figure kpo00008
Figure kpo00008

상기 식에서,Where

F는 유가 배지의 첨가 속도(단위 L/h);F is the rate of addition of the feed medium (unit L / h);

X0는 초기 균체량(단위 g/L);X 0 is the initial cell mass (unit g / L);

V0는 초기 배양 부피(단위 L);V 0 is the initial culture volume (unit L);

μ은 균체의 비 증식 속도(단위 h-1);μ is the specific growth rate of the cells (unit h −1 );

YX/S는 균체의 수율;Y X / S is the yield of cells;

S0는 유가 배지 중의 기질농도; 및,S 0 is the substrate concentration in the fed medium; And,

t는 대수적 유가 배양 시간(단위 h)을 나타낸다.t denotes the logarithmic feed rate incubation time (unit h).

최종식 (7)을 이용하여 일정한 비 증식 속도, 바람직하게는 0.13h-1내지 0.18h-1, 가장 바람직하게는 0.15h-1에서 균체를 5 내지 6시간 유가 배양하여, 부산물의 축적이 없는 균체를 대량으로 생산한 후, L-아라비노즈로 재조합 단백질 G-CSF의 발현을 유도한다.Choejongsik constant specific growth rate using 7, preferably 0.13h 0.18h -1 to -1, and most preferably for 5 to 6 hours incubation the cells were in the oil 0.15h -1, cells were not the accumulation of by-products After mass production, L-arabinose induces expression of recombinant protein G-CSF.

L-아라비노즈 유도 후, 재조합 단백질 G-CSF를 대량 생산하기 위하여, 배지를 일정한 속도, 바람직하게는 1.00 mL/min 내지 1.50 mL/min, 가장 바람직하게는 1.34 mL/min으로 첨가하는 정속 유가배양(constant feeding fed-batch)을 실시한다.After L-arabinose induction, in order to mass-produce the recombinant protein G-CSF, a constant feed rate culture in which the medium is added at a constant rate, preferably 1.00 mL / min to 1.50 mL / min, most preferably 1.34 mL / min Perform constant feeding fed-batch.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. These examples are only for illustrating 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 : L-아라비노즈 유도 이전의 균체의 성장 속도의 조절]Example 1 Control of Growth Rate of Cells Prior to L-Arabinose Induction

냉동고(-70℃)에서 25% 글리세롤에 보관된 G-CSF 발현 균주인 재조합 대장균 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)(참조: 대한민국 특허출원 제 97-15210호)를 30℃ 진탕 배양기에서 150rpm으로 15시간 배양하였다. 이를 하기 표 1의 조성으로 이루어진 회분 발효 배지에 최종 5%의 농도가 되도록 초기 배양 부피 1L의 발효조 BiofloIII(New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA)에 무균적으로 접종하였다. 그런 다음, 중성 pH, 온도 37℃, 교반속도 600rpm 및 통기량 1.0vvm의 초기 운전 조건에서 회분 배양하였다. 이때, 배양기 내의 pH는 15%(v/v) 인산을 산으로, 10%(v/v) 수산화 암모늄을 염기로 하여 중성으로 유지시켜 주었다.Recombinant Escherichia coli MC1061: pWAGF (KFCC-10961) (Korean Patent Application No. 97-15210), a G-CSF-expressing strain stored in 25% glycerol in a freezer (-70 ° C), was loaded at 150 rpm in a 30 ° C shaking incubator. Time incubation. This was aseptically inoculated as a fermenter BiofloIII (New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA) of the initial culture volume 1L to a final concentration of 5% in the batch fermentation medium consisting of the composition of Table 1 below. Then, the batch was incubated at the initial operating conditions of neutral pH, temperature 37 ℃, stirring speed 600rpm and aeration amount 1.0vvm. At this time, the pH in the incubator was kept neutral with 15% (v / v) phosphoric acid as the acid, 10% (v / v) ammonium hydroxide as the base.

초기 배양 배지에서 회분 형식으로 균체를 배양하다가, 영양 성분이 모두 고갈되어 용존 산소의 양이 급격히 증가할 때부터, 하기 표 1의 대수적 유가 배지를 첨가하였다.While culturing the cells in batch form in the initial culture medium, all of the nutrient components are depleted and the amount of dissolved oxygen rapidly increases, the algebraic fed oil medium of Table 1 was added.

Figure kpo00009
Figure kpo00009

회분 배양이 완료된 후 최종식 (7)을 이용하여 여러 비 증식 속도 하에서 대수적 유가 방법(이때, 초기 균체량(X0)은 25g/L, 유가 배지 중의 포도당 농도(S0)는 400g/L, 균체의 수율(YX/S)은 0.52)으로 균체를 5 내지 6시간 배양한 후, L-아라비노즈 재조합 단백질 G-CSF의 발현을 유도하고, 그 이후에는 DO-stat 유가법(참조: 대한민국 특허출원 제 97-15209호)을 실시한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.After batch cultivation is completed, algebraic feeding method under various non-proliferation rates using final formula (7) (at this time, initial cell weight (X 0 ) is 25g / L, glucose concentration (S 0 ) in fed medium is 400g / L, Yield (Y X / S ) is 0.52) and incubated cells for 5 to 6 hours, and then induces the expression of L-arabinose recombinant protein G-CSF, and thereafter, DO-stat milking method (Reference: Republic of Korea patent application 97-15209) is shown in Table 2 below.

Figure kpo00010
Figure kpo00010

상기 표 2에서 보듯이, 최적의 비 증식 속도는 0.15h-1임을 알 수 있으며, 이 보다 더 높은 비 증식 속도를 유지시키기 위하여 배지의 첨가 속도를 높인 경우에는 대수적 유가 배양 구간에서 초산의 축적이 관찰되고, 이로 인해 균체량 및 G-CSF의 발현 수율이 저하되는 현상이 관찰되었다. 최적의 비 증식 속도하에서 단백질의 발현을 유도하였을 경우, 최종 균체량과 G-CSF의 발현량은 각각 6.62g/L와 8.3g/L로, 회분 발효 구간이 끝난 직후 단백질 발현을 유도한 경우(대조구)의 균체량 48.0g/L, G-CSF 발현량 6.8g/L 보다 각각 20% 이상 증가된 결과이다.As shown in Table 2, it can be seen that the optimum specific growth rate is 0.15h -1 , and when the addition rate of the medium is increased in order to maintain a higher specific growth rate, the accumulation of acetic acid in the algebraic oil incubation period is increased. It was observed that this caused a decrease in cell mass and expression yield of G-CSF. In the case of inducing protein expression at the optimal specific growth rate, the final cell weight and G-CSF expression amount were 6.62 g / L and 8.3 g / L, respectively, and the protein expression was induced immediately after the end of the batch fermentation period (control) Cell mass of 48.0 g / L and G-CSF expression of 6.8 g / L.

최적의 비 증식 속도 0.15h-1로 대수적 유가법을 실시하였을 때의 발효 양상은 제1도에 나타내었다. 제1도에서 보듯이, 대수적 유가 구간에서의 시간에 따른 균체량과 배지의 소모량은 컴퓨터 모의 실험의 결과와 잘 일치함을 알 수 있고, 탄소원인 포도당도 축적되지 않았으며, 플라즈미드의 경우도 발효 후반부까지 안정함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 모든 비 증식 속도에 걸쳐 동일하게 관찰되었다.The fermentation pattern of the algebraic feeding method with an optimum specific growth rate of 0.15 h −1 is shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, it can be seen that the cell mass and medium consumption over time in the logarithmic oil price intervals are in good agreement with the results of computer simulations. It was found to be stable. These results were observed equally over all non-proliferative rates.

상기에서, 균체량은 분광광도계(Ultrospec II, LKB, USA)를 이용한 600nm 파장에서의 흡광도 측정과 건조 균체량에 의해 결정하였는데, 건조 균체량은 시료를 원심분리하여 균체만을 수득하고, 이를 PBS(phosphate bufferd saline)로 세척하여 다시 원심분리하는 과정을 두번 반복한 다음, 얻은 침전물을 증류수에 현탁하고 수분 분석기(moisture analyzer, Sartorius, MA40, Germany)을 이용하여 측정하였다.In the above, the cell weight was determined by absorbance measurement and dry cell weight at 600 nm wavelength using a spectrophotometer (Ultrospec II, LKB, USA), the dry cell weight is obtained by centrifuging the sample to obtain only the cells, which is PBS (phosphate buffered saline) After washing twice with centrifugation, the precipitate was suspended in distilled water and measured using a moisture analyzer (Sartorius, MA40, Germany).

G-CSF의 발현량은 먼저 시료를 각각의 농도를 알고 있는 5개의 정제된 G-CSF의 표준 물질과 함께 SDS-PAGE한 다음, 염색하여 레이저 스캐너로 탐색하고 이미지 분석기(image analyzer)로 분석하여, 염색된 부분의 피크 면적을 표준 물질의 피크 면적을 기초로 만든 정량 곡선과 비교함으로써 결정하였다.The expression level of G-CSF was first measured by SDS-PAGE with 5 purified G-CSF standard substances of known concentration, and then stained, searched by a laser scanner, and analyzed by an image analyzer. The peak area of the stained part was determined by comparing it with a quantitative curve based on the peak area of the standard material.

플라즈미드의 안정성은 시료를 10배씩 순차적으로 희석하여 LB 플레이트에 도말하고 배양하여 단일 콜로니를 형성시킨 다음, 이를 100㎍/㎖ 농도의 앰피실린이 함유된 LB 플레이트에 옮겨 배양하고, 플라즈미드 존재의 마커인 앰피실린 저항성을 나타내는 단일 콜로니의 형성 정도로서 결정하였다.The stability of the plasmid was diluted 10 times in succession, smeared on LB plates and incubated to form a single colony, which was then transferred to LB plates containing ampicillin at a concentration of 100 μg / ml and cultured. It was determined as the degree of formation of a single colony showing ampicillin resistance.

발효조 내의 용존 산소의 조절은 발효조의 교반 속도와 가스 혼합기의 산소 분압 비율을 조정함으로써 조절하였다. 즉, 30초마다 발효조에 RS422 인터페이스로 연결된 IBM486DX2 컴퓨터를 통하여 수집된 용존산소량을 advanced fermentation software(part No. M1182-0050), New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA)로 분석하여, 균체의 성장이 산소의 부족으로 인해 영향을 받지 않는 농도인 20%와 비교한 후, 이 농도 이하로 용존 산소량이 감소되면 발효조의 교반 속도를 증대시켰다. 교반 속도가 최대치인 970 rpm에 도달하면, 가스 혼합기(New Brunswick Sci. Co. Ltd. USA)를 이용하여 통기중의 산소 분압 비율을 증대시킴으로써, 발효조 내의 용존 산소량을 20%이상으로 유지시킬 수 있었다. 또한, 교반 속도가 최대치에 도달한 이후 용존 산소량이 70% 이상으로 과다하게 존재하는 경우에는 산소 분압 비율을 감소시킴으로써 과다한 산소의 소모를 방지하였다.The adjustment of the dissolved oxygen in the fermenter was controlled by adjusting the stirring rate of the fermenter and the oxygen partial pressure ratio of the gas mixer. That is, every 30 seconds, dissolved oxygen collected through the IBM486DX2 computer connected to the fermenter via the RS422 interface was analyzed using advanced fermentation software (part No. M1182-0050), New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA), and compared with 20%, the growth of the cells was not affected by the lack of oxygen, and increased the stirring speed of the fermenter if the amount of dissolved oxygen below this concentration decreases. When the stirring speed reached the maximum value of 970 rpm, by using a gas mixer (New Brunswick Sci. Co. Ltd. USA) to increase the oxygen partial pressure in the aeration, the amount of dissolved oxygen in the fermenter was maintained at 20% or more. . In addition, when the dissolved oxygen amount is excessively present at 70% or more after the stirring speed reaches the maximum value, the oxygen partial pressure ratio is reduced to prevent the consumption of excess oxygen.

[실시예 2 : L-아라비노즈 유도 이후의 유가 배지 첨가의 최적화]Example 2 Optimization of Feeding Medium after L-Arabinose Induction

고농도의 균체 배양 및 재조합 단백질의 대량생산에 있어서, 발효 중 산소의 첨가는 혐기적 조건하에서의 부산물 축적의 방지와 산소가 제한됨에 따른 기질의 비효율적 사용의 방지라는 측면에서 반드시 필요하다.In high concentration cell culture and mass production of recombinant proteins, the addition of oxygen during fermentation is essential in terms of the prevention of by-product accumulation under anaerobic conditions and the inefficient use of substrates due to limited oxygen.

실시예 1에서 상기한 내용과 같이, 발효 중 산소의 첨가를 조절하는 경우 통기 중의 산소 분압은 발효 중의 균체의 성장에 대한 지표로 사용될 수 있다. 즉, 통기 중 산소의 분압이 커지는 것은 산소 소비의 증가를 의미하며, 이는 첨가된 배지가 효율적으로 균체의 성장에 이용되고 있다는 것을 의미한다. 반면에 통기 중 산소의 분압이 일정한 수준에 도달하여 변하지 않거나 분압이 지속적으로 감소하는 것은 배지의 부족 또는 과다 공급으로 인한 균체의 성장 속도의 감소 또는 균체량의 감소를 의미한다.As described above in Example 1, when adjusting the addition of oxygen during fermentation, the oxygen partial pressure in the aeration can be used as an indicator for the growth of the cells during fermentation. In other words, increasing the partial pressure of oxygen during aeration means an increase in oxygen consumption, which means that the added medium is efficiently used for cell growth. On the other hand, when the partial pressure of oxygen in the aeration reaches a constant level and does not change or the partial pressure is continuously decreased, it means a decrease in growth rate or a decrease in cell mass due to the lack of medium or oversupply.

이러한 기술내용에 근거하여, L-아라비노즈를 첨가하여 G-CSF 단백질의 발현을 유도한 이후의 유가 배지 첨가 방법에 대한 최적화를 시도하였다. L-아라비노즈 유도 이전의 배지의 첨가는 실시예 1에서 최적 조건으로 판명된 비증식 속도 0.15h-1의 대수적 유가법을 사용하였다.Based on this description, an attempt was made to optimize the method of adding fed medium after L-arabinose was added to induce the expression of G-CSF protein. Addition of medium prior to L-arabinose induction used an algebraic feeding method with a specific growth rate of 0.15 h −1 found to be optimal in Example 1.

제2도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비증식 속도를 0.15h-1로 하고 유도 후 DO-stat 유가법을 실시하였을 때의 용존산소량, 통기 중 산소의 분압, 유가배지의 소모량을 나타낸 그래프이다. 제2도에서 보는 바와 같이, L-아라비노즈 유도 이후 DO-stat 유가법을 실시한 경우, 통기 중의 산소 분압은 초반부에 급속히 증가한 후 발효 후반부에 도달하면 약 50% 정도의 일정한 수준을 유지함을 알 수 있었다. 이는 균체의 성장과 단백질의 발현이 L-아라비노즈 유도 직후에는 급속하게 이루어지며, 발효 후반부에는 균체 성장 속도 및 단백질의 발현 속도가 떨어지는 현상과 일치함을 알 수 있었다.FIG. 2 is a graph showing the dissolved oxygen, partial pressure of oxygen during aeration, and consumption of oil medium when the specific growth rate of cells before L-arabinose induction is 0.15h -1 and the DO-stat milking method is conducted after induction. . As shown in FIG. 2, when the DO-stat feeding method was performed after L-arabinose induction, the oxygen partial pressure in the aeration increased rapidly at the beginning and then maintained at a constant level of about 50% when reaching the latter part of the fermentation. there was. It was found that the growth of the cells and the expression of the protein occur rapidly immediately after the induction of L-arabinose, and in the latter part of the fermentation, the growth rate of the cells and the expression rate of the protein were inferior.

배지의 첨가 속도를 증대시킴으로써 이러한 현상을 개선할 수 있는지에 관한 실험을 수행하였다. 용존 산소량을 지표로 하여 배지를 첨가하는 되먹임 조절 방법인 DO-stat 유가법을 사용한 경우에는 배지의 첨가 속도를 인위적으로 조절하기가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 제2도에서 보는 바와 같이 배지의 소비량도 일정하게 증가하는 양상을 나타내므로, 배지의 첨가 속도를 정속적으로 조절하여, 제2도의 DO-stat 유가법의 배지 첨가 속도와 같은 속도로 배지를 첨가하여, DO-stat 유가법의 결과와 비교하였다.An experiment was conducted to see if this phenomenon could be improved by increasing the rate of addition of the medium. When the DO-stat oil-feeding method, which is a feedback control method for adding a medium using dissolved oxygen as an indicator, is not only easy to artificially control the rate of addition of the medium, but also the consumption of the medium as shown in FIG. Since the rate of growth increases constantly, the rate of addition of the medium is controlled at a constant rate, and the medium is added at the same rate as the rate of addition of the medium of DO-stat feeding method of FIG. 2, and compared with the result of DO-stat feeding method. It was.

제3도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비증식 속도를 0.15h-1로 하고, 유도후 0.91mL/min의 속도로 정속 유가배양을 실시하였을 때의 발효양상을 나타내는 그래프이다. 제4도는 L-아라비노즈 유도 전 균체의 비증식 속도를 0.15h-1로 하고, 유도 후 0.91mL/min의 속도로 정속 유가배양을 실시하였을 때의 용존산소량, 통기 중 산소의 분압, 유가배지의 소모량을 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the fermentation pattern when the constant growth rate culture was performed at a rate of 0.15 h −1 before induction of L-arabinose at 0.15 h −1 and at 0.91 mL / min after induction. 4 shows the specific growth rate of the cells before induction of L-arabinose at 0.15h -1 , and the dissolved oxygen, partial pressure of oxygen during aeration, and oil medium at constant flow rate culture at a rate of 0.91 mL / min after induction. A graph showing the consumption of.

제3도 및 제4도에서 보는 바와 같이, 0.91mL/min의 속도로 정속 유가법을 실시한 결과, 산소의 소모 및 배지의 소모 양상은 DO-stat 유가법을 사용한 경우와 비슷하지만, 최종 균체량 및 G-CSF의 발현량은 각각 65.4g/L와 9.4g/L로 증가되었음을 알 수 있었다.As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the constant flow fed method at the rate of 0.91 mL / min showed that the consumption of oxygen and the medium were similar to those of the DO-stat fed method, but the final cell weight and The expression levels of G-CSF were increased to 65.4 g / L and 9.4 g / L, respectively.

이에, 배지의 첨가 속도를 1.34mL/min 및 1.70mL/min으로 증대시켜 각각 정속 유가법을 실시하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.Thus, the rate of addition of the medium was increased to 1.34 mL / min and 1.70 mL / min, respectively, to perform a constant flow method, and the results are shown in Table 3.

Figure kpo00011
Figure kpo00011

상기 표 3에서 보듯이, L-아라비노즈 유도 후 최적의 유가 방법은 1.34mL/min의 속도로 배지를 정속 주입하는 경우로 판명되었으며, 1.70mL/min의 속도로 배지를 주입하는 경우는 초산의 과량 축적으로 인하여 균체의 성장이 억제되고, 단백질 또한 발현이 되지 않는 것으로 나타났다.As shown in Table 3, the optimum oil price method after L-arabinose induction was found to be a constant injection of the medium at a rate of 1.34mL / min, when the medium is injected at a rate of 1.70mL / min of acetic acid Excessive accumulation inhibited the growth of the cells and no protein was expressed.

L-아라비노즈 유도 후 1.34mL/min의 속도로 발효를 수행하였을 경우, 최종 균체 량 및 G-CSF의 발현량은 각각 79.8g/L와 10.2g/L이었으며, 플라즈미드의 안정성 또한 발효 후반부까지 지속되었으며, 이때의 통기 중 산소 분압은 65%이었다.When fermentation was carried out at a rate of 1.34 mL / min after L-arabinose induction, the final cell weight and the expression level of G-CSF were 79.8 g / L and 10.2 g / L, respectively. At this time, the partial pressure of oxygen in the aeration was 65%.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 방법(대수적 유가배양 후의 정속 유가배양법)은 종래의 배양법, 예를 들면, DO-stat 유가배양법 및 대수적 유가배양 후의 DO-stat 유가배양법에 비해, 균체량 및 G-CSF의 발현량을 현저히 향상시키며, 대장균내의 플라즈미드를 발효 후반부까지 안정적으로 유지시킨다.As described and demonstrated in detail above, the method of the present invention (constant-cost oil culture method after algebraic oil price culture) is compared with conventional culture methods, for example, DO-stat-fuel culture method and DO-stat-value culture method after algebraic oil value culture, Significantly improves the expression level of G-CSF, and maintains the plasmid in E. coli stably until the second half of fermentation.

Claims (5)

L-아라비노즈 오페론을 이용한 과립구 콜로니 자극인자(granulocyte colony stimulating factor: G-CSF)의 발현벡터로 형질전환된 재조합 미생물의 배양시, 하기의 식을 이용하여 균체의 비 증식 속도를 0.13h-1내지 0.18h-1로 조절하는 대수적 유가 배양(exponential feeding)을 수행한 다음, L-아라비노즈 과립구 콜로니 자극인자의 생산을 유도하고, 이후 1.00mL/min 내지 1.50 mL/min로 유가배지를 첨가하는 정속 유가 배양(constant feeding fed-batch)함으로써, 전기 재조합 대장균으로부터 재조합 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법:When culturing recombinant microorganisms transformed with the expression vector of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) using L-arabinose operon, the specific growth rate of the cells was 0.13h -1 using the following formula. To perform the algebraic feed feeding (exponential feeding) to adjust to 0.18h -1 , and then induce the production of L-arabinose granulocyte colony stimulating factor, and then adding the milk medium at 1.00mL / min to 1.50 mL / min Methods to improve expression of recombinant granulocyte colony stimulator from electrorecombinant E. coli by constant feeding fed-batch:
Figure kpo00012
Figure kpo00012
상기 식에서,Where F는 유가 배지의 첨가 속도(단위 L/h);F is the rate of addition of the feed medium (unit L / h); X0는 초기 균체량(단위 g/L);X 0 is the initial cell mass (unit g / L); V0는 초기 배양 부피(단위 L);V 0 is the initial culture volume (unit L); μ은 균체의 비 증식 속도(단위 h-1);μ is the specific growth rate of the cells (unit h −1 ); YX/S는 균체의 수율;Y X / S is the yield of cells; S0는 유가 배지 중의 기질농도; 및,S 0 is the substrate concentration in the fed medium; And, t는 대수적 유가 배양 시간(단위 h)을 나타낸다.t denotes the logarithmic feed rate incubation time (unit h).
제1항에 있어서, 재조합 미생물은 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the recombinant microorganism is MC1061: pWAGF (KFCC-10961). 제1항에 있어서, 비 증식 속도는 0.15h-1인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the specific growth rate is 0.15 h −1 . 제1항에 있어서, L-아라비노즈 유도후의 배지 첨가 속도는 1.34 mL/min인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the medium addition rate after L-arabinose induction is 1.34 mL / min. 제1항에 있어서, L-아라비노즈 유도 후 정속 유가 배양 대신에 DO-stat 유가 배양하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the DO-stat fed value is cultured instead of the constant fed fed value culture after L-arabinose induction.
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