KR20140078285A - Method for effective purification of recombinant trypsin produced in transgenic rice cell suspension culture - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 형질전환 벼 세포 현탁 배양으로 생산된 재조합 트립신의 효율적인 정제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재조합 단백질을 생산하는 형질전환된 식물 세포를 현탁 배양하고, 상기 세포 배양액의 pH 및 온도를 조절하여 배양액 내의 아밀라아제를 제거한 후, 배양액을 농축 및 투석 (dialysis)하여 친화성 크로마토그래피를 수행하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법 및 상기 방법으로 정제된 재조합 단백질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for efficiently purifying recombinant trypsin produced by transgenic rice cell suspension culture, more particularly, to a method for producing recombinant trypsin by suspension culture of transformed plant cells producing recombinant protein, And removing the amylase in the culture medium, followed by concentrating and dialyzing the culture to carry out affinity chromatography, and a recombinant protein purified by the above method.
재조합 의료용 단백질의 상업적 생산은 미생물 발효 또는 동물 세포 배양 시스템에 주로 의존해왔다. 현재까지, 인간 의약품 형태로 100개 이상의 단백질이 시장에 진입해 있고, 370개 이상의 재조합 단백질이 개발 중에 있다 (J. Xu et al ., Biotechnol. Adv. 29(2011) 278-299). 의약품, 기능성 단백질, 산업용 효소 및 기능성 2차 대사산물의 생산을 위한 형질전환 식물 또는 식물 세포 배양의 이용은 최근 분자 농업 (molecular farming)이라고 불리고 있다. 형질전환 식물 또는 식물 세포 배양 방법은 생산 비용, 확장성 (scalability) 및 안전성 (safety)를 포함하는 여러 가지 장점을 갖는 대체 시스템이다. 식물은 인간 병원균 (pathogen), 발암성 (oncogenic) DNA 서열, 프리온 (prion) 및 내독소 (endotoxin)가 없기 때문에, 식물 분자 농업은 현재 박테리아, 효모 및 배양된 동물 세포를 이용한 의약품 생산을 위해 이미 구축된 기술에 도전할 수 있을 것으로 기대된다. 그 초기 단계에 있지만, 식물 분자 농업 산업은 최근 세계적으로 연구 및 개발 활동에서 상당한 성장이 나타나고 있다. 식물 분자 농업이 활발한 120개 이상의 소규모 기업, 대학 및 연구소들이 확인되었다 (P. Basaran et al ., Critic . Rev . Biotechnol. 28(2008)153-172). 진보된 식물 시스템은 아비딘 (avidin), 아프로티닌 (aprotinin) 및 트립신 (trypsin)과 같은 산업용 효소의 상업적 생산에 대한 구상 단계에서부터 발전되었다. 현재 적어도 6개의 의료용 단백질이 전임상 실험 (preclinical testing) 또는 임상 실험 중에 있다 (Y. Shin et al ., Plant Biotechnol. J. 9(2011) 1109-1119).Commercial production of recombinant medical proteins has been largely dependent on microbial fermentation or animal cell culture systems. To date, more than 100 proteins have entered the market in the form of human medicines, and over 370 recombinant proteins have been under development (J. Xu et al . , Biotechnol. Adv . 29 (2011) 278-299). The use of transgenic plant or plant cell cultures for the production of pharmaceuticals, functional proteins, industrial enzymes and functional secondary metabolites has recently been referred to as molecular farming. Transgenic plant or plant cell culture methods are alternative systems with several advantages including cost of production, scalability and safety. Because plants lack human pathogens, oncogenic DNA sequences, prions, and endotoxins, plant molecular agriculture is currently being used to produce pharmaceuticals using bacteria, yeast, and cultured animal cells. It is anticipated that it will challenge the established technology. Although in its early stages, the plant molecular agriculture industry has shown considerable growth in recent research and development activities worldwide. More than 120 small-scale enterprises, universities and research institutes active in plant molecular agriculture have been identified (P. Basaran et al . , Critic . Rev. Biotechnol . 28 (2008) 153-172). Advanced plant systems have evolved from the conceptional stage for commercial production of industrial enzymes such as avidin, aprotinin and trypsin. Currently, at least six medical proteins are in preclinical testing or clinical trials (Y. Shin et al . , Plant Biotechnol. J. 9 (2011) 1109-1119).
인간-유사 단백질 생산에서 식물 세포 배양의 장점은 오랫동안 인식되어 왔다. 식물 세포 배양 시스템은 전체 형질전환 식물 시스템과 비교하여 장점 및 단점을 갖는다. 두 시스템이 생물반응기 (bioreactor)로 식물 세포를 사용하지만, 식물 세포 배양 시스템은 생산 시간, 오염 위험 및 정제 비용의 조건에서 장점을 갖는다. 전체 형질전환 식물 시스템은 전반적인 비용 및 확장 능력 (scalable capacity)의 조건에서 장점을 갖는다 (J. Xu et al ., Biotechnol . Adv. 29(2011) 278-299). 식물 세포는 진핵 세포이기 때문에 거의 모든 번역 후 변형 (post-translational modification)을 수행할 수 있다. 결과적으로, 식물 세포 시스템은 낮은 수율 및 인간과 약간 다른 글리칸 변형 (glycan modification)을 포함하는 몇 가지 단점이 있음에도 불구하고 대안으로 인식되고 있다. 식물 세포 시스템이 동물 세포 시스템보다 나은 가장 뛰어난 장점은 오염 위험성이며, 이는 식물 세포가 어떠한 인간 병원균도 갖지 않기 때문이다. 식물 세포는 고셔 (Gaucher) 병의 치료에 사용되는 CerezymeR을 생산하는 칼리시바이러스 (calicivirus)로 감염된 CHO (Chinese hamster ovary) 세포를 대체할 수 있고, 치료용 재조합 단백질의 생산을 위한 안전한 수단일 수 있다. 세계 최대의 제약 회사인 화이자 (Pfizer)는 최근 고셔 병에 대한 희귀 의약품인 글루코세레브로시다아제 (glucocerebrosidase)의 당근 세포 현탁 배양 시스템을 이용한 생산 시스템에 대해 6천만 달러의 선금뿐만 아니라 최대 5천5백만 달러의 경상기술료 (milestone payment)를 지불하고 프로타릭스사 (Protalix Biotherapeutics, Israel)로부터 특허권 (licensing right)을 인수했다 (D. Aviezer et al ., Mol . Genet . Metab. 96(2009)S13-14). 이 사건은 인간 의료용 단백질의 생산을 위한 식물 분자 농업의 상업성에서 거대 국제 제약 회사의 관심을 집중시켰다. 이 식물-유래 글루코세레브로시다아제는 2010년 7월에 프랑스 규제 당국에 의해 프랑스에서 고셔 병 치료제로 승인되었고, 상업 시장에 진입한 최초의 식물-유래 인간 질병 치료용 의약품이다. 프로타릭스사 (Israel)는 이 제품에 대해 미국 FDA (U.S. Food and Drug Administration)로부터 2009년 8월에 3상 임상 신속심사지정 약물 (Phase III Fast Track Designation)로 지정받았고, 2012년 2월에는 그들의 전환 시험 (switchover trial)의 전체 결과를 보고했으며, FDA는 그것을 승인했다 (www.protalix.com).The advantages of plant cell culture in the production of human-like proteins have long been recognized. Plant cell culture systems have advantages and disadvantages over whole transgenic plant systems. While both systems use plant cells as bioreactors, plant cell culture systems have advantages in terms of production time, contamination risk, and purification costs. The entire transgenic plant system has advantages in terms of overall cost and scalable capacity (J. Xu et al . , Biotechnol . Adv . 29 (2011) 278-299). Since plant cells are eukaryotic cells, almost all post-translational modifications can be performed. As a result, plant cell systems have been recognized as an alternative despite having some disadvantages including low yield and human and slightly different glycan modifications. The best advantage of plant cell systems over animal cell systems is the risk of contamination, because plant cells do not have any human pathogens. Plant cells can replace CHO (Chinese hamster ovary) cells infected with calicivirus producing CerezymeR used in the treatment of Gaucher disease and can be a safe means for the production of therapeutic recombinant proteins have. The world's largest pharmaceutical company, Pfizer, recently announced a $ 60 million upfront payment for a production system using the glucocerebrosidase carrot cell suspension culture system, a rare drug for Goscher's disease, Paid a million dollar milestone payment and acquired a licensing right from Protalix Biotherapeutics, Israel (D. Aviezer et al . , Mol . Genet . Metab . 96 (2009) S13-14). This case focused on the interests of large international pharmaceutical companies in the commercialization of plant molecular agriculture for the production of human medical proteins. This plant-derived glucocerebrosidase was approved by the French regulatory authority in France in July 2010 for the treatment of Goschler's disease and is the first plant-derived human disease drug to enter the commercial market. Israel has been designated as Phase III Fast Track Designation by the US Food and Drug Administration (FDA) in August 2009. In February 2012, They reported the overall results of their switchover trials and the FDA approved them (www.protalix.com).
트립신은 소화에 관여하는 췌장 효소의 활성화에 중요한 역할을 수행하는 세린 프로테아제 (serine protease)이다. 그것은 췌장 선포 세포 (acinar cell)에 저장된 자이모겐 과립 (zymogen granule)에서 분비되며, 분비됨에 따라 엔테로키나아제에 의해 활성화된다. 엔테로키나아제는 펩티드의 (ASP)4-Lys 서열을 인식하고, 라이신 잔기 다음을 절단하여 활성 트립신을 분비한다. 트립신은 동물 세포 배양 및 가죽의 가공을 위한 세제 (detergent), 식품 산업의 식이 보충제 및 췌장 질환이 있는 환자를 위한 대체 치료제 (substitutive therapy)로 이용되는 몇 가지 다목적 효소 중 하나이다. 현재는 소 트립신이 소 췌장에서 추출되어 생산되고 있다. 그러나, 광우병 (bovine spongiform encephalopathy)을 포함하는 인간 병원균을 갖는 효소의 오염이 상당한 주목을 받았으며, 이는 의약용 재조합 단백질의 대체 발현 시스템으로서 식물 세포 시스템을 개선하기 위한 지속적인 노력의 절박함을 강조한다. 그 결과, 재조합 소 트립신이 형질전환 옥수수 (Zea mays) 종자에서 생산되었으며, 상업적 단백질 분해 효소로 사용되었다. 그러나 식물에서 재조합 단백질의 회수 (recovery) 및 정제는 최종 생산 비용의 80-90%를 차지하는 비싸고 기술적으로 도전적인 일이다 (S. Woodard et al ., Biotechnol . Appl . Biochem. 38(2003) 123-130). 본 발명자는 재조합 소 트립신을 생산하기 위해 형질전환 전체 식물체 대신 형질전환 벼 세포 현탁 배양의 이용을 연구했고, 형질전환 벼 세포 현탁 배양에서 기능적 재조합 소 트립신의 생산을 보고했다 (N. Kim et al ., Protein Exp . Purif. 76(2011) 121-126).Trypsin is a serine protease that plays an important role in the activation of pancreatic enzymes involved in digestion. It is secreted from zymogen granules stored in pancreatic acinar cells and is activated by enterokinase as it is secreted. The enterokinase recognizes the (ASP) 4-Lys sequence of the peptide and cleaves the following lysine residues to secrete active trypsin. Trypsin is one of several versatile enzymes used as detergents for animal cell culture and leather processing, as dietary supplements in the food industry, and as substitutive therapy for patients with pancreatic disease. Currently, small trypsin is extracted from small pancreas. However, the contamination of enzymes with human pathogens including bovine spongiform encephalopathy has received considerable attention, underscoring the urgency of continued efforts to improve plant cell systems as an alternative expression system for pharmaceutical recombinant proteins. As a result, recombinant small trypsin was produced in transgenic maize (Zea mays) seeds and was used as a commercial protease. However, the recovery and purification of recombinant proteins in plants is expensive and technically challenging, accounting for 80-90% of the final production cost (S. Woodard et al . , Biotechnol . Appl . Biochem . 38 (2003) 123-130). The present inventors have studied the use of transgenic rice cell suspension cultures in place of transgenic whole plants to produce recombinant small trypsin and have reported the production of functional recombinant trypsin in transgenic rice cell suspension cultures (N. Kim et < RTI ID = 0.0 > al . , Protein Exp . Purif . 76 (2011) 121-126).
본 발명자는 재조합 트립신이 생산된 벼 세포 배양액의 pH 및 온도를 조절하고, 친화성 크로마토그래피를 수행하여 재조합 트립신을 정제하는 간단한 정제 방법을 제공하고자 한다.The present inventor intends to provide a simple purification method for purifying recombinant trypsin by controlling the pH and temperature of a rice cell culture medium in which recombinant trypsin is produced and carrying out affinity chromatography.
한편, 한국공개특허 제2007-0091081호에는 '벼 세포 액체 현탁 배양액으로부터 인체 과립구 대식세포 콜로니 자극 인자를 순수하게 분리 정제하는 방법'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제0488287호에는 '재조합 인간 상피세포 성장인자의 정제방법'이 개시되어 있다. 그러나 본 발명에서와 같이, 형질전환 벼 세포 현탁 배양으로 생산된 재조합 트립신의 효율적인 정제 방법에 대해서는 개시된 바가 없다.Korean Patent Publication No. 2007-0091081 discloses a method for purifying and purifying human granulocyte-macrophage colony stimulating factor from a rice cell liquid suspension culture. Korean Patent Registration No. 0488287 discloses a method for purifying recombinant human epithelial cells A method for purifying a growth factor '. However, as in the present invention, a method for efficiently purifying recombinant trypsin produced by transgenic rice cell suspension cultures has not been disclosed.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절하에 당이 없는 조건에서 재조합 트립신을 생산하는 벼 세포를 배양하였고, 상기 배양액 내의 아밀라아제를 제거하고 재조합 트립신을 정제하기 위해 배양액을 pH 3.0으로 조절하고, 57℃에서 3시간 동안 배양한 후, 벤즈아미딘 (benzamidine) 친화성 크로마토그래피를 수행하여 39%의 수율로 28.1배 정제된 재조합 트립신을 얻음으로써, 본 발명을 완성하였다.The present invention provides a recombinant trypsin-producing rice cell cultured in the absence of a sugar under the control of a rice amylase 3D promoter. In order to remove amylase in the culture broth and to purify recombinant trypsin, Was adjusted to pH 3.0, incubated at 57 ° C for 3 hours, and then subjected to benzamidine affinity chromatography to obtain 28.1-fold purified recombinant trypsin at a yield of 39% to complete the present invention .
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 In order to solve the above problems,
(a) 재조합 단백질을 생산하는 형질전환된 식물 세포를 현탁 배양하는 단계; 및(a) suspending a transformed plant cell producing a recombinant protein; And
(b) 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 배양하여 아밀라아제를 제거하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법을 제공한다.(b) culturing the cell culture solution of step (a) at a pH of 2.5 to 4.5 at 50 to 60 ° C to remove amylase.
또한, 본 발명은In addition,
(a) 재조합 단백질을 생산하는 형질전환된 식물 세포를 현탁 배양하는 단계;(a) suspending a transformed plant cell producing a recombinant protein;
(b) 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 2~4시간 동안 배양하여 아밀라아제를 제거하는 단계;(b) culturing the cell culture medium of step (a) at a pH of 2.5 to 4.5 and culturing the cells at 50 to 60 ° C for 2 to 4 hours to remove amylase;
(c) 상기 (b)단계의 배양액을 농축한 후, 투석 (dialysis)하는 단계; 및(c) concentrating the culture medium in step (b) and then dialyzing the culture medium; And
(d) 상기 (c)단계의 투석액으로 친화성 크로마토그래피를 수행하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법을 제공한다.(d) performing affinity chromatography with the dialysis solution of step (c).
또한, 본 발명은 상기 방법으로 정제된 재조합 단백질을 제공한다.In addition, the present invention provides a purified recombinant protein.
본 발명에 따르면, 재조합 트립신의 정제시 문제가 되는 형질전환 벼 세포 배양액 내의 아밀라아제를 pH 및 온도를 조절하여 효과적으로 제거할 수 있고, 아밀라아제가 제거된 배양액으로 친화성 크로마토그래피를 수행하여 트립신을 정제하는 방법은 간단하고 효율적이므로, 산업적으로 이용가치가 높고 안전한 식물 유래의 재조합 트립신을 기존의 생산 시스템보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to effectively remove amylase in a transgenic rice cell culture medium, which is a problem in purification of recombinant trypsin, by controlling pH and temperature, and purify trypsin by performing affinity chromatography with a culture medium in which amylase has been removed Since the method is simple and efficient, it is possible to produce recombinant trypsin derived from plants which is industrially useful and safe, at a lower cost than the existing production system.
도 1은 다양한 pH 수준으로 2℃에서 12시간 동안 배양한 반응액의 SDS-PAGE를 나타낸다. 반응액은 10배 농축되었고, 각 웰에 30 씩 로딩되었다. 레인 1은 pH 2, 레인 2는 pH 3, 레인 3은 pH 4, 레인 4는 pH 5, 레인 5는 pH 7, 레인 6은 pH 8, 레인 7은 pH 10 및 레인 8은 pH 11로 처리된 반응액이다. 분자량 표준 마커는 젤의 양쪽 면에 표시되었다. 화살표는 배양 배지에 생산된 아밀라아제를 가리킨다.
도 2는 다양한 온도 및 pH 수준에서 12시간 동안 배양한 반응액의 SDS-PAGE 분석을 나타낸다. 반응액은 20배 농축되었고, 각 웰에 30 씩 로딩되었다. 레인 1-4는 각각 pH 3 및 2℃, 20℃ (R.T), 57℃ 또는 67℃로 처리된 반응액이다. 레인 5는 pH 7 및 2℃로 처리된 반응액이다. 레인 6-8은 각각 pH 10.5 및 2℃, 57℃ 또는 67℃로 처리된 반응액이다. 분자량 표준 마커는 젤의 양쪽 면에 표시되었다. 화살표는 배양 배지에 생산된 아밀라아제를 가리킨다.
도 3은 벤즈아미딘 친화성 컬럼에 대한 재조합 벼-유래 트립신의 용출 프로파일 (Elution profile)을 나타낸다.
도 4는 각 정제 단계의 SDS-PAGE 분석을 나타낸다. 반응액은 20배 농축되었고, 각 웰에 30 씩 로딩되었다. 레인 1은 pH 7 및 2℃로 처리된 반응액, 레인 2는 pH 3 및 2℃로 처리된 반응액이며, 레인 3은 벤즈아미딘 친화성 크로마토그래피로 정제된 재조합 트립신이다. 분자량 표준 마커는 젤의 양쪽 면에 표시되었다. 상단 화살표는 배양 배지에 생산된 아밀라아제를 가리키며, 하단 화살표는 재조합 트립신 (rTrypsin)을 가리킨다.Figure 1 shows the SDS-PAGE of the reaction solution cultured at 2 ° C for 12 hours at various pH levels. The reaction solution was concentrated 10 times and loaded in each well 30 times.
Figure 2 shows an SDS-PAGE analysis of the reaction solution cultured for 12 hours at various temperature and pH levels. The reaction solution was concentrated 20 times and loaded 30 times into each well. Lanes 1-4 are reaction solutions treated at
Figure 3 shows the elution profile of recombinant rice-derived trypsin for a benzamidine affinity column.
Figure 4 shows SDS-PAGE analysis of each purification step. The reaction solution was concentrated 20 times and loaded 30 times into each well.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the object of the present invention,
(a) 재조합 단백질을 생산하는 형질전환된 식물 세포를 현탁 배양하는 단계; 및(a) suspending a transformed plant cell producing a recombinant protein; And
(b) 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 배양하여 아밀라아제를 제거하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법을 제공한다.(b) culturing the cell culture solution of step (a) at a pH of 2.5 to 4.5 at 50 to 60 ° C to remove amylase.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 (b)단계의 배양은 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하고 50~60℃에서 2~4시간 동안 배양하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 세포 배양액을 pH 3.0으로 조절하고 57℃에서 3시간 동안 배양하여 수행될 수 있으나, 아밀라아제를 효과적으로 제거할 수 있는 pH, 온도 및 시간이라면 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the culturing of step (b) may be performed by adjusting the cell culture liquid to pH 2.5 to 4.5 and culturing the cells at 50 to 60 ° C for 2 to 4 hours. Preferably, pH 3.0 and incubating at 57 ° C for 3 hours, but it is not limited to the pH, temperature and time at which the amylase can be effectively removed.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 식물 세포는 단자엽 식물 세포일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 벼 세포일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the plant cell may be a monocot plant cell, more preferably a rice cell, but is not limited thereto.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 재조합 단백질의 생산은 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절하에 당이 없는 조건에서 배양하여 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the production of the recombinant protein may be performed by culturing under the condition of sugar free amylase 3D promoter, but is not limited thereto.
상기 벼 아밀라아제 3D 프로모터는 유도성 프로모터로 당이 없는 조건에서 프로모터에 작동가능하게 연결된 재조합 단백질 코딩 유전자의 발현을 유도한다. 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절하에서 재조합 단백질을 생산하는 식물 세포는 당이 있는 배지에서 배양함으로써 세포 성장 및 증식이 이루어질 수 있다. 또한, 배지 내의 당 고갈 또는 당이 없는 배지로 세포 배양액을 교환하는 것에 의하여 재조합 단백질의 생산이 유도될 수 있다.The rice amylase 3D promoter induces the expression of a recombinant protein coding gene operably linked to a promoter in the absence of a sugar as an inducible promoter. Plant cells producing the recombinant protein under the control of rice amylase 3D promoter can be grown and proliferated by culturing in a sugar-containing medium. In addition, production of the recombinant protein can be induced by exchanging the cell culture medium with a glucose-free medium or sugar-free medium in the medium.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 재조합 단백질은 효소 (enzyme)일 수 있으며, 바람직하게는 세린 프로테아제 (serine protease)일 수 있으며, 더 바람직하게는 포유류 유래의 재조합 트립신일 수 있으며, 가장 바람직하게는 재조합 소 (bovine) 트립신일 수 있으나, 식물 세포에서 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절에 의해 생산될 수 있고, 산성 pH 및 50~60℃의 온도에서 안정적으로 유지될 수 있는 재조합 단백질이라면 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the recombinant protein may be an enzyme, preferably a serine protease, more preferably a mammalian recombinant trypsin, and most preferably, May be recombinant bovine trypsin but is not limited to a recombinant protein that can be produced by the regulation of the rice amylase 3D promoter in plant cells and can be stably maintained at an acidic pH and a temperature of 50 to 60 ° C .
또한, 본 발명은 In addition,
(a) 재조합 단백질을 생산하는 형질전환된 식물 세포를 현탁 배양하는 단계;(a) suspending a transformed plant cell producing a recombinant protein;
(b) 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 2~4시간 동안 배양하여 아밀라아제를 제거하는 단계;(b) culturing the cell culture medium of step (a) at a pH of 2.5 to 4.5 and culturing the cells at 50 to 60 ° C for 2 to 4 hours to remove amylase;
(c) 상기 (b)단계의 배양액을 농축한 후, 투석 (dialysis)하는 단계; 및(c) concentrating the culture medium in step (b) and then dialyzing the culture medium; And
(d) 상기 (c)단계의 투석액으로 친화성 크로마토그래피를 수행하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법을 제공한다.(d) performing affinity chromatography with the dialysis solution of step (c).
본 발명의 일 구현 예에 따른 재조합 단백질의 정제 방법에 있어서, 상기 (a)단계는 구체적으로 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절하에 당이 없는 조건에서 재조합 단백질을 생산하는 형질전환된 단자엽 식물 세포를 현탁 배양하여 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절하에 당이 없는 조건에서 재조합 트립신을 생산하는 형질전환된 벼 세포를 당이 없는 배지에서 현탁 배양하여 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절하에 당이 없는 조건에서 재조합 소 트립신을 생산하는 형질전환된 벼 세포를 당이 없는 배지에서 10일 동안 현탁 배양하여 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for purifying a recombinant protein according to an embodiment of the present invention, the step (a) specifically comprises transforming the transgenic monocotyledonous plant cells producing the recombinant protein under the condition of no sugar under the control of the rice amylase 3D promoter, And preferably transgenic rice cells that produce recombinant trypsin under the condition of no sugar under the control of rice amylase 3D promoter can be suspended and cultured in a sugar-free medium, more preferably rice amylase 3D But not limited to, culturing transgenic rice cells that produce recombinant trypsin under conditions without sugar under the control of a promoter, for 10 days in a sugar-free medium.
본 발명의 일 구현 예에 따른 재조합 단백질의 정제 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서는 구체적으로 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 2~4시간 동안 배양하여 아밀라아제를 제거할 수 있으며, 바람직하게는 상기 (a)단계의 벼 세포 배양액을 pH 3.0~4.0으로 조절하여 57℃에서 3시간 동안 배양하여 아밀라아제를 제거할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 (a)단계의 벼 세포 배양액을 pH 3.0으로 조절하여 57℃에서 3시간 동안 배양하여 아밀라아제를 제거할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In step (b), the cell culture medium of step (a) may be adjusted to pH 2.5 to 4.5, and the cells may be cultured at 50 to 60 ° C for 2 to 4 hours The amylase may be removed by adjusting the pH of the rice cell culture medium of step (a) at 57 ° C for 3 hours, and more preferably, The amylase may be removed by adjusting the pH of the rice cell culture solution of step a) to 57 ° C for 3 hours, but not limited thereto.
본 발명의 일 구현 예에 따른 재조합 단백질의 정제 방법에 있어서, 상기 (c)단계는 구체적으로 상기 (b)단계의 배양액을 농축한 후, 투석 (dialysis)하여 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 (b)단계의 배양액을 10~25배 농축한 후, Tris-HCl 버퍼로 투석하여 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 (b)단계의 배양액을 한외여과 (ultrafiltration)를 이용하여 20배 농축한 후, 50mM Tris-HCL (pH 7.4) 버퍼로 투석하여 이루어질 수 있으나, 재조합 트립신의 정제에 이용될 수 있는 배양액의 농축 및 투석 조건이라면 이에 제한되지 않는다.In the method for purifying a recombinant protein according to an embodiment of the present invention, the step (c) may be performed by concentrating the culture medium of step (b) and then dialysis, the culture medium of step (b) may be concentrated 10 to 25 times and dialyzed with Tris-HCl buffer. More preferably, the culture medium of step (b) is concentrated 20 times by ultrafiltration, 50 mM Tris-HCl (pH 7.4) buffer, but is not limited thereto, as long as it is a concentration and dialysis condition of a culture solution which can be used for purification of recombinant trypsin.
본 발명의 일 구현 예에 따른 재조합 단백질의 정제 방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 구체적으로 상기 (c)단계의 투석액으로 친화성 컬럼 (column)을 이용한 크로마토그래피를 수행하여 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 (c)단계의 투석액으로 트립신에 친화성이 있는 벤즈아미딘 (benzamidine) 컬럼을 이용한 FPLC (fast protein liquid chromatography)를 수행하여 이루어질 수 있으나, 재조합 트립신을 정제할 수 있는 친화성 크로마토그래피라면 사용이 제한되지 않는다.In the method for purifying a recombinant protein according to an embodiment of the present invention, the step (d) may be performed by performing chromatography using an affinity column with the dialysis solution of step (c) (FPLC) using a benzamidine column having an affinity for trypsin as the dialysis solution of step (c). However, affinity chromatography to purify recombinant trypsin Use is not limited.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 정제된 재조합 단백질을 제공한다. 상기 재조합 단백질은 효소 (enzyme)일 수 있으며, 바람직하게는 세린 프로테아제 (serine protease)일 수 있으며, 더 바람직하게는 포유류 유래의 재조합 트립신일 수 있으며, 가장 바람직하게는 재조합 소 (bovine) 트립신일 수 있으나, 식물 세포에서 벼 아밀라아제 3D 프로모터의 조절에 의해 생산될 수 있고, 산성 pH 및 50~60℃의 온도에서 안정적으로 유지될 수 있는 재조합 단백질이라면 이에 제한되지 않는다.
In addition, the present invention provides a purified recombinant protein. The recombinant protein may be an enzyme, preferably a serine protease, more preferably a mammalian recombinant trypsin, and most preferably a recombinant bovine trypsin. However, it is not limited to a recombinant protein that can be produced by controlling rice amylase 3D promoter in plant cells and can be stably maintained at an acidic pH and a temperature of 50 to 60 ° C.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
재료 및 방법Materials and methods
1. 재조합 트립신의 준비1. Preparation of recombinant trypsin
형질전환 벼 세포 현탁 배양에서 재조합 트립신의 클로닝 및 발현을 위한 방법은 이전에 기술되었다 (N. Kim et al ., Protein Exp . Purif. 76(2011) 121-126). 유도 조건에서 10일 동안 배양된 배지의 상층액을 정제에 사용하였다.
Methods for the cloning and expression of recombinant trypsin in transgenic rice cell suspension cultures have been described previously (N. Kim et al . , Protein Exp . Purif . 76 (2011) 121-126). The supernatant of the medium cultured for 10 days under induction conditions was used for purification.
2. 효소 활성 분석 및 단백질 양 및 2. Enzyme activity assay and protein amount and 아밀라아제의Amylase 정량 dose
트립신 활성은 하기 단계에 따라 측정되었다. 기질인 BAEE (sodium-benzoyl-L-arginine ethyl ester)를 샘플과 반응시켰고, 반응액의 흡광도를 253 nm에서 측정하였다. 표준 트립신은 소 췌장 유래의 트립신 (Sigma, product number T1426, Sigma-Aldrich Korea)이다. 단백질의 양은 Bradford 방법을 사용하여 측정하였다 (M. Bradford, Anal . Biochem. 72 (1976)248-54). 아밀라아제의 양은 DNS (3, 5-dinitrosalicylic acid) 방법 (P. Bernfeld, Meth . Enzymology 1(1955) 149-158)을 사용하여 570 nm에서의 흡광도로 측정하였다.
Trypsin activity was measured according to the following steps. The substrate BAEE (sodium-benzoyl-L-arginine ethyl ester) was reacted with the sample and the absorbance of the reaction solution was measured at 253 nm. Standard trypsin is trypsin from small pancreas (Sigma, product number T1426, Sigma-Aldrich Korea). The amount of protein was determined using the Bradford method (M. Bradford, Anal . Biochem . 72 (1976) 248-54). The amount of amylase was determined by absorbance at 570 nm using the DNS (3,5-dinitrosalicylic acid) method (P. Bernfeld, Meth . Enzymology 1 (1955) 149-158).
3. 3. SDSSDS -- PAGEPAGE
전기영동은 mini-PROTEAN TGX 프리캐스트 (precast) 젤 (Bio-Rad Laboratories, Inc., USA)에 대한 제조사의 지시에 따라 수행되었다. 30 ㎕의 샘플을 10% 젤에 로딩한 후, 200 V에서 30분 동안 전기영동하였다.
Electrophoresis was performed according to the manufacturer's instructions for mini-PROTEAN TGX precast gel (Bio-Rad Laboratories, Inc., USA). 30 [mu] l of the sample was loaded onto 10% gel, and then electrophoresed at 200 V for 30 minutes.
4. 정제 단계4. Purification step
본 발명자가 벼 아밀라아제 3D 프로모터를 사용했기 때문에 형질전환 벼 세포 현탁 배양을 통한 트립신 생산 동안 아밀라아제가 주요 산물로 나타난다. 결과적으로, 본 발명자는 최대량의 트립신을 회수하고 아밀라아제 양을 최대한 제거하기 위한 최고의 정제 조건을 규명하고자 하였다.
Since the present inventor used the rice amylase 3D promoter, amylase appears to be a major product during trypsin production through transgenic rice cell suspension cultivation. As a result, the present inventor sought to identify the best purification conditions for recovering the maximum amount of trypsin and removing the amount of amylase as much as possible.
5. 5. pHpH 의 조절Control of
배양 배지는 다양한 수준의 pH로 적정하였고, 2℃에서 12시간 동안 배양되었다. 배양 후, 배양액은 12,000 x g에서 20분 동안 원심분리되었고, 상층액은 트립신 활성, 총 단백질 및 총 아밀라아제를 측정하기 위한 반응에 사용되었다.
The culture medium was titrated to various levels of pH and incubated at 2 ° C for 12 hours. After incubation, the culture was centrifuged at 12,000 xg for 20 minutes, and the supernatant was used for reactions to determine trypsin activity, total protein and total amylase.
6. 최적 온도6. Optimum temperature
배양 배지의 pH 수준은 3.0, 7.0 및 10.5로 적정하였고, 2℃, 20℃ (R.T), 37℃, 47℃, 57℃ 및 67℃에서 12시간 동안 배양되었다. 배양 후, 배양액은 12,000 x g에서 20분 동안 원심분리되었고, 상층액은 트립신 활성, 총 단백질의 양 및 총 아밀라아제의 양을 측정하기 위해 사용되었다.
The pH of the culture medium was titrated to 3.0, 7.0 and 10.5 and cultured at 2 ° C, 20 ° C (RT), 37 ° C, 47 ° C, 57 ° C and 67 ° C for 12 hours. After incubation, the culture was centrifuged at 12,000 xg for 20 minutes, and the supernatant was used to determine the amount of trypsin activity, total protein and total amylase.
7. 배양 시간7. Culture time
최적 pH (pH 3.0) 및 온도 (57℃)의 측정 후, 1, 3 및 6시간 동안 배양 배지를 배양하여 최적 배양 시간을 측정하였다. 다양한 시간 동안 배양된 후, 반응액은 12,000 x g에서 20분 동안 원심분리되었고, 상층액은 트립신 활성, 단백질 및 아밀라아제의 총량을 측정하기 위해 사용되었다.
Optimal pH (pH 3.0) and temperature (57 ℃) were measured and optimum culture time was measured by incubating the culture medium for 1, 3 and 6 hours. After incubation for various times, the reaction mixture was centrifuged at 12,000 xg for 20 minutes, and the supernatant was used to determine the total amount of trypsin activity, protein and amylase.
8. 8. 벤즈아미딘Benzamidine 친화성 크로마토그래피 Affinity chromatography
배양 배지는 pH 3으로 적정되고, 57℃에서 3시간 동안 배양된 후, 세포 잔해를 제거하기 위해 12,000 x g에서 20분 동안 원심분리되었다. 상층액은 한회여과 (ultrafiltration; YM 10, 원료: 재생 셀룰로오스, 막: 10,000 MWCO PES; Millipore, USA)를 사용하여 20배 농축되었고, 50 mM Tris-HCL (pH 7.4) 버퍼로 밤새 투석되었다. 샘플은 FPLC (fast protein liquid chromatography; AKTAprime, GE Healthcare, Sweden)를 사용하여 컬럼 부피 1 mL의 HiTrap Benzamidine FF (GE Healthcare, Sweden)에 적용하였다.
The culture medium was titrated to
실시예Example 1. 최적 1. Optimal pHpH
최적 pH를 측정하기 위해, 배양 배지는 다양한 pH 수준으로 적정되었고, 2℃에서 12시간 동안 배양되었다. 처리 후, 효소 활성, 총 단백질의 양 및 총 아밀라아제의 양이 분광광도계를 사용하여 측정되었다 (표 1). 단백질 특성 (profile)은 SDS-PAGE로 분석되었다 (도 1). pH 3에서, 회수된 총 단백질의 양이 가장 적었고, 환원당 (reducing sugar)이 검출되지 않았다. 이는 도 1의 데이터와 일반적으로 일치한다. 결과적으로, 회수된 트립신의 양에서 pH 3과 4 사이에 큰 차이는 없었지만, pH 3이 재조합 트립신을 회수하는데 최적 pH인 것으로 결정되었다. 이 결과에 따라, 재조합 트립신은 산성 pH에서 비교적 안정적인 것으로 추측된다. 그러나 아밀라아제를 포함한 대부분의 다른 단백질들은 pH 3에서 상당히 불안정했다. 게다가 환원당은 pH 3에서 완전히 분해되었다.To determine optimal pH, the culture medium was titrated to various pH levels and incubated at 2 ° C for 12 hours. After treatment, the enzyme activity, the amount of total protein and the amount of total amylase were measured using a spectrophotometer (Table 1). Protein profiles were analyzed by SDS-PAGE (Figure 1). At
실시예Example 2. 최적 온도 2. Optimum temperature
최적 온도를 결정하기 위하여, 배양 배지는 pH 3.0, 7.0 및 10.5로 적정된 후에 다양한 온도에서 12시간 동안 배양되었다. 최대 트립신 회수를 위한 최적 조건은 pH 3 및 57℃이다 (표 2). 회수된 트립신의 양은 20℃, 47℃ 또는 67℃에서 보다 57℃에서 약간 높았다 (표 2). 재조합 트립신은 온도에 상관없이 pH 3에서 비교적 안정적이었다. 그러나 재조합 트립신은 pH 10.5에서는 상당히 불안정했다. 이 현상은 최적 pH에 대해 수집된 데이터와 일치한다. 환원당은 검출되지 않았고, 총 단백질 양은 57℃에서 비교적 낮았다. 결과적으로, 본 발명자는 57℃가 최적 온도인 것으로 결정했다. To determine the optimum temperature, the culture medium was titrated to pH 3.0, 7.0 and 10.5 and then cultured at various temperatures for 12 hours. Optimal conditions for maximum tryptic recovery are
본 발명에서, 벼 아밀라아제 3D 프로모터가 사용되었기 때문에 아밀라아제는 배양액 내의 주요 산물이다. 그러나 아밀라아제는 정제 단계에서 큰 문제가 된다. 다행히 목적 단백질인 재조합 트립신이 pH 3에서 상당히 안정적인데 반해, 아밀라아제는 pH 3에서 상당히 불안정하다. 미량의 환원당이 2℃ 및 pH 3에서 검출되었지만, 온도에 관계없이 환원당은 pH 3에서 상당히 불안정했다. 이 특성은 SDS-PAGE 분석에서도 확인되었는데 (도 2), 이것은 아밀라아제가 pH 7에서 매우 안정하며, 산성 pH보다 알칼리성 pH에서 더 안정하다는 것을 나타낸다. 총 단백질 양은 pH 7에 가장 높았고, pH 3.0보다 pH 10.5에서 더 안정적이었다.In the present invention, since rice amylase 3D promoter is used, amylase is the main product in culture. However, amylase is a major problem in the purification step. Fortunately, the target protein, recombinant trypsin, is fairly stable at
실시예Example 3. 최적 배양 시간 3. Optimal incubation time
배양 배지가 다양한 시간 동안 pH 3 및 57℃에서 배양되었을 때, 최적 배양 시간은 3시간인 것으로 밝혀졌다 (표 3). 2℃에서 6시간 동안 배양된 용액이 대조구로 사용되었다. 효소 활성은 1시간 또는 6시간 배양과는 대조적으로 3시간이 경과한 후에 약간 높았다. 3시간 후의 단백질의 총량은 1시간 또는 6시간 후보다 훨씬 낮았다. 6시간 후에 환원당의 양은 제일 적으나 3시간 후가 효수 활성이 제일 높았고 특히 단백질의 양에 비례한 효소 활성이 제일 높아서 가장 적절한 배양시간으로 결정하였다 (표 3). 이러한 결과는 3시간 동안의 배양이 최적이라는 것을 나타낸다.When the culture medium was cultured at
실시예Example 4. 4. 벤즈아미딘Benzamidine 친화성 크로마토그래피 Affinity chromatography
컬럼은 1 mL/min 유량으로 5배 컬럼 부피의 결합 버퍼 (0.005 M Tris-HCl, 0.5 M NaCl, pH 7.4)를 사용하여 평형시켰다. 샘플은 루어 커넥터 (luer connector)에 장착된 주사기를 사용하여 주입하였고, 컬럼은 25배 컬럼 부피의 결합버퍼로 또는 용출액 (eluent)에 물질이 나타나지 않을 때까지 세척하였다. 그 후, 샘플은 15배 컬럼 부피의 용출 (elution) 버퍼 (0.05 M 글리신, pH 3.0)로 용출시켰다 (도 3). 친화성 크로마토그래피 동안, 두 개의 큰 단백질 피크 (peak)가 있었다. 첫 번째 피크는 결합 버퍼로 나타났고, 두 번째 피크는 용출 버퍼로 나타났다. 각 분획 (fraction) 1 mL이 수집되었고, 효소 활성이 측정되었다. 효소 활성을 나타내는 분획이 수집되었고, 버퍼는 필요한 경우에 PD-10 탈염 (desalting) 컬럼을 사용하여 교환되었다. 샘플은 2℃ 및 pH 7.0에서 처리되었다.The column was equilibrated with 5 times column volumes of binding buffer (0.005 M Tris-HCl, 0.5 M NaCl, pH 7.4) at a flow rate of 1 mL / min. Samples were injected using a syringe mounted on a luer connector and the column was washed with 25-fold column volumes of binding buffer or eluent until no material appeared. The sample was then eluted with 15 column volumes of elution buffer (0.05 M glycine, pH 3.0) (Figure 3). During affinity chromatography, there were two large protein peaks. The first peak appeared as the binding buffer and the second peak as the elution buffer. One mL of each fraction was collected and enzyme activity was measured. Fractions representing enzyme activity were collected and the buffer was exchanged using a PD-10 desalting column if necessary. Samples were treated at 2 < 0 > C and pH 7.0.
원래의 배양 배지 샘플뿐만 아니라 친화성 크로마토그래피로 추출된 샘플이 SDS-PAGE에 의해 분석되었다 (도 4). 재조합 트립신은 분획 2에서 나타났다 (도 4). SDS-PAGE에 따른 재조합 트립신 외관상의 분자량은 24 kDa의 표준 트립신 분자량보다 약간 높은 약 26 kDa이었다. 이 특성은 형질전환 벼 세포 현탁 배양에서 기능적 재조합 소 트립신의 생산을 규명한 본 발명자 그룹의 이전 연구에서 보고되었다. 식물에서 생산된 재조합 단백질의 분자량에서 약간의 증가는 옥수수에서도 보고되었고, 식물-유래 단백질에서 O-연결 글리코실화 (O-linked glycosylation) 서열 때문인 것이 명백하다 (N. Kim et al., Plant Mol . Biol. 68(2008) 369-377). 최종 수율 39% 및 28.1배 정제된 상기 두 단계는 표 4에 요약하였다. 1 유닛 (unit)은 253 nm에서 흡광도의 0.001/분 변화로 정의된다.Samples extracted with affinity chromatography as well as the original culture medium samples were analyzed by SDS-PAGE (Figure 4). Recombinant trypsin appeared in fraction 2 (Figure 4). The apparent molecular weight of the recombinant trypsin according to SDS-PAGE was about 26 kDa, slightly higher than the standard trypsin molecular weight of 24 kDa. This property has been reported in a previous study of the inventors group that identified the production of functional recombinant trypsin in transgenic rice cell suspension cultures. A slight increase in the molecular weight of the recombinant protein produced in plants is also reported in corn and is apparent due to the O-linked glycosylation sequence in plant-derived proteins (N. Kim et < RTI ID = 0.0 > al ., Plant Mol . Biol . 68 (2008) 369-377). The two steps, purified to a final yield of 39% and 28.1 fold, are summarized in Table IV. One unit is defined as a change in absorbance at 0.001 / min at 253 nm.
본 발명에서, 벼 아밀라아제 3D 프로모터 발현 시스템의 조절하에 있으면서, 벼-최적화 코돈 사용빈도를 기초로 변형된 재조합 소 트립신에 관련된 간단한 정제 단계가 구축되었다. 배양 배지의 pH 및 온도 조절 후에 친화성 크로마토그래피를 수행하여 재조합 소 트립신을 정제하는 본 발명의 방법은 벼 세포 현탁 배양으로 생산된 트립신 정제에 충분히 효과적이다.
In the present invention, under the control of the rice amylase 3D promoter expression system, a simple purification step related to the modified recombinant trypsin was constructed based on the rice-optimized codon usage frequency. The method of the present invention for purifying recombinant trypsin by performing affinity chromatography after adjusting the pH and temperature of the culture medium is sufficiently effective for trypsin purification produced by rice cell suspension culture.
(U/mg)Trypsin activity
(U / mg)
Claims (12)
(b) 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 배양하여 아밀라아제를 제거하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법.(a) suspending a transformed plant cell producing a recombinant protein; And
(b) culturing the cell culture solution of step (a) at a pH of 2.5 to 4.5 at 50 to 60 ° C to remove amylase.
(b) 상기 (a)단계의 세포 배양액을 pH 2.5~4.5로 조절하여 50~60℃에서 배양하여 아밀라아제를 제거하는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 배양액을 농축한 후, 투석 (dialysis)하는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계의 투석액으로 친화성 크로마토그래피를 수행하는 단계를 포함하는 재조합 단백질의 정제 방법.(a) suspending a transformed plant cell producing a recombinant protein;
(b) culturing the cell culture solution of step (a) at a pH of 2.5 to 4.5 at 50 to 60 ° C to remove amylase;
(c) concentrating the culture medium in step (b) and then dialyzing the culture medium; And
(d) performing affinity chromatography with the dialysis solution of step (c).
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KR20160024586A (en) * | 2014-08-26 | 2016-03-07 | 전북대학교산학협력단 | Method for high-level production of recombinant trypsin in transgenic rice cell culture through utilization of an alternative carbon source and cell recycling system |
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- 2012-12-17 KR KR1020120147492A patent/KR101426459B1/en active IP Right Grant
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