WO2023014247A1 - Method for producing recombinant serratia marcescens endonuclease - Google Patents

Method for producing recombinant serratia marcescens endonuclease Download PDF

Info

Publication number
WO2023014247A1
WO2023014247A1 PCT/RU2022/050237 RU2022050237W WO2023014247A1 WO 2023014247 A1 WO2023014247 A1 WO 2023014247A1 RU 2022050237 W RU2022050237 W RU 2022050237W WO 2023014247 A1 WO2023014247 A1 WO 2023014247A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
protein
marcescens
recombinant
endonuclease
buffer
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050237
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Александр Викторович ЕРШОВ
Ольга Анатольевна ЕРШОВА
Роман Львович АНИСИМОВ
Сергей Александрович КАТОРКИН
Николай Игоревич БОНДАРЬ
Original Assignee
Акционерное общество "ГЕНЕРИУМ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021123175A external-priority patent/RU2795623C2/en
Application filed by Акционерное общество "ГЕНЕРИУМ" filed Critical Акционерное общество "ГЕНЕРИУМ"
Publication of WO2023014247A1 publication Critical patent/WO2023014247A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D15/00Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
    • B01D15/08Selective adsorption, e.g. chromatography
    • B01D15/26Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the separation mechanism
    • B01D15/36Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the separation mechanism involving ionic interaction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D15/00Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
    • B01D15/08Selective adsorption, e.g. chromatography
    • B01D15/42Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the development mode, e.g. by displacement or by elution
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K1/00General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length
    • C07K1/14Extraction; Separation; Purification
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K1/00General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length
    • C07K1/14Extraction; Separation; Purification
    • C07K1/16Extraction; Separation; Purification by chromatography
    • C07K1/18Ion-exchange chromatography
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K1/00General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length
    • C07K1/14Extraction; Separation; Purification
    • C07K1/36Extraction; Separation; Purification by a combination of two or more processes of different types
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/70Vectors or expression systems specially adapted for E. coli
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)

Definitions

  • the invention relates to the field of biotechnology, and in particular to methods for obtaining, isolating and purifying recombinant proteins, in particular to obtaining a highly purified preparation of recombinant endonuclease Serratia marcescens (hereinafter S. marcescens).
  • S. marcescens recombinant endonuclease Serratia marcescens
  • the main areas of application of the recombinant bacterial endonuclease S. marcescens obtained by the proposed method is its inclusion in the technological process for obtaining biopharmaceuticals, as well as for studying the structure and properties of polynucleotides.
  • the invention solves the problem of creating a method for producing in industrial volumes a highly purified enzymatically active recombinant S. marcescens endonuclease suitable for use at the stage of removing nucleic acids in biopharmaceutical production.
  • the invention also relates to a method for obtaining a preparation of recombinant S. marcescens endonuclease, having a high degree of purity, homogeneous in the target product, with a low content of bacterial endotoxins and proteins - the host producer.
  • FIG. 1 Map of plasmid pGNR-095-001 - expression vector for the production of S. marcescens endonuclease.
  • Endonuclease S. marcescens - endonuclease gene consisting of 768 nucleotide residues; 6His-Tag - hexahistidine tag;
  • T7 terminator - terminator of T7 RNA polymerase fl origin - fl origin of replication; N-gene of resistance to ampicillin; pBR322 ori - pBK322 - origin of replication; lacl - lactose repressor gene;
  • Xhol is the recognition site for the Xhol restriction endonuclease.
  • Fig.2 Electrophoregram of samples of lysate, washing solution and solution of inclusion bodies.
  • Sample 1 Cell Lysate
  • Sample 2 Wash 1
  • Sample 3 Wash 2
  • Sample 3 A solution of inclusion bodies
  • Sample 4 Inclusion bodies solution, 2XP;
  • FIG. 3A Ni 2+ IMAC Sepharose FF Chromatography Profile under Denaturing and Reducing Conditions
  • FIG. 3B Electropherogram of fractions from Ni 2+IMAC Sepharose FF chromatography under denaturing and reducing conditions.
  • Sample 1 Cell Lysate; Sample 2 - Inclusion body solution; Sample 3 - Breakthrough with Ni 2 + IMAC Sepharose FF; Sample 4 - Wash 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF; Sample 5 - eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 1; Sample 6 - eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 2; Sample 7 - eluate 2 with Ni 2+IMAC Sepharose FF;
  • Sample 1 Refolded mixture; Sample 2 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 3; Sample 3 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 4; Sample 4 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 5; Sample 5 - Eluate 1 with Ni 2 + IMAC Sepharose FF, fraction 6; Sample 6 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 7, 10XP; Sample 7 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 8, 10XP; Sample 8 - Eluate 2 with Ni 2+IMAC Sepharose FF; Sample 9 - Eluate 3 with Ni 2+IMAC Sepharose FF;
  • Fig.6 Typical electropherogram of the drug recombinant endonuclease S. marcescens.
  • Fig. 7 Fluorescence drop of ethidium bromide upon destruction of plasmid DNA by alpha-DNase 1, rNucSm (commercial Serratia m. nuclease), rNucSm series 1 (recombinant Serratia m. endonuclease), and rNucSm series 2 (recombinant S. marcescens endonuclease). Dilutions where lane 1 corresponds to 10 U, 2 to 3.33 U, 3 to 1 U, 4 to 0.33 U, 5 to 0.1 U, 6 to 0.033 U, 7 to 0.01 U, 8 to 0 U and reaction time (extreme left column).
  • Nucleases are hydrolytic enzymes that are capable of hydrolyzing phosphodiester bonds in nucleic acids. Nucleases are found ubiquitously in all organisms and are of great scientific and economic importance (Bettina Haberland, Die extrazellulare Endonuklease aus S.marcescens: Leten zur Substratitati und Kunststoff Katalyse // Inaguration thesis für Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. -des aus Schlurgiology, Chemie und Geowissenschaften, FB 08 der Justus-Eiebig-Universitat GieBen.-2001.-p.1-119).
  • Nucleases are classified depending on the nature of the hydrolysable substrate (DNA, RNA - DNases and RNAases), exonucleases (cleaves bonds inside DNA) and / or endonucleases (acts on the free ends of DNA), specific (structurally dependent (action only on double-stranded (ds) NA (nucleic acid) or single-stranded (ss) NA) or non-specific (structurally independent (action on both double-stranded (ds) NA and single-stranded (88) NA) (Qing Song and Xiaobo Zhang, Characterization of a novel nonspecific nuclease from thermophilic bacteriophage GBSV1// BMC Biotechnology.- 2008.- 8:43.- p.1-9., Fi Fia, Shumei Finb, Feng Yangaa, Functional identification of the non-specific nuclease from white spot syndrome virus // Virology .- 2005.
  • restriction enzymes are commonly known as restriction enzymes and are indispensable tools in molecular biology for DNA characterization, mapping, and the creation of new genetic constructs (Richard J. Roberts, How restriction enzymes became the workhorses of molecular biology // PNAS.- 2005.- V. 102.- N. 17.- p. 5905-5908, Francesca Di Felice, Gioacchino Micheli and Giorgio Camilloni, Restriction enzymes and their use in molecular biology: An overview// J. Biosci .-2019.-p.44:38.).
  • Non-specific nucleases characterized by the ability to hydrolyze both DNA and RNA without a clear base preference, have been found in a wide variety of sources such as viruses, bacteria, fungi and mammals.
  • Nonspecific nucleases play an important role in various aspects of basic genetic mechanisms, including mutation prevention, DNA repair, replication and recombination, nucleotide and phosphate removal for growth and metabolism, host defense against foreign nucleic acid molecules, apoptosis and infection.
  • non-specific nucleases are widely used in molecular biology research, such as nucleic acid structure determination, rapid RNA sequencing, nucleic acid removal for protein purification, and as antiviral agents (Qing Song and Xiaobo Zhang, Characterization of a novel non-specific nuclease from thermophilic bacteriophage GBSV1// BMC Biotechnology.- 2008.- 8:43.-pl-9).
  • S. marcescens endonuclease namely the removal of both DNA and RNA from samples
  • This function is attractive in the production of a wide range of molecules by cellular or cell-free biological systems, in which the target product is not a nucleic acid, but biopharmaceutical products such as antibodies or enzymes, polysaccharides, lipids, or small molecular weight substances such as antibiotics or small molecular weight chemicals.
  • biopharmaceutical products such as antibodies or enzymes, polysaccharides, lipids, or small molecular weight substances such as antibiotics or small molecular weight chemicals.
  • the need to remove nucleic acids becomes especially important if the production of molecules occurs intracellularly or if a part of the produced cells is lysed during production. As a result, large amounts of nucleic acids are also released or contained in the preparation during the preparation of the target products.
  • Viral vectors and viral vaccines are playing an increasingly important role in modern medical approaches.
  • Gene vectors such as adenoviruses, adeno-associated viruses or retroviruses are being developed as a means of delivering genetic material for target cells in gene therapy (R. Morenweiser, Downstream processing of viral vectors and vaccines. -Gene Therapy.-2005.- 12.p. 103-110).
  • Host cell DNA clearance is critical for vaccine production and for the purification of adenoviral and lentiviral vectors.
  • All viral vaccines are known to contain residual contaminating DNA.
  • the infectivity of contaminant DNA can be reduced to below detectable levels either by reducing the average size of cellular DNA to 200-350 base pairs or by treatment with chemicals.
  • the most common method for reducing the size of residual cell substrate DNA in vaccines is by non-specific nuclease digestion (Li Sheng-Fowler, Andrew M.
  • Non-specific nuclease treatment is used not only to reduce the size of the DNA, but also to reduce the bulk viscosity, since nucleic acids increase the viscosity of preparations to such an extent that subsequent steps such as filtration or chromatography are not possible.
  • nuclease treatment prevents the formation of complexes with viral particles, since the strong negative charge of DNA facilitates interaction with viral particles. Prevention of such aggregation increases the yield of the final product (John O. Konz, Ann L. Lee, John A. Lewis, and Sangeetha L. Sagar, Development of a Purification Process for Adenovirus: Controlling Virus Aggregation to Improve the Clearance of Host Cell DNA/ / Biotechnol.
  • nuclease from S. marcescens an enzyme marketed by Merck under the brand name Benzonase, (WO 2016/156613 Al, Schlegl R. et al., Aseptic purification process for viruses; US 2009/0017523 Al, Weggeman et al. ., Virus purification methods ; Piergiuseppe Nestola, Mandarin Peixoto, Ricardo R.J.S. Silva, Paula M. Alves, Jose P. B. Mota, Manuel J. T.
  • S.marcescens a pathogenic gram-negative intestinal bacterium, extracellularly secretes several other proteins in addition to the nuclease: two lipases, two chitinases, and two proteases (Mitchell D. Miller, Michael J. Benedik, Merry C. Sullivan, Nancy S. Shipley and Kurt L. Krause , Crystallization and Preliminary Crystallographic Analysis of a Novel Nuclease from S. marcescens //.!. Mol. Biol. -1991.-222.-p.27-30).
  • S.marcescens uses various secretory systems by which it exports proteins into the culture medium. The nuclease export mechanism remains unclear and has features suggesting that it may be unique.
  • Serratia nuclease secretion is regulated by many factors such as cell physiology, nutrient composition, growth conditions, and host cell mutations (Yousin Suh, Shida Jin, Timothy K. Ball, Michael J. Benedik, Two-Step Secretion of the S. marcescens Extracellular Nuclease // Journal of Bacteriology.- 1996.- 7.- pp. 3771-3778.; Michael J. Benedik, Ulrich Strych, S. marcescens and its extracellular nuclease// FEMS Microbiology Letters.- 1998. - 165.-p.-1-13).
  • the desired product is obtained using standard expression organisms by heterologous expression, i.e. the genetic information for the desired protein is incorporated into the expressing organism, which then carries out the expression, ie. e. foreign protein synthesis.
  • nucleases can have a high toxic potential on the host organism, if the nuclease is already converted into an active form in the cytosol, it cleaves the nucleic acids of the host cell and causes their death or inhibits their growth, which makes it difficult for the expression of the nuclease in other cells - hosts (Michael J. Benedik, Ulrich Strych, S. marcescens and its extracellular nuclease// FEMS Microbiology Letters.- 1998.- 165. -p.- 1-13).
  • Kirsten Biederman et al reported the determination of the primary structure and physicochemical properties of the nuclease expressed and secreted by Escherichia coli.
  • the plasmid carried a DNA sequence isolated from S. marcescens encoding the enzyme. During the cultivation of E. coli cells, 85% of the enzyme was released into the culture fluid. The enzyme was purified and showed a single band with a molecular weight of about 30,600 daltons on SDS-PAGE and was similar to the nuclease isolated from S. marcescens.
  • the amino acid composition and amino acid sequence of the resulting enzyme determined by the authors, confirmed a 245 amino acid primary structure predicted from a DNA sequence (Kirsten Biederman, Pia Knak Jepsen, Erik Riise, lb Svendsen, Purification and Characterization of a S.marcescens Nuclease produced by Esherichia Coli // Carlsberg Res. Commun.- 1989.-V 54, - pp. 17-27).
  • EP O 229 866 Al Bacterial enzymes and method for their production US 5173418, Molin et al., Production in Esherichia Coli of Extracellular Serratia SPP Hydrolases, describes a method for obtaining a recombinant nuclease from S. marcescens, free from other bacterial proteins, when this portion of the enzyme is secreted by E. coli into the culture medium and collected from the culture medium. After 16-20 hours in stationary growth phase, fermentation medium from 25 liters of E. coli culture containing expressed recombinant S. marcescens nuclease was collected by filtration through a 0.45 ⁇ m filter followed by concentration by ultrafiltration through a 10,000 dalton membrane. After dialysis against 10 mM Tris-HCl (pH 7.5), 1 mM EDTA, the preparation was filtered through a glass filter and 0.45 and 0.22 ⁇ m filters to obtain pure enzyme.
  • a feature of the modified nuclease is that more than 80% of the expressed nuclease fusion protein is dispersed in the cytoplasm of the host cell.
  • the authors received 3.2 mg of the recombinant MBR nuclease fusion protein.
  • US 9 796 994 B2 Thomas Greiner, Stefan Schoenert, Method for Producing S. marcescens Nuclease using a Bacillus expression host, describes a method for producing recombinant nuclease from Serratia marscens in Bacillus sp. It has been shown that nucleases from gram-negative bacteria can be obtained with high yields and high purity in gram-positive bacteria by heterologous expression. In particular, it has been found that S. marcescens nuclease can be efficiently expressed in Bacillus sp. secretion into the culture medium. By the claimed method, the authors received up to 100,000 units of activity per 1 ml of culture medium.
  • the nuclease preparation of the invention preferably has 250 endotoxin units (EU) to 1 EU per mega units (1,000,000 IU) of nuclease activity.
  • EU endotoxin units
  • Table 1 (US 9796 994 B2, Thomas Greiner; Stefan Schoenert Method for Producing S. marcescens Nuclease using a Bacillus expression host) compares the yields of expressed nuclease obtained in different hosts. Column (1) shows the best nuclease expression yield from a Gram negative S. marcescens host in a Gram negative Escherichia coli host and (2) shows a nuclease expression yield from a Gram negative S. marcescens host in a Gram positive Bacillus subtilis host.
  • the goal of the present invention is to provide a method for producing a S. marcescens endonuclease enzyme recombinantly expressed in Escherichia coli and accumulated predominantly as an insoluble fraction.
  • a plasmid carrying the pSmaNuc nuclease activity gene under the control of the Pb promoter was obtained.
  • the plasmid was transformed into the E. coli DH5a strain.
  • the culture was routinely grown at 28°C in LB medium.
  • the Pb promoter was induced by increasing the temperature from 28°C to 42°C.
  • the expressed protein accumulated mainly in the cell in the form of an insoluble fraction - inclusion bodies.
  • cells were harvested by centrifugation. The resulting cells were suspended in lysis buffer -10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8.2.
  • the protein enriched fractions were collected, dialyzed against 10 mM Tris-HCl, pH 8.2, and the protein was concentrated on DE 52, the protein was eluted with 10 mM Tris-HCl, 0.5 M NaCl, pH 8.2. Received with 0.5 l of culture medium 10 mg of the target protein, with a total activity of 80,000,000 units (protein activity was determined by the modified Kunitz method for DNase I). In their next work, the authors (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow and Alfred Pingoud, Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular S. marcescens endonuclease by alignment-guided mutagenesis// Nucleic Acids Research.- 1994.- V. 22.- No.
  • a plasmid was obtained containing the S. marcescens nuclease gene with an N-terminal Hisb tag under control of the PL-promoter.
  • strains of E. coli - LK111 and TGE900 were used for transformation.
  • Induction was also started by raising the temperature to 42 0 C for 15 minutes. After 1 - 1.5 h of fermentation, cells were harvested by centrifugation, washed with STE buffer (8% (w/v) sucrose, 50 mM Tris-HCl, pH 8.0, 5 mM EDTA) and centrifuged again. The induced cells were stored at -20°C or used directly for protein isolation.
  • the cyle protein was isolated as follows, 500 mg of induced cells were thawed and resuspended in about 20 ml of 10 mM Tris-HC1, 1 mM EDTA, pH 8.2. The cells were destroyed by sonication at 40 C. The insoluble fraction was precipitated by centrifugation. The pellet was resuspended in 20 ml of buffer 10 mM Tris-HCl, 6 M urea, 10 mM imidazole, pH 8.2 overnight. Insoluble debris was removed by centrifugation. The supernatant was applied to a Ni-NTA resin column equilibrated with 10 mM Tris-HCl buffer, 6 M urea, 10 mM imidazole.
  • the fraction not adsorbed on the column was again applied to the Ni-NTA resin column and this procedure was repeated twice.
  • the protein was eluted using 10 mM Tris-HCl buffer, 6 M urea, 200 mM imidazole, pH 8.2 by fractions. Fractions containing nuclease were pooled and extensively dialyzed against 10 mM Tris-HCl, pH 8.
  • the known method was used in the claimed invention in terms of using 6M urea in 10 mM Tris buffer, pH as a denaturing agent.
  • the claimed invention proposes an original method for obtaining recombinant S. marcescens endonuclease, including the synthesis of a DNA sequence optimized for translation in E. coli, encoding the S. marcescens endonuclease protein, construction of an expression plasmid vector encoding a chimeric protein with C - terminal chimerization, 255 amino acid residues in length and an estimated molecular weight of 29.9 kDa, obtaining a recombinant protein by production in E.
  • concentrating and polishing anion-exchange chromatography is carried out to obtain a finished form of a highly purified active preparation of recombinant S.marcescens endonucleases, suitable for removing nucleic acid impurities in biopharmaceutical production, at least 700 mg per liter of bacterial culture.
  • the main technical result of the invention is the production on an industrial scale of a highly purified and active preparation of recombinant S. marcescens endonuclease suitable for use in the manufacture of drugs and for studying the structure and properties of polynucleotides.
  • strains of E. Coli can be used, nucleotide and amino acid sequences can be modified within certain limits, purification parameters by chromatography at each individual stage can also vary.
  • a strain of a genetically modified microorganism E. coli BL21(DE3)/pGNR-095-001 was created: the strain was obtained by transforming the recipient host strain BL21(DE3) with the plasmid pGNR095-001 carrying the S. marcescens endonuclease gene, a composite part of which are the sequences of 249 amino acid residues of S.
  • marcescens endonuclease and 6 amino acid residues containing a hexahistidine tag at the C-terminus are placed at the N-terminus, as in the prototype of the invention, probably in order to increase the yield soluble active protein.
  • the refolding scheme is of critical importance. Refolding is required, since the protein is synthesized in the bacterial cytoplasm mainly in the undissolved state in the form of inclusion bodies during cultivation of E. coli BL21(DE3)/pGNR-095-001 with a biosynthesis level of at least 1300 mg/l of culture fluid.
  • the refolding of the recombinant Serratia marcescens endonuclease is carried out by the dilution method at the concentration of the refolded protein from 0.3 to 0.5 g/L. This is a significant difference from the prototype, which uses the method of dialysis, which is usually technically difficult to scale and transfer to production.
  • Typical refolding concentrations for complex molecules are less than 0.05 g/l and more typically 0.001-0.01 g/l (Biomolecules.- 2014.- 4.- p.- 235 -251; Biotechnol. J. -2012.-7.-p.1-15), thus, this modification is not obvious, while allowing a significant improvement in the method.
  • the proposed refolding variant demonstrated stable scalability from 1.5 L to 10.5 L with approximately 50% yield of the desired product on both scales.
  • This technical result is necessary to obtain an active target protein and carry out further purification, since it is at this stage that the structural assembly of the target protein molecule occurs due to the formation of disulfide bonds within the molecule.
  • a properly folded active protein must have two intrachain disulfide bonds. Further purification can be carried out as indicated in the prototype, or, to obtain a highly purified protein, apply additional purification steps.
  • One particular embodiment is also the dissolution of the washed inclusion bodies in a solution of 6 M urea in the presence of the reducing agent 20 mM 2-Mercaptoethanol at pH 8.2.
  • the reducing agent 2-Mercaptoethanol is also used in the claimed method.
  • One particular embodiment is the chromatographic purification of denatured and reduced protein from a solution of inclusion bodies on an IMAC-Ni sorbent under reducing and denaturing conditions.
  • the compatibility of the IMAC matrix with a wide range of chemicals such as chaotropes, salts, organic solvents, detergents, reducing agents makes it indispensable for the purification of His-tagged recombinant proteins that need to be purified in denatured form.
  • Obtaining the finished form of a highly purified S.marcescens endonuclease preparation can be achieved due to the developed scheme for obtaining cellular proteins of inclusion bodies purified from impurities as a result of washings and purification of the denatured reduced protein by chromatography on Ni-IMAC Sepharose under denaturing and reducing conditions, optimal refolding and subsequent chromatographic purification, which, together with some standard protein purification techniques (Ni-IMAC affinity chromatography) Sepharose, anion exchange chromatography on a weak anion exchange sorbent DEAE Sepharose FF and subsequent transfer to the buffer of the finished form by adding stabilizing additives directly to the eluate), is highly effective for separating correctly folded active protein of recombinant S.
  • Ni-IMAC affinity chromatography Sepharose
  • anion exchange chromatography on a weak anion exchange sorbent DEAE Sepharose FF and subsequent transfer to the buffer of the finished form by adding stabilizing additives directly to the eluate
  • the example presented in the invention illustrates the production of a genetically engineered construct (GEC) pGNR-095-001, in which 6His-Tar is located at the C-terminus of the molecule and the expression of the target protein by culturing E. Coli BL21(DE3) /pGNR-095-001 in reactor Biostat Bplus Twin 5L.
  • GEC genetically engineered construct
  • the process of culturing the BL21(DE3)/pGNR-095-001 cell bank was focused on obtaining a high amount of biomass with targeted localization of the S.marcescens recombinant endonuclease protein in the inclusion bodies.
  • the example presented in the invention illustrates the lysis of cell biomass and the production of inclusion bodies using a recombinant S. marcescens endonuclease enzyme and Mg2+ up to 2 mM.
  • Removal of the E. Coli genomic DNA impurity released during lysis with the help of nuclease not only eliminates bulk viscosity and facilitates lysis on a high-pressure flow disintegrator, but also increases the yield of the target protein during refolding, eliminating the substrate on which the adsorbed target protein is not refolded.
  • Figure 2 shows the electrophoregram of samples of cell lysate, wash solutions and a solution of inclusion bodies obtained using wash solutions.
  • Sample 1 is a cell lysate, on the electropherogram we can observe the absence of a soluble form of the target protein, samples 2 and 3 demonstrate the presence of impurities proteins in the wash solutions and the absence of the target protein, samples 4 and 5 - the solution of inclusion bodies shows the presence of a denatured chimeric protein and the presence of some remaining cellular proteins. To more completely remove the remaining impurities of cellular proteins, the inventors use chromatography under denaturing and reducing conditions of the denatured and reduced chimeric protein.
  • the example presented in the invention illustrates an example of the dissolution of the resultant inclusion bodies in an appropriate urea solution, typically at a level equivalent to 6 M urea.
  • the protein was reduced with 2-Mercaptoethanol, 10-20 mM, at pH 8.2, preferably 20 mM, and incubated at 4° C. for approximately 16-18 hours.
  • 2-Mercaptoethanol 10-20 mM, at pH 8.2, preferably 20 mM
  • solubilized insoluble fraction only a chaotropic agent is used, namely 6M urea
  • the authors of the present invention also use the reducing agent 2-Mercaptoethanol at a concentration of 20 mm.
  • the example presented in the invention illustrates the chromatographic purification of a denatured and reduced protein from a solution of inclusion bodies on an IMAC-Ni sorbent under reducing and denaturing conditions.
  • the selection of optimal conditions for planting, washing and elution allows the maximum purification of the denatured target protein from contaminating impurities of cellular proteins.
  • the example of refolding presented in the invention illustrates the identified and evaluated refolding conditions that optimize the yield of the target protein and minimize the formation of aggregates and misfolds.
  • concentration of the refolded protein was selected.
  • Typical refolding concentrations for complex molecules, such as those containing two or more disulfides, are less than 0.05 g/L and more typically 0.001-0.01 g/L (Hiroshi Yamaguchi, and Masaya Miyazaki, Refolding Techniques for Recovering Biologically Active Recombinant Proteins from Inclusion Bodies// Biomolecules.- 2014.- 4.- p.- 235-251; Satoshi Yamaguchi, Etsushi Yamamoto, Teruhisa Mannen and Teruyuki Nagamune, Protein refolding using chemical refolding additives// Biotechnol.
  • Timothy K. Ball et al reported that the presence of two disulfide bonds is a clear requirement for S. marcescens nuclease activity and stability.
  • the study used site-directed mutagenesis when cysteine residues were replaced with serine. All mutants showed low specific activity in the absence of one or more disulfides and were less stable than the wild type (Timothy K. Ball, Yousin Suh and Michael J. Benedik, Disulfide bonds are required for S. marcescens nuclease activity//Nucleic Acids Research. -1992.- V. 20.- N. 19.- pp. 4971-4974).
  • the example presented in the invention illustrates the chromatographic purification of a refoldable mixture in order to obtain a highly purified finished form of recombinant S. marcescens endonuclease.
  • the main purification of the target protein from bacterial endotoxins, impurity proteins, remaining aggregates and misfolds, and at the same time, concentration, is carried out by anion exchange chromatography on a weak DEAE Sepharose FF anion exchanger.
  • the conditions for sorption and elution of the target protein were chosen in such a way that for the preparation of the finished form of the drug it was enough to add stabilizing additives to the resulting eluate, such as glycerol up to 50% and Mg2+ up to 2 mM
  • the target protein recombinant S. marcescens endonuclease - a homogeneous preparation that actually corresponds to the calculated molecular weight (on the electrophoregram of the sample there is one main band corresponding to a molecular weight of about 30 kDa (Fig. 6)), with a content of bacterial endotoxins less than 0.3 EU/mg, the content of residual proteins of the E.Coli producer strain is less than 1.8 ng/mg and has a specific biological activity from 900,000 to 1,000,000 U/mg (the activity is determined by a spectrophotometric method using a DNA-methyl substrate green).
  • a genetically engineered construct (GEC) BL21(DE3) /pGNR-095-001 is obtained.
  • GEC genetically engineered construct
  • the synthesized sequence was cloned at the above sites into a vector in which protein expression from the cloned sequence is under the control of the T7 promoter.
  • the resulting cloning frame encodes an endonuclease with a 6His C-terminal tag (SEQ ID NO 2).
  • the resulting vector is hereinafter referred to as pGNR095-001.
  • E. coli strain BL21(DE3) was transformed with the pGNR-095-001 vector.
  • the resulting BL21(DE3)/pGNR-095-001 producer strain was used for expression of recombinant endonuclease S. marcescens.
  • the cultivation process of the BL21(DE3)/pGNR-095-001 cell bank was focused on obtaining a high amount of biomass and proceeded in two stages.
  • BL21(DE3) /pGNR-095-001 cells were cultivated in Erlenmeyr flasks, which were then used as seed culture at the second stage of production.
  • One cryovial with a working bank of BL21(DE3) /pGNR-095-001 cells was inoculated into 250 ml of sterile 2YT medium and grown at 37°C for 16 hours at 180 rpm.
  • the second stage of fermentation included the following steps:
  • Frozen biomass of E. coli cells was suspended in disintegration buffer 10 mM Tris HC1, 300 mM NaCl, pH 8.2 with the addition of a protease inhibitor to inhibit proteolysis of phenyl methylsulfonyl fluoride (PMSF), 500 U/ml recombinant endonuclease S. marcescens and Mg 2+ up to 2 mM.
  • the destruction of cells was carried out on a high-pressure flow-through disintegrator in the following mode: pressure of stage II - 80 bar, stage I - 450-800 bar, collecting the lysate in a container placed in an ice bath.
  • the inclusion bodies were obtained by centrifugation from a disintegrated cell suspension at 30350 xg at 4°C for 35 min.
  • the resulting inclusion bodies were washed twice with 10 sM Tris-HC1, pH 8.2, with a buffer solution containing 0.2% Triton X-100.
  • the washed inclusion bodies were dissolved in a buffer solution of 10 mM Tris-HC1, 3 mM imidazole, 20 mM 2-Mercaptoethanol, 6 M urea, pH 8.2 at 4°C for 16–18 h. ) at 4°C for 40 min.
  • the denatured protein was purified by metal chelate chromatography under denaturing and reducing conditions on a column with an IMAC Sepharose FF sorbent, preliminarily charged with Ni 2+ and equilibrated with a buffer of 10 gpM Tris-HC1, 5 mM 2-
  • FIG. BEHIND. and Fig. ZV. shows the chromatography profile and electropherogram of fractions with Ni 2 + IMAC Sepharose FF, carried out under denaturing and reducing conditions, where a peak in optical density can be observed corresponding to the fraction not adsorbed onto the carrier (Fraction 1, Breakthrough, Fig. 3 .; Sample 3, Fig. 3.C), the peak corresponding to the elution of the buffer 20 gpM sodium acetate, 1 M NaCl, 5 mM 2-Mercaptoethanol 6 M urea, pH 5.8, in which contaminant proteins and trace amounts of the target protein are eluted (Fraction 2, Washing, Fig. 3A.
  • Refolding of the target protein of recombinant S.marcescens endonuclease was performed by dilution in 20mM Tris-HC1 buffer; 1 M urea; 10% glycerin; 0.3mM L- cystine; 5pM 2-mer captoethanol; pH-8.2, at a protein concentration (from 0.3 to 0.5 g/l) for 60 hours at 4°C with constant stirring.
  • the yield of the refolded target protein was maintained when the process was scaled from 1.5 L to 10.5 L of the refolded mixture and was at least 50% of the active recombinant S. marcescens endonuclease.
  • Purification of the target protein was carried out by separating correctly folded and misfolded conformations of this protein, separating contaminating impurities from cellular proteins by affinity metal chelate chromatography on N12+ IMAC Sepharose FF, under washing conditions with a 10 nM Tris-HCl buffer solution containing 0.03 M imidazole, pH 7.7 , elution of the target correctly folded protein with a 10 nM Tris-HCl buffer solution containing 0.2 M imidazole, pH-7.7.
  • Fig.4.A and Fig.4.B the chromatographic profile of the refolded mixture and the electropherogram of the fractions with Ni 2+IMAC Sepharose FF are presented.
  • the chromatography profile (Fig.4.A.)
  • a peak in absorbance can also be observed corresponding to the elution with 10 nM Tris-HCl buffer containing 0.5 M imidazole, pH-7.7, (Eluate 2, Fig.
  • the carrier was washed with equilibration buffer to remove non-specific adsorbed impurities, then the carrier was washed with 40 nM Tris-HCl buffer, pH 8.0 until the conductivity of the buffer was indicated. Eluted with buffer 40 nM Tris-HCl, 40 nM NaCl, pH 8.0.
  • Fig. 5 shows a chromatography profile where the absorbance peak corresponding to the eluate of the target protein (3 eluate) can be observed. A small double peak is also observed, corresponding to the peak of regeneration (4 Regeneration), at this stage the unrefolded target protein, insoluble aggregates, impurities of cellular proteins, and residual endotoxins are removed.
  • the protein content in the eluate was measured, diluted to the required concentration with a buffer of 40 mM Tris-HCl, 40 mM NaCl, pH 8.0, glycerol was added to 50% and Mg 2+ to a concentration of 2 mM in the final volume.
  • the finished product was sterile filtered.
  • the protein yield was at least 700 mg per liter of bacterial culture.
  • Figure 7 shows the results of measuring the relative biological activity of different batches of preparations of the finished form of recombinant S. marcescens endonuclease in comparison with DNase 1 and a commercial preparation of recombinant S. marcescens endonuclease using hydrolytic cleavage of plasmid DNA as an example.
  • the analysis is based on the ability of the dye ethidium bromide (2,7 - diamino - 10 - ethyl - 9 - phenylphenanthrene bromide) to intercalate between two base pairs of the DNA helix and sharply increase the fluorescence intensity. When DNA is treated with nucleases, the complex is destroyed and the fluorescence intensity decreases.
  • Figure 7 shows the drop in fluorescence upon destruction of plasmid DNA by alpha - DNase 1, rNucSm (commercial S. marcescens nuclease) and rNucSm series 1 (recombinant S. marcescens endonuclease) and rNucSm series 2 (recombinant S. marcescens endonuclease) of various dilutions , where lane number 1 corresponds to 10 units of activity, 2- 3.33, 3-1, 4- 0.33, 5- 0.1, 6-0.033, 7-0.01 and 8-0, respectively, and reaction time (leftmost column).
  • the assay was performed on ice to slow down the reaction rate. Analyzing the presented data, we can conclude that the preparations obtained in the claimed manner have biological activity even at high dilutions and at 4°C.
  • the specific biological activity of the drug was determined by the spectrophotometric method using the DNA methyl green substrate.
  • the wells of a 96-well non-sorbent plate were loaded with dilutions of S. marcescens recombinant endonuclease CO and dilutions of the test sample of S. marcescens recombinant endonuclease.
  • 100 ⁇ l of DNA substrate was added to each well. methyl green, stir gently. After that, the plate was sealed with a film and incubated without stirring in a thermoshaker for 2 h ⁇ 5 min at a temperature of (37+1)°C.
  • the optical density of the contents of the wells was measured on a spectrophotometer at wavelengths of 630 nm and 492 nm (correction wavelength).
  • GraphPad Prism 6.0 software was used to plot absorbance vs. decimal logarithm of S. marcescens recombinant endonuclease content in dilutions of S. marcescens recombinant CO endonuclease and test sample dilutions. For this, a 4-parameter logistic function of inhibition was used.
  • IC50io is the IC50 value for the test sample, calculated using the software.
  • the finished form of the preparation of recombinant S.marcescens endonuclease may contain various impurities of a biological nature associated with the producer: (endotoxins, host cell proteins). The content of these impurities may affect the safety of the drug, and therefore should be evaluated in the purified product.
  • the quantitative determination of the proteins of the producer strain (E. coli) in various batches of the finished form of the recombinant endonuclease S. marcescens was determined by the method of enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), in accordance with the requirements of the Global Fund of the Russian Federation, OFS.1.7.2.0033.15 "Method of enzyme immunoassay" and amounted to less than 2 ng/mg.
  • ELISA enzyme-linked immunosorbent assay
  • the claimed method is implemented for the producer strain BL21(DE3) pGNR-095-001 when cultivated in a fermenter (Sartorius Biostat B Plus Twin 5L, Germany) in a medium volume of 4 liters.
  • the entire cultivation process is carried out at a temperature of 37°C.
  • the pH of the medium is maintained at 7.0-7.1 by titration with 10% acetic acid solution and 12.5% ammonia solution.
  • the grown inoculum in a volume of 250 ml is introduced into a bioreactor with a sterile nutrient medium 2YT.
  • Glucose in the amount of 10 g/l and glycerol in the amount of 30 g/l are introduced into the medium as a starting substrate.
  • cells utilize glucose from the medium. The pH level will drop. After 3-4 hours, the cells reach an optical density of 10-20 optical units. Expression of the recombinant S. marcescens endonuclease is induced by adding IPTG to a final concentration of 1.0 mM. Then the post-induction phase of fermentation continues for another 3 hours with hourly sampling to control the optical density of the culture. After 3 hours, the final optical density of the culture reaches 30-50 p.u. The fermentation process is stopped. bacterial biomass collected by centrifugation at 7000 rpm for 20 min and placed in storage at - 70°C.
  • Example 2 Isolation and Purification of S.marcescens Recombinant Endonuclease Protein from Bacterial Biomass. Obtaining an industrial batch of the preparation of recombinant S.marcescens endonuclease.
  • Buffer A 10 sM Tris, 0.3 M NaCl, 0.001% PMSF, pH 8.2;
  • Frozen cell biomass PO g is suspended in 1100 ml of buffer A for 15 min on ice. 2.2 ml of a 1 M MgCh solution and 1,000,000 U of S. marcescens recombinant endonuclease enzyme were added to the suspension, followed by cell disruption in a Panda Plus 2000 (GEA Niro Soavi) high pressure flow homogenizer.
  • Panda Plus 2000 GAA Niro Soavi
  • the homogenizer is washed with 250 ml of purified water cooled to 0°C, adjusted to buffer A cooled to 0°C, stage II setting - 80 bar, stage I setting - 450-800 bar, then the cell suspension is lysed in this mode, collecting the lysate in a container placed in an ice bath, wash the homogenizer with 30 ml of buffer A.
  • the lysate is clarified by centrifugation 30350 x g at 4°C for 40 min. The supernatant is discarded, the sediment of inclusion bodies is collected.
  • Buffer B 10 mM Tris, 0.2% Triton X-100, pH 8.2;
  • Buffer E 10 mM Tris HC1, pH 8.2;
  • the precipitate of inclusion bodies is placed in a 1-liter container, 1000+10 ml of buffer solution B is added to the precipitate.
  • a dispersant nozzle is placed in a beaker and dispersed for 3-5 minutes.
  • the suspension is poured into 0.25 l centrifuge beakers, balanced in pairs on a balance, placed in a rotor (JLA-16.250) of a centrifuge (Avanti J-20XP) and centrifuged 30350 x g at 4°C for 30 minutes. After centrifugation is complete, the supernatant is discarded.
  • Buffer F 10 mM Tris-HCl, 3 mM imidazole, 20 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 8.2;
  • Buffer G 10 sM Tris, 5 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 7.7;
  • Buffer H 10 sM Tris, 0.5 M imidazole, 5 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 7.7;
  • Buffer I 20 gpM sodium acetate, 1 M NaCl, 5 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 5.8;
  • Buffer J 10 gpM Tris, 6 M urea, pH 7.8;
  • the stage of purification of the denatured and reduced target protein is carried out on a column filled with 350 ml IMAC Sepharose FF sorbent using an Akta Pure 150 chromatographic system at a temperature of 4°C.
  • the supernatant was diluted 3-fold with buffer J, adjusted to pH 7.8 with 2M NaOH, and applied to a Ni 2+ IMAC Sepharose column preloaded with 0.2 M NiCh and equilibrated with buffer G. After loading, the column was washed with buffer G, buffer J , washed with 6% buffer H in buffer G (containing 30 mm) imidazole. The target protein is eluted with 40% buffer H in buffer G (containing 200 mM imidazole). The completeness of the elution is checked with 100% buffer H.
  • the sorbent is sequentially washed with 3 column volumes of 0.5 M EDTA solution, 3 column volumes of 0.5 M sodium hydroxide solution, 3 column volumes of 0.1 M Tris-HCl solution, pH 7.5, 3 column volumes 20% ethyl alcohol. Until the next use, store the column with the inlet and outlet closed at 2-8°C.
  • Buffer K 20sM Tris -NO; 1 M urea; 10% glycerin; 0.3mM L-cystine; 5shM 2-mercaptoethanol; pH-8.2;
  • the container is placed on a stirrer and the process of protein renaturation is continued at a temperature of 4 ⁇ 1 °C with constant stirring for 60 hours.
  • Buffer E 10 nM Tris-HCl, 1 M urea, pH 7.7;
  • Buffer M 10 nM Tris-HCl, pH 7.7;
  • Buffer N 10 gpM Tris-HCl, 0.5 M imidazole, pH 7.7;
  • Metal chelate chromatography-2 is carried out on a chromatographic column filled with 350 ml IMAC Sepharose FF sorbent using an Akta Pure 150 chromatographic system at an ambient temperature of 4 °C.
  • the pH of the mixture to be refolded was adjusted to 7.7+0.05 with 5 M hydrochloric acid and applied to a Ni2+ IMAC Sepharose FF column preliminarily charged with 0.2 M NiCh and equilibrated with buffer E. After loading, the column was successively washed with 3 column volumes solution L, 3 column volumes of solution M, 1-2 column volumes of 6% buffer solution N in solution M until the optical density reaches a plateau.
  • the sorbent is sequentially washed with 3 column volumes of 0.5 M EDTA solution, 3 column volumes of 0.5 M sodium hydroxide solution, 3 column volumes of 0.1 M Tris-HCl solution, pH 7.5, 3 column volumes 20% ethyl alcohol. Until the next use, store the column with the inlet and outlet closed at 2-8°C.
  • Buffer O 10 nM Tris-HCl, pH 8.2;
  • Buffer P 40 gpM Tris-HCl, pH 8.0;
  • Buffer Q 40 sM Tris-HCl, 40 sM NaCl, pH 8.0;
  • Buffer R 5 nM Tris-HCl, pH 8.0;
  • Anion exchange chromatography is carried out on an XK-50/40 chromatographic column filled with 200 ml DEAE Sepharose FF sorbent using chromatographic system Akta Pure 150 at an ambient temperature of 4 °C.
  • the eluate after chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF is diluted 10-14 times with buffer R, the pH of the solution is adjusted to a value of 8.0 + 0.05 with concentrated hydrochloric acid or a 5M sodium hydroxide solution (if necessary), the electrical conductivity of the solution is adjusted from 0.5 to 0.8 mS/cm with purified water cooled to 4°C and applied to a DEAE Sepharose FF column equilibrated with buffer O. After completion of the application, wash the column with 3 column volumes of solution O, 3 column volumes (or more) of solution P until the conductivity reaches a plateau . Elute the target protein from the carrier with buffer Q.
  • Buffer Q 40 mM Tris-HCl, 40 mM NaCl, pH 8.0;
  • the eluate with DEAE Sepharose FF is diluted with buffer Q to a protein concentration of 2.0 -2.1 mg/ml, glycerol is added to a concentration of 50% and solution R to a concentration of 2 mm in the final solution.
  • the solution of the finished form is filtered in a laminar air flow.
  • FILTERMAX sterilizing system 1000 ml, PES, with a pore size of 0.22 ⁇ m, using a diaphragm vacuum pump.
  • Residual proteins of the producer strain Less than 1.8 ng/mg;

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of biotechnology, and more particularly to methods for producing, isolating and purifying recombinant proteins, and even more particularly to the production of a high-purity preparation of correctly folded recombinant S.marcescens endonuclease. The claimed method envisages obtaining, by production in E. coli, a recombinant protein in the form of insoluble inclusion bodies, obtaining and washing the inclusion bodies, then solubilizing same and purifying the denatured protein under denaturing and reducing conditions by metal chelate affinity chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF, with subsequent refolding to produce an active form of the enzyme by the formation of two intrachain disulphide bonds, and then chromatographically purifying the protein from the refolded mixture by metal chelate affinity chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF, followed by polishing and concentrating anion-exchange chromatography on DEAE Sepharose FF. The invention solves the problem of developing a method for producing industrial volumes of a high-purity enzymatically active recombinant S.marcescens endonuclease suitable for use in the removal of nucleic acids in biopharmaceutical manufacturing.

Description

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕКОМБИНАНТНОЙ ЭНДОНУКЛЕАЗЫ SERRATIA MARCESCENS METHOD FOR PRODUCING RECOMBINANT ENDONUCLEASE SERRATIA MARCESCENS
Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способам получения, выделения и очистки рекомбинантных белков, в частности к получению высокоочищенного препарата рекомбинантной эндонуклеазы Serratia marcescens (далее S.marcescens). Основными сферами применения полученной предлагаемым способом рекомбинантной бактериальной эндонуклеазы S.marcescens является включение её в технологический процесс получения биофармацевтических препаратов, а также для изучения структуры и свойств полинуклеотидов. The invention relates to the field of biotechnology, and in particular to methods for obtaining, isolating and purifying recombinant proteins, in particular to obtaining a highly purified preparation of recombinant endonuclease Serratia marcescens (hereinafter S. marcescens). The main areas of application of the recombinant bacterial endonuclease S. marcescens obtained by the proposed method is its inclusion in the technological process for obtaining biopharmaceuticals, as well as for studying the structure and properties of polynucleotides.
Изобретение решает задачу создания способа получения в промышленных объемах высокоочищенной ферментативно активной рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens, пригодной для использования на стадии удаления нуклеиновых кислот в биофар мацевтическом производстве. The invention solves the problem of creating a method for producing in industrial volumes a highly purified enzymatically active recombinant S. marcescens endonuclease suitable for use at the stage of removing nucleic acids in biopharmaceutical production.
Изобретение относится также к способу получения препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens, имеющего высокую степень чистоты, гомогенного по целевому продукту, с низким содержанием бактериальных эндотоксинов и белков - хозяина продуцента. The invention also relates to a method for obtaining a preparation of recombinant S. marcescens endonuclease, having a high degree of purity, homogeneous in the target product, with a low content of bacterial endotoxins and proteins - the host producer.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг.1 Карта плазмиды pGNR-095-001 - экспрессионный вектор для получения эндонуклеазы S.marcescens. Figure 1 Map of plasmid pGNR-095-001 - expression vector for the production of S. marcescens endonuclease.
Обозначения: Т7 promoter -промотор Т7 РНК-полимеразы; Designations: T7 promoter - promoter of T7 RNA polymerase;
Endonuclease S.marcescens - ген эндонуклеазы, состоящий из 768 нуклеотидных остатков; 6His-Tag- гексагистидиновый таг; Endonuclease S. marcescens - endonuclease gene, consisting of 768 nucleotide residues; 6His-Tag - hexahistidine tag;
Т7- terminator - терминатор Т7 РНК-полимеразы; fl origin - fl-ориджин репликации; Ыа- ген устойчивости к ампициллину; pBR322 ori- рВК322-ориджин репликации; lacl- ген лактозного репрессора; T7 terminator - terminator of T7 RNA polymerase; fl origin - fl origin of replication; N-gene of resistance to ampicillin; pBR322 ori - pBK322 - origin of replication; lacl - lactose repressor gene;
Ndel- сайт узнавания эндонуклеазы рестрикции Ndel; Ndel - Ndel restriction endonuclease recognition site;
Xhol- сайт узнавания эндонуклеазы рестрикции Xhol. Xhol is the recognition site for the Xhol restriction endonuclease.
Фиг.2 Электрофореграмма образцов лизата, отмывного раствора и раствора телец включения. Fig.2 Electrophoregram of samples of lysate, washing solution and solution of inclusion bodies.
Образец 1 - Клеточный лизат; Образец 2 - Отмыв 1; Образец 3 - Отмыв 2; Образец 3 - Раствор телец включения; Образец 4 - Раствор телец включения, 2ХР; Sample 1 - Cell Lysate; Sample 2 - Wash 1; Sample 3 - Wash 2; Sample 3 - A solution of inclusion bodies; Sample 4 - Inclusion bodies solution, 2XP;
Фиг.ЗА Профиль хроматографии с Ni 2+ IMAC Sepharose FF в денатурирующих и восстанавливающих условиях FIG. 3A Ni 2+ IMAC Sepharose FF Chromatography Profile under Denaturing and Reducing Conditions
Фракция 1 - Проскок; Фракция 2 - Отмыв; Фракция 3 - Элюат 1; Фракция 4 - Элюат 2;Fraction 1 - Slip; Fraction 2 - Laundering; Fraction 3 - Eluate 1; Fraction 4 - Eluate 2;
Фиг.ЗВ Электрофореграмма фракций с хроматографии Ni 2+IMAC Sepharose FF в денатурирующих и восстанавливающих условиях. FIG. 3B Electropherogram of fractions from Ni 2+IMAC Sepharose FF chromatography under denaturing and reducing conditions.
Образец 1 - Клеточный лизат; Образец 2 - Раствор телец включения; Образец 3 - Проскок с Ni 2+IMAC Sepharose FF; Образец 4 - Отмыв 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF; Образец 5 - элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 1; Образец 6 - элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 2; Образец 7 - элюат 2 с Ni 2+IMAC Sepharose FF; Sample 1 - Cell Lysate; Sample 2 - Inclusion body solution; Sample 3 - Breakthrough with Ni 2 + IMAC Sepharose FF; Sample 4 - Wash 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF; Sample 5 - eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 1; Sample 6 - eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 2; Sample 7 - eluate 2 with Ni 2+IMAC Sepharose FF;
Фиг.4А Профиль хроматографии рефолдируемой смеси с Ni 2+IMAC Sepharose FF 4A Chromatography profile of the refolded mixture with Ni 2 + IMAC Sepharose FF
1 - Проскок; 2 - Отмыв 1; 3 - Отмыв 2; 4 - Элюат 1; 5- Элюат 2; 6- Элюат 3; 1 - slip; 2 - Wash 1; 3 - Wash 2; 4 - Eluate 1; 5- Eluate 2; 6- Eluate 3;
Фиг.4В Электрофореграмма фракций с хроматографии Ni 2+IMAC Sepharose FF4B Electropherogram of Ni 2+IMAC Sepharose FF chromatography fractions
Образец 1 - Рефолдированная смесь; Образец 2 - Элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 3; Образец 3 - Элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 4; Образец 4 - Элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 5; Образец 5 - Элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 6; Образец 6 - Элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 7, 10XP; Образец 7 - Элюат 1 с Ni 2+IMAC Sepharose FF, фракция 8, 10XP; Образец 8 - Элюат 2 c Ni 2+IMAC Sepharose FF; Образец 9 - Элюат 3 c Ni 2+IMAC Sepharose FF; Sample 1 - Refolded mixture; Sample 2 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 3; Sample 3 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 4; Sample 4 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 5; Sample 5 - Eluate 1 with Ni 2 + IMAC Sepharose FF, fraction 6; Sample 6 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 7, 10XP; Sample 7 - Eluate 1 with Ni 2+IMAC Sepharose FF, fraction 8, 10XP; Sample 8 - Eluate 2 with Ni 2+IMAC Sepharose FF; Sample 9 - Eluate 3 with Ni 2+IMAC Sepharose FF;
Фиг.5 Профиль хроматографии c DEAE Sepharose FF Fig. 5 Chromatography profile with DEAE Sepharose FF
1 - Проскок; 2 - Отмыв; 3 - Элюат; 4 - Регенерация; 1 - slip; 2 - washing; 3 - eluate; 4 - Regeneration;
Фиг.6 Типичная электрофореграмма препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens. Fig.6 Typical electropherogram of the drug recombinant endonuclease S. marcescens.
Фиг.7 Падение флуоресценции этидиум бромида при разрушении плазмидной ДНК альфа- ДНК-азой 1, rNucSm (коммерческой нуклеазой Serratia m.), rNucSm серия 1 (рекомбинантной эндонуклеазой Serratia ш.) и rNucSm серия 2 (рекомбинантной эндонуклеазой S.marcescens). Разведения, где дорожка под номером 1 соответствует 10 Ед, 2- 3.33 Ед, 3-1 Ед, 4- 0.33 Ед, 5- 0.1 Ед, 6-0.033 Ед, 7-0.01Ед, 8- 0 Ед и времени реакции (крайний левый столбец). Fig. 7 Fluorescence drop of ethidium bromide upon destruction of plasmid DNA by alpha-DNase 1, rNucSm (commercial Serratia m. nuclease), rNucSm series 1 (recombinant Serratia m. endonuclease), and rNucSm series 2 (recombinant S. marcescens endonuclease). Dilutions where lane 1 corresponds to 10 U, 2 to 3.33 U, 3 to 1 U, 4 to 0.33 U, 5 to 0.1 U, 6 to 0.033 U, 7 to 0.01 U, 8 to 0 U and reaction time (extreme left column).
Нуклеазы представляют собой гидролитические ферменты, которые способны гидролизовать фосфодиэфирные связи в нуклеиновых кислотах. Нуклеазы встречаются повсеместно во всех организмах и имеют большое научное и экономическое значение (Bettina Haberland, Die extrazellulare Endonuklease aus S.marcescens: Untersuchungen zur Substratbindung und zur Katalyse // Inaguration dissertation zur Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. -des Fachbereichs Biologie, Chemie und Geowissenschaften, FB 08 der Justus-Eiebig-Universitat GieBen.- 2001. -p.1-119). Нуклеазы классифицируют в зависимости от природы гидролизуемого субстрата (ДНК, РНК - ДНК- азы и РНК -азы), экзонуклеазы (расщепляет связь внутри ДНК) и / или эндонуклеазы (действует на свободные концы ДНК), специфические (структурно зависимые (действие только на двухцепочечную (ds) НК (нуклеиновую кислоту) или одноцепочечную (ss) НК) или неспецифические (структурно независимые (действие и на двухцепочечную (ds) НК и на одноцепочечную(88) НК) (Qing Song and Xiaobo Zhang, Characterization of a novel nonspecific nuclease from thermophilic bacteriophage GBSV1// BMC Biotechnology.- 2008.- 8:43.- p.1-9., Fi Fia, Shumei Finb, Feng Yangaa, Functional identification of the non-specific nuclease from white spot syndrome virus // Virology.- 2005. -337. -p. 399 - 406, E. Srinivasan Rangarajan, Vepatu Shankar , Sugar non-speci0c endonucleases// FEMS Microbiology Reviews .- 2001.- 25.- p. 583-613). Nucleases are hydrolytic enzymes that are capable of hydrolyzing phosphodiester bonds in nucleic acids. Nucleases are found ubiquitously in all organisms and are of great scientific and economic importance (Bettina Haberland, Die extrazellulare Endonuklease aus S.marcescens: Untersuchungen zur Substratbindung und zur Katalyse // Inaguration dissertation zur Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. -des Fachbereichs Biologie, Chemie und Geowissenschaften, FB 08 der Justus-Eiebig-Universitat GieBen.-2001.-p.1-119). Nucleases are classified depending on the nature of the hydrolysable substrate (DNA, RNA - DNases and RNAases), exonucleases (cleaves bonds inside DNA) and / or endonucleases (acts on the free ends of DNA), specific (structurally dependent (action only on double-stranded (ds) NA (nucleic acid) or single-stranded (ss) NA) or non-specific (structurally independent (action on both double-stranded (ds) NA and single-stranded (88) NA) (Qing Song and Xiaobo Zhang, Characterization of a novel nonspecific nuclease from thermophilic bacteriophage GBSV1// BMC Biotechnology.- 2008.- 8:43.- p.1-9., Fi Fia, Shumei Finb, Feng Yangaa, Functional identification of the non-specific nuclease from white spot syndrome virus // Virology .- 2005. -337.-p. 399 - 406, E. Srinivasan Rangarajan, Vepatu Shankar , Sugar non-speci0c endonucleases// FEMS Microbiology Reviews .- 2001.- 25.- pp. 583-613).
Специфические нуклеазы, такие как РНКазы и ДНКазы, широко известны, как рестрикционные ферменты, и являются незаменимыми инструментами в молекулярной биологии, служат для характеристики ДНК, картографирования и создания новых генетических конструкций (Richard J. Roberts, How restriction enzymes became the workhorses of molecular biology // PNAS.- 2005.- V. 102.- N. 17.- p. 5905-5908, Francesca Di Felice, Gioacchino Micheli and Giorgio Camilloni, Restriction enzymes and their use in molecular biology: An overview// J. Biosci.-2019.- p.44:38.). Неспецифические нуклеазы, характеризующиеся способностью гидролизовать и ДНК и РНК без явных предпочтений в отношении оснований, были обнаружены в самых разных источниках, таких как вирусы, бактерии, грибы и млекопитающие. Неспецифические нуклеазы играют важную роль в различных аспектах основных генетических механизмов, в том числе в предотвращение мутаций, восстановлении, репликации и рекомбинации ДНК, удалении нуклеотидов и фосфатов для роста и метаболизма, защите хозяина против чужеродных молекул нуклеиновых кислот, апопотозе и инфекции. Принимая во внимание их важную роль в метаболизме нуклеиновых кислот, неспецифические нуклеазы широко используются в исследованиях в области молекулярной биологии, например, в определении структуры нуклеиновых кислот, быстром секвенировании РНК, удалении нуклеиновых кислот при очистке белков, а также применяются в качестве противовирусных средств (Qing Song and Xiaobo Zhang, Characterization of a novel non-specific nuclease from thermophilic bacteriophage GBSV1// BMC Biotechnology.- 2008.- 8:43.-p.l-9). Specific nucleases, such as RNases and DNases, are commonly known as restriction enzymes and are indispensable tools in molecular biology for DNA characterization, mapping, and the creation of new genetic constructs (Richard J. Roberts, How restriction enzymes became the workhorses of molecular biology // PNAS.- 2005.- V. 102.- N. 17.- p. 5905-5908, Francesca Di Felice, Gioacchino Micheli and Giorgio Camilloni, Restriction enzymes and their use in molecular biology: An overview// J. Biosci .-2019.-p.44:38.). Non-specific nucleases, characterized by the ability to hydrolyze both DNA and RNA without a clear base preference, have been found in a wide variety of sources such as viruses, bacteria, fungi and mammals. Nonspecific nucleases play an important role in various aspects of basic genetic mechanisms, including mutation prevention, DNA repair, replication and recombination, nucleotide and phosphate removal for growth and metabolism, host defense against foreign nucleic acid molecules, apoptosis and infection. Given their important role in nucleic acid metabolism, non-specific nucleases are widely used in molecular biology research, such as nucleic acid structure determination, rapid RNA sequencing, nucleic acid removal for protein purification, and as antiviral agents (Qing Song and Xiaobo Zhang, Characterization of a novel non-specific nuclease from thermophilic bacteriophage GBSV1// BMC Biotechnology.- 2008.- 8:43.-pl-9).
Один из аспектов применения эндонуклеазы S.marcescens, а именно удаление из образцов как ДНК, так и РНК, представляет значительный экономический интерес. Данная функция привлекательна при производстве широкого спектра молекул клеточными или бесклеточными биологическими системами, в которых целевым продуктом является не нуклеиновая кислота, а такие биофармацевтические продукты, как антитела или ферменты, полисахариды, липиды, или низкомолекулярные вещества, такие как антибиотики или низкомолекулярные химические вещества. Необходимость удаления нуклеиновых кислот становится особенно важной, если продукция молекул происходит внутриклеточно или, если часть продуцируемых клеток лизируется во время продуцирования. В результате этого, во время получения целевых продуктов также высвобождаются или содержатся в препарате большие количества нуклеиновых кислот. Присутствие остаточных нуклеиновых кислот хозяина в финальном продукте вызывает опасения в потенциальном переносе и интегрировании в генетический материал пациента, способствует вязкости технологической жидкости и загрязнению хроматографических смол, снижает полезную емкость, вызывает соосаждение и агрегацию (Gousseinov Е., Kools W., Pattnaik Р., Nucleic acid impurity reduction in viral vaccine manufacturing// Bioprocess Int.- 2014.- 12. -p. -59-68, John O. Konz, Ann L. Lee, John A. Lewis and Sangeetha L. Sagar, Development of a Purification Process for Adenovirus: Controlling Virus Aggregation to Improve the Clearance of Host Cell DNA// Biotechnol. Prog. -2005.- 21,- p.- 466-472 ). One aspect of the use of S. marcescens endonuclease, namely the removal of both DNA and RNA from samples, is of significant economic interest. This function is attractive in the production of a wide range of molecules by cellular or cell-free biological systems, in which the target product is not a nucleic acid, but biopharmaceutical products such as antibodies or enzymes, polysaccharides, lipids, or small molecular weight substances such as antibiotics or small molecular weight chemicals. The need to remove nucleic acids becomes especially important if the production of molecules occurs intracellularly or if a part of the produced cells is lysed during production. As a result, large amounts of nucleic acids are also released or contained in the preparation during the preparation of the target products. The presence of residual host nucleic acids in the final product raises concerns about potential transfer and integration into the patient's genetic material, contributes to the viscosity of the process fluid and contamination of chromatographic resins, reduces usable capacity, causes codeposition and aggregation (Gousseinov E., Kools W., Pattnaik R., Nucleic acid impurity reduction in viral vaccine manufacturing// Bioprocess Int.- 2014.- 12.-p.-59-68, John O. Konz, Ann L. Lee, John A. Lewis and Sangeetha L. Sagar, Development of a Purification Process for Adenovirus: Controlling Virus Aggregation to Improve the Clearance of Host Cell DNA//Biotechnol.Prog.-2005.-21,-p.-466-472).
Вирусные векторы и вирусные вакцины играют все более важную роль в современных медицинских подходах. Генные векторы, такие как аденовирусы, аденоассоциированные вирусы или ретровирусы разрабатываются, как средства доставки генетического материала для клеток- мишеней в генной терапии (R.Morenweiser, Downstream processing of viral vectors and vaccines. -Gene Therapy.-2005.- 12.p.103-110). Клиренс ДНК клетки-хозяина является критическим показателем для производства вакцин, а также очистки аденовирусных и лентивирусных векторов. (Si-Ming Li, Fu-Liang Bai, Wen- Juan Xu, Yong-Bi Yang, Ying An, Tian-Не Li, Yin-Hang Yu, De-Shan Li, Wen-Fei Wang, Removing residual DNA from Vero-cell culture-derived human rabies vaccine by using nuclease,// Biologicals.- 2014. -xxx.- p.1-6). Два вида активности ДНК, которые являются потенциальными факторами риска: первое - это онкогенная активность, второй - это риск инфекционности. Viral vectors and viral vaccines are playing an increasingly important role in modern medical approaches. Gene vectors such as adenoviruses, adeno-associated viruses or retroviruses are being developed as a means of delivering genetic material for target cells in gene therapy (R. Morenweiser, Downstream processing of viral vectors and vaccines. -Gene Therapy.-2005.- 12.p. 103-110). Host cell DNA clearance is critical for vaccine production and for the purification of adenoviral and lentiviral vectors. (Si-Ming Li, Fu-Liang Bai, Wen-Juan Xu, Yong-Bi Yang, Ying An, Tian-Not Li, Yin-Hang Yu, De-Shan Li, Wen-Fei Wang, Removing residual DNA from Vero- cell culture-derived human rabies vaccine by using nuclease,// Biologicals.- 2014.-xxx.- p.1-6). Two types of DNA activity that are potential risk factors: the first is oncogenic activity, the second is the risk of infectivity.
Известно, что все вирусные вакцины содержат остаточную загрязняющую ДНК. Инфекционность примесной ДНК может быть снижена до уровня ниже определяемого либо путем уменьшения среднего размера клеточной ДНК до 200-350 пар оснований, либо обработкой химическими веществами. Самый распространенный метод уменьшения размера остаточной ДНК клеточного субстрата в вакцинах получается путем расщепления неспецифической нуклеазой (Li Sheng-Fowler, Andrew М. Lewis Jr., Keith Peden, Quantitative determination of the infectivity of the proviral DNA of a retrovirus in vitro: Evaluation of methods for DNA inactivation,// Biologicals.- 2009.- 37. -p. 259-269, Si-Ming Li et al., Removing residual DNA from Vero-cell culture-derived human rabies vaccine by using nuclease,// Biologicals. - 2014. -xxx.- p.1-6 ). All viral vaccines are known to contain residual contaminating DNA. The infectivity of contaminant DNA can be reduced to below detectable levels either by reducing the average size of cellular DNA to 200-350 base pairs or by treatment with chemicals. The most common method for reducing the size of residual cell substrate DNA in vaccines is by non-specific nuclease digestion (Li Sheng-Fowler, Andrew M. Lewis Jr., Keith Peden, Quantitative determination of the infectivity of the proviral DNA of a retrovirus in vitro: Evaluation of methods for DNA inactivation,// Biologicals.- 2009.- 37.-p.259-269, Si-Ming Li et al., Removing residual DNA from Vero-cell culture-derived human rabies vaccine by using nuclease,// Biologicals. - 2014. -xxx.- p.1-6).
Обработка неспецифической нуклеазой используется не только для уменьшения размера ДНК, но и для снижения объемной вязкости, так как нуклеиновые кислоты увеличивают вязкость препаратов до такой степени, что последующие стадии, такие как фильтрация или хроматография, невозможны. Кроме того, обработка нуклеазой предотвращает образование комплексов с вирусными частицами, поскольку сильный отрицательный заряд ДНК способствует взаимодействию с вирусными частицами. Предотвращение подобной агрегации способствует увеличению выхода конечного продукта (John О. Konz, Ann L. Lee, John A. Lewis, and Sangeetha L. Sagar, Development of a Purification Process for Adenovirus: Controlling Virus Aggregation to Improve the Clearance of Host Cell DNA// Biotechnol. Prog.- 2005.- 21.- p. 466-472, A. J. Hagen, R. A. Aboud, P. A. De Phillips, C. N. Oliver, C. J. Orella, R. D. Sitrin, Use of nuclease enzyme in the purification of VAQTA, a hepatitis A vaccine// Biotechnol. Appl. Biochem. -1996. -23.-3. -p.209-215). Non-specific nuclease treatment is used not only to reduce the size of the DNA, but also to reduce the bulk viscosity, since nucleic acids increase the viscosity of preparations to such an extent that subsequent steps such as filtration or chromatography are not possible. In addition, nuclease treatment prevents the formation of complexes with viral particles, since the strong negative charge of DNA facilitates interaction with viral particles. Prevention of such aggregation increases the yield of the final product (John O. Konz, Ann L. Lee, John A. Lewis, and Sangeetha L. Sagar, Development of a Purification Process for Adenovirus: Controlling Virus Aggregation to Improve the Clearance of Host Cell DNA/ / Biotechnol. Prog.- 2005.- 21.- p. 466-472, A. J. Hagen, R. A. Aboud, P. A. De Phillips, C. N. Oliver, C. J. Orella, R. D. Sitrin, Use of nuclease enzyme in the purification of VAQTA, a hepatitis A vaccine // Biotechnol. Appl. Biochem. -1996. -23.-3.-p.209-215).
Большинство публикаций ссылаются на применение нуклеазы из S.marcescens, фермента, выпускаемого компанией Merck под торговой маркой Benzonase, (WO 2016/156613 Al, Schlegl R. et al., Aseptic purification process for viruses; US 2009/0017523 Al, Weggeman et al., Virus purification methods ; Piergiuseppe Nestola, Cristina Peixoto, Ricardo R.J.S. Silva, Paula M. Alves, Jose P. B. Mota, Manuel J. T. Carrondo, Improved Virus Purification Processes for Vaccines and Gene Therapy// Bioseparations and Downstream Processing Biotechnology and Bioengineering; Gousseinov E, Kools W, Pattnaik P. Nucleic acid impurity reduction in viral vaccine manufacturing.// Bioprocess Int.-2014.-12.- p.59-68). Most publications refer to the use of a nuclease from S. marcescens, an enzyme marketed by Merck under the brand name Benzonase, (WO 2016/156613 Al, Schlegl R. et al., Aseptic purification process for viruses; US 2009/0017523 Al, Weggeman et al. ., Virus purification methods ; Piergiuseppe Nestola, Cristina Peixoto, Ricardo R.J.S. Silva, Paula M. Alves, Jose P. B. Mota, Manuel J. T. Carrondo, Improved Virus Purification Processes for Vaccines and Gene Therapy// Bioseparations and Downstream Processing Biotechnology and Bioengineering; Gousseinov E , Kools W, Pattnaik P. Nucleic acid impurity reduction in viral vaccine manufacturing.// Bioprocess Int.-2014.-12.-p.59-68).
Это нуклеаза грамотрицательной бактерии S.marcescens, обладающая высокой активностью и стабильностью. В работе Marion Nestle, D W. К. Roberts, Purification and some properties of the enzyme,// The Journal of Biological Chemistry. -1969. -V. 244.- N. 19.- p.5213- 5218, описано выделение внеклеточной нуклеазы из S.marcescens, которая быстро гидролизовала ДНК и РНК с одинаковой скоростью. В другой своей работе авторы (Marion Nestle, D W. К. Roberts, Specificity of the enzyme,// The Journal of Biological Chemistry.- 1969.- V. 244.- N. 19.- p. 5219-5225 ) исследовали специфичность выделенной внеклеточной нуклеазы из S.marcescens и пришли к выводу, что фермент гидролизует как двухцепочечные, так и одноцепочечные ДНК, а также РНК до 5'-фосфорилированных тетра, три-, ди-, а также в небольшом количестве мононуклеотидов. Фермент требует Mg2 + в качестве кофактора в концентрациях от 5 до 10 мМ, который может быть заменен другим ионами двухвалентных металлов, таким как Мп2 +. Он активен в широком диапазоне pH от 7 до 10. Kensuke Yonemura с соавторами (Yonemura et al., Isolation and Characterization of Nucleases from a Clinical Isolate of S.marcescens kums 3958, //Biochem.- 1983. -93. -p. 1287-1295) установили, что фермент имеет наибольшую активность при pH 8,0, а также характеризуется большой устойчивостью к некоторым денатурирующим агентам, таким как мочевина или меркаптоэтанол. It is a nuclease of the gram-negative bacterium S.marcescens, which has high activity and stability. In Marion Nestle, D W. K. Roberts, Purification and some properties of the enzyme,// The Journal of Biological Chemistry. -1969. -V. 244.- N. 19.- p.5213-5218, describes the isolation of an extracellular nuclease from S. marcescens, which hydrolyzed DNA and RNA at the same rate. In another work, the authors (Marion Nestle, D W. K. Roberts, Specificity of the enzyme,// The Journal of Biological Chemistry.- 1969.- V. 244.- N. 19.- p. 5219-5225) investigated the specificity of the isolated extracellular nuclease from S. marcescens and concluded that the enzyme hydrolyzes both double-stranded and single-stranded DNA, as well as RNA to 5'-phosphorylated tetra, tri-, di-, and also in a small number of mononucleotides. The enzyme requires Mg2+ as a cofactor at concentrations of 5 to 10 mM, which can be replaced by other divalent metal ions such as Mn2+. It is active over a wide pH range from 7 to 10. Kensuke Yonemura et al. (Yonemura et al., Isolation and Characterization of Nucleases from a Clinical Isolate of S.marcescens kums 3958, //Biochem.- 1983. -93. -p. 1287-1295) found that the enzyme has the highest activity at pH 8.0 and is also highly resistant to certain denaturing agents such as urea or mercaptoethanol.
Филимонова М.Н с соавторами в своей работе сообщают о некоторых физико- химических свойствах эндонуклеазы S.marcescens. Ими определен аминокислотный состав фермента. Показано, также, что белковая молекула содержит 1 SH-группу и 1 S — S- связь. Установлено, что N-концевой аминокислотой является треонин (Филимонова М.Н., Баратова Л.А., Воспельникова Н.Д., Желтова А.О., Лещинская И.Б., Эндонуклеаза S. marcescens. Характеристика фермента.// Биохимия.- 1981. -Т. 46.- Вып. 9.- с.- 1660-1665). Filimonova M.N. with co-authors in their work report some physicochemical properties of S. marcescens endonuclease. They determined the amino acid composition of the enzyme. It has also been shown that the protein molecule contains 1 SH-group and 1 S-S-bond. It has been established that the N-terminal amino acid is threonine (Filimonova M.N., Baratova L.A., Vospelnikova N.D., Zheltova A.O., Leschinskaya I.B., S. marcescens endonuclease. Characterization of the enzyme.// Biochemistry.- 1981. - T. 46.- Issue 9.- p.- 1660-1665).
S.marcescens, патогенная грамотрицательная кишечная бактерия, внеклеточно секретирует помимо нуклеазы еще несколько белков: две липазы, две хитиназы и две протеазы (Mitchell D. Miller, Michael J. Benedik, Merry C. Sullivan, Nancy S. Shipley and Kurt L. Krause, Crystallization and Preliminary Crystallographic Analysis of a Novel Nuclease from S. marcescens//.!. Mol. Biol. -1991.- 222.- p.27-30). S.marcescens использует различные секреторные системы, с помощью которых она экспортирует белки в культуральную среду. Механизм экспорта нуклеазы остается неясным и имеет особенности, предполагающие, что он может быть уникальным. Эффективность и кинетика секреции нуклеазы Serratia регулируется многими факторами, такими, как физиология клетки, состав питательной среды, условиями роста и мутациями клетки-хозяина (Yousin Suh, Shida Jin, Timothy К. Ball, Michael J. Benedik, Two-Step Secretion of the S. marcescens Extracellular Nuclease// Journal of Bacteriology.- 1996.- 7.- p. 3771-3778.; Michael J. Benedik, Ulrich Strych, S. marcescens and its extracellular nuclease// FEMS Microbiology Letters.- 1998. -165. -p.- 1-13). Кроме того, помимо основной изоформы секретируемой нуклеазы, в среде присутствуют и другие изоформы, идентифицированные капиллярным электрофорезом (Jytte Pedersen and Mikael Pedersen, Separation of isoforms of S.marcescens nuclease by capillary electrophoresis// Journal of Chromatography.- 1993.- 645. -p. 353-361). Все эти, выше указанные аспекты, затрудняют использование бактерии S.marcescens в качестве культуры для экономически выгодного производства нуклеазы в достаточных количествах и с требуемой чистотой. S.marcescens, a pathogenic gram-negative intestinal bacterium, extracellularly secretes several other proteins in addition to the nuclease: two lipases, two chitinases, and two proteases (Mitchell D. Miller, Michael J. Benedik, Merry C. Sullivan, Nancy S. Shipley and Kurt L. Krause , Crystallization and Preliminary Crystallographic Analysis of a Novel Nuclease from S. marcescens //.!. Mol. Biol. -1991.-222.-p.27-30). S.marcescens uses various secretory systems by which it exports proteins into the culture medium. The nuclease export mechanism remains unclear and has features suggesting that it may be unique. The efficiency and kinetics of Serratia nuclease secretion is regulated by many factors such as cell physiology, nutrient composition, growth conditions, and host cell mutations (Yousin Suh, Shida Jin, Timothy K. Ball, Michael J. Benedik, Two-Step Secretion of the S. marcescens Extracellular Nuclease // Journal of Bacteriology.- 1996.- 7.- pp. 3771-3778.; Michael J. Benedik, Ulrich Strych, S. marcescens and its extracellular nuclease// FEMS Microbiology Letters.- 1998. - 165.-p.-1-13). In addition, in addition to the main isoform of the secreted nuclease, other isoforms are also present in the medium, identified by capillary electrophoresis (Jytte Pedersen and Mikael Pedersen, Separation of isoforms of S. marcescens nuclease by capillary electrophoresis// Journal of Chromatography.-1993.-645.-p. 353-361). All of these above aspects make it difficult to use the bacterium S. marcescens as a culture for the economical production of nuclease in sufficient quantities and with the required purity.
С применением рекомбинантных технологий получают желаемый продукт с использованием организмов стандартной экспрессии путем гетерологичной экспрессии, т.е. генетическая информация о желаемом белке включается в экспрессирующий организм, который затем осуществляет экспрессию, т.е. е. синтез чужеродного белка. Это часто имеет то преимущество, что производительность этих экспрессирующих организмов может быть значительно увеличена по сравнению с исходным организмом, и разработаны установленные процессы для культивирования экспрессирующих организмов и их дальнейшей очистки для изготовления конечного продукта. With the use of recombinant technologies, the desired product is obtained using standard expression organisms by heterologous expression, i.e. the genetic information for the desired protein is incorporated into the expressing organism, which then carries out the expression, ie. e. foreign protein synthesis. This often has the advantage that the productivity of these expression organisms can be greatly increased compared to the parent organism, and established processes have been developed for culturing the expression organisms and further purifying them for the manufacture of the final product.
Особенность нуклеаз в том, что они могут оказывать высокий токсический потенциал на организм-хозяин, если нуклеаза уже переходит в активную форму в цитозоле, она расщепляет нуклеиновые кислоты клетки хозяина и вызывает их гибель или подавляет их рост, что затрудняет экспрессию нуклеазы в других клетках-хозяевах (Michael J. Benedik, Ulrich Strych, S. marcescens and its extracellular nuclease// FEMS Microbiology Letters.- 1998.- 165. -p.- 1-13). The peculiarity of nucleases is that they can have a high toxic potential on the host organism, if the nuclease is already converted into an active form in the cytosol, it cleaves the nucleic acids of the host cell and causes their death or inhibits their growth, which makes it difficult for the expression of the nuclease in other cells - hosts (Michael J. Benedik, Ulrich Strych, S. marcescens and its extracellular nuclease// FEMS Microbiology Letters.- 1998.- 165. -p.- 1-13).
Timothy K. Ball с соавторами сообщили о клонировании гена секретируемой нуклеазы из S.marcescens и его полную нуклеотидную последовательность. Оказалось, что для внеклеточной секреции нуклеазы в E.coli дополнительные гены не требуются, из чего был сделан вывод, что E.coli способна секретировать определенные белки внеклеточно (Timothy К. Ball, Peter N. Saurugger and Michael J. Benedik, The extracellular nuclease gene of S.marcescens and its secretion from Escherichia coli // Gene.- 1987.-57.- c. 183-192). Kirsten Biederman с соавторами сообщили об определении первичной структуры и физико- химических свойства нуклеазы, экспрессируемой и секретируемой Escherichia coli. Плазмида несла последовательность ДНК, выделенную из S.marcescens, кодирующую фермент. Во время культивирования клеток E.coli 85% фермента высвобождалось в культуральную жидкость. Фермент был очищен и показал единственную полосу с молекулярной массой около 30 600 дальтон на SDS-PAGE и был аналогичен нуклеазе, выделенной из S.marcescens. Аминокислотный состав и аминокислотная последовательность полученного фермента, определенные авторами, подтвердили первичную структуру из 245 аминокислот, предсказанную на основе последовательности ДНК (Kirsten Biederman, Pia Knak Jepsen, Erik Riise, lb Svendsen, Purification and Characterization of a S.marcescens Nuclease produced by Esherichia Coli // Carlsberg Res. Commun.- 1989.-V. 54,- p. 17-27). Timothy K. Ball et al reported the cloning of the secreted nuclease gene from S. marcescens and its complete nucleotide sequence. It turned out that extracellular secretion of nuclease in E. coli does not require additional genes, from which it was concluded that E. coli is able to secrete certain proteins extracellularly (Timothy K. Ball, Peter N. Saurugger and Michael J. Benedik, The extracellular nuclease gene of S. marcescens and its secretion from Escherichia coli // Gene.- 1987.-57.- pp. 183-192). Kirsten Biederman et al reported the determination of the primary structure and physicochemical properties of the nuclease expressed and secreted by Escherichia coli. The plasmid carried a DNA sequence isolated from S. marcescens encoding the enzyme. During the cultivation of E. coli cells, 85% of the enzyme was released into the culture fluid. The enzyme was purified and showed a single band with a molecular weight of about 30,600 daltons on SDS-PAGE and was similar to the nuclease isolated from S. marcescens. The amino acid composition and amino acid sequence of the resulting enzyme, determined by the authors, confirmed a 245 amino acid primary structure predicted from a DNA sequence (Kirsten Biederman, Pia Knak Jepsen, Erik Riise, lb Svendsen, Purification and Characterization of a S.marcescens Nuclease produced by Esherichia Coli // Carlsberg Res. Commun.- 1989.-V 54, - pp. 17-27).
В публикациях ЕР О 229 866 Al Bacterial enzymes and method for their production, US 5173418, Molin et al., Production in Esherichia Coli of Extracellular Serratia SPP Hydrolases, описан способ получения рекомбинантной нуклеазы из S.marcescens, свободной от других бактериальных белков, при этом часть фермента секретируется E.coli в культуральную среду и собирается из культуральной среды. Через 16-20 часов в стационарной фазе роста ферментационную среду из 25 литров культуры E.coli, содержащую экспрессированную рекомбинантную нуклеазу S. marcescens, собирали фильтрацией через фильтр 0,45 мкм с последующим концентрированием ультрафильтрацией через мембрану 10 000 дальтон. После диализа против 10 мМ трис-НС1 (pH 7,5), 1 мМ EDTA препарат фильтровали через стеклянный фильтр и фильтры 0,45 и 0,22 мкм и получали чистый фермент. EP O 229 866 Al Bacterial enzymes and method for their production, US 5173418, Molin et al., Production in Esherichia Coli of Extracellular Serratia SPP Hydrolases, describes a method for obtaining a recombinant nuclease from S. marcescens, free from other bacterial proteins, when this portion of the enzyme is secreted by E. coli into the culture medium and collected from the culture medium. After 16-20 hours in stationary growth phase, fermentation medium from 25 liters of E. coli culture containing expressed recombinant S. marcescens nuclease was collected by filtration through a 0.45 µm filter followed by concentration by ultrafiltration through a 10,000 dalton membrane. After dialysis against 10 mM Tris-HCl (pH 7.5), 1 mM EDTA, the preparation was filtered through a glass filter and 0.45 and 0.22 µm filters to obtain pure enzyme.
В публикации US 2008/0118949 Al, Pei-Chung Hsieh, Intracellular Production of Nuclease, представлен способ получения рекомбинантных нуклеаз из S.marcescens (S.marcescens) и Staphylococcus aureus (S. aureus). Он включает в себя сверхэкспрессию МБР (мальтоза-связывающий белок), являющийся частью гибридной последовательности рекомбинантного белка МБР и укороченной нуклеазы (без сигнального пептида) в растворимой форме в цитоплазме клетки-хозяина, из которой он легко извлекается методами аффинной хроматографии. Особенностью модифицированной нуклеазы является то, что более 80% экспрессированного слитого белка нуклеазы диспергировано в цитоплазме клетки-хозяина. Со 100 мл клеточной культуры E.coli авторы получали 3,2 мг рекомбинантного слитого белка- МБР- нуклеазы. US 2008/0118949 Al, Pei-Chung Hsieh, Intracellular Production of Nuclease, presents a method for producing recombinant nucleases from S. marcescens (S. marcescens) and Staphylococcus aureus (S. aureus). It involves overexpression of MBP (maltose-binding protein), which is part of the hybrid sequence of the recombinant MBP protein and a truncated nuclease (without signal peptide) in a soluble form in the cytoplasm of the host cell, from which it is easily extracted by affinity chromatography methods. A feature of the modified nuclease is that more than 80% of the expressed nuclease fusion protein is dispersed in the cytoplasm of the host cell. With 100 ml of E. coli cell culture, the authors received 3.2 mg of the recombinant MBR nuclease fusion protein.
В публикации US 9 796 994 В2, Thomas Greiner, Stefan Schoenert, Method for Producing S.marcescens Nuclease using a Bacillus expression host, описан способ получения рекомбинантной нуклеазы из Serratia marscens в Bacillus sp. Показано, что нуклеазы грамотрицательных бактерий могут быть получены с высокими выходами и высокой чистотой в грамположительных бактериях путем гетерологичной экспрессии. В частности, было обнаружено, что нуклеаза S.marcescens может эффективно экспрессироваться в Bacillus sp. секрецией в культуральную среду. Заявленным способом авторы получали до 100 000 единиц активности на 1 мл культуральной среды. Препарат нуклеазы по изобретению предпочтительно имел от 250 единиц эндотоксина (EU) до 1 EU на мега единиц (1 000 000 ME) нуклеазной активности. US 9 796 994 B2, Thomas Greiner, Stefan Schoenert, Method for Producing S. marcescens Nuclease using a Bacillus expression host, describes a method for producing recombinant nuclease from Serratia marscens in Bacillus sp. It has been shown that nucleases from gram-negative bacteria can be obtained with high yields and high purity in gram-positive bacteria by heterologous expression. In particular, it has been found that S. marcescens nuclease can be efficiently expressed in Bacillus sp. secretion into the culture medium. By the claimed method, the authors received up to 100,000 units of activity per 1 ml of culture medium. The nuclease preparation of the invention preferably has 250 endotoxin units (EU) to 1 EU per mega units (1,000,000 IU) of nuclease activity.
В таблице 1 (US 9796 994 В2, Thomas Greiner ; Stefan Schoenert Method for Producing S.marcescens Nuclease using a Bacillus expression host) сопоставлены выходы экспрессированной нуклеазы, полученные в разных хозяевах. Столбец (1) показывает лучший выход экспрессии нуклеазы из грамотрицательного хозяина S.marcescens в грамотрицательном хозяине Escherichia coli и (2) показывает выход экспрессии нуклеазы из грамотрицательного хозяина S.marcescens в грамположительном хозяине Bacillus subtilis. Table 1 (US 9796 994 B2, Thomas Greiner; Stefan Schoenert Method for Producing S. marcescens Nuclease using a Bacillus expression host) compares the yields of expressed nuclease obtained in different hosts. Column (1) shows the best nuclease expression yield from a Gram negative S. marcescens host in a Gram negative Escherichia coli host and (2) shows a nuclease expression yield from a Gram negative S. marcescens host in a Gram positive Bacillus subtilis host.
Таблица 1. Table 1.
Выходы экспрессированной нуклеазы, полученные в разных хозяевах
Figure imgf000011_0001
Yields of Expressed Nuclease Obtained in Different Hosts
Figure imgf000011_0001
Выше указанные способы производства имеют очевидные недостатки для получения фермента в промышленных масштабах, самым существенным, из которых является низкий выход целевого белка даже при экспрессии в Bacillus subtilis (см. таблица 1). The above production methods have obvious disadvantages for obtaining the enzyme on an industrial scale, the most significant of which is the low yield of the target protein even when expressed in Bacillus subtilis (see table 1).
К другим недостаткам указанных способов производства неспецифической нуклеазы можно отнести и то, что микроорганизмы или бактериальные источники, используемые для производства, являются либо патогенами человека, либо эти микроорганизмы и источники требуют относительно сложных ростовых сред и условий, либо требуют особых методов и технических решений для получения качественного очищенного препарата. Other disadvantages of these methods for the production of non-specific nuclease include the fact that the microorganisms or bacterial sources used for production are either human pathogens, or these microorganisms and sources require relatively complex growth media and conditions, or require special methods and technical solutions to obtain high-quality purified product.
Таким образом, очевидна востребованность в экономичном, качественном отечественном препарате неспецифической нуклеазы, который соответствует строгим требованиям, предъявляемым к препаратам, использующимся для биофармацевтического производства. Thus, there is an obvious demand for an economical, high-quality domestic preparation of non-specific nuclease, which meets the strict requirements for drugs used for biopharmaceutical production.
Ц,елью настоящего изобретения является предоставление способа для получения фермента эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной, экспрессированной в Escherichia coli и накапливающейся преимущественно в виде нерастворимой фракции. The goal of the present invention is to provide a method for producing a S. marcescens endonuclease enzyme recombinantly expressed in Escherichia coli and accumulated predominantly as an insoluble fraction.
Наиболее близким по назначению предложенному способу является техническое решение, изложенное в статье Peter Friedhoff с соавторами (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow and Alfred Pingoud, Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular S.marcescens endonuclease by alignment-guided mutagenesis// Nucleic Acids Research.- 1994.- V. 22.- No.16.-p. 3280-3287). В более ранней своей работе (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow, Thomas Riiter, Wolfgang Wende, Claus Urbanke, Hubert Thole and Alfred Pingoud, A procedure for Renaturation and Purification of the Extracellular S. marcescens Nuclease from Genetically Engineered Escherichia coli // Protein Expression and purification. - 1994. -5. -p.37-43) авторы сообщали о создании генетической конструкции, содержащей гены экстрацеллюлярной нуклеазы из S.marcescens, которые были получены в результате скрининга геномной библиотеки S.marcescens. Затем стандартными методами была получена плазмида, несущая ген нуклеазной активности pSmaNuc под контролем Рь- промотора. Для экспрессии нуклеазы плазмида была трансформирована в штамм E.coli DH5a. Культура рутинно выращивалась при 28°С в среде LB. Индукцию Рь- промотора производили ростом температуры с 28°С до 42°С. Экспрессированный белок накапливался преимущественно в клетке в виде нерастворимой фракции - телец включения. После 2,5 ч ферментирования клетки собирались центрифугированием. Полученные клетки суспендировали в буфере для лизиса -10 мМ трис-НС1, 1 мМ EDTA, pH 8,2. Клетки разрушали при 4 °C с помощью ультразвукового дезинтегратора. Осадок собирали центрифугированием и растворяли в буфере 10 мМ Трис-НС1, 6 М мочевина, pH 8,2, в течение ночи. Лизат осветляли центрифугированием, осадок отбрасывали, а супернатант диализовали против буфера 50 шМ натрий-ацетат, pH 5,2. Нерастворимый осадок удаляли центрифугированием, осветленный лизат подвергали хроматографии на фосфоцеллюлозе РП, целевой белок элюировали с носителя линейным градиентом молярности и pH : от 50 шМ натрий-ацетат, pH 5,2 до 250 шМ натрий-ацетат, pH 7,5. Фракции, обогащенные белком собирали, диализовали против 10 мМ Трис-НС1, pH 8,2 и концентрировали белок на DE 52, элюировали белок 10 мМ Трис-НС1, 0,5 М NaCl,pH 8,2. Получали с 0,5 л культуральной среды 10 мг целевого белка, с общей активностью 80 000 000 Ед (активность белка определяли по модифицированной методике Kunitz для ДНК-азы I). В следующей своей работе авторы (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow and Alfred Pingoud, Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular S.marcescens endonuclease by alignment- guided mutagenesis// Nucleic Acids Research.- 1994.- V. 22.- No.16.-p. 3280-3287) описывают создание генетической конструкции, наиболее близкой к настоящему изобретению. Была получена плазмида, содержащая ген нуклеазы S.marcescens с N-концевым Hisb-тагом под контролем PL -промотора. Для трансформации были использованы штаммы E.coli - LK111 и TGE900. Индукцию также начинали повышением температура до 42 0 С в течение 15 мин. Через 1 - 1,5 ч ферментации клетки собирали центрифугированием, промывали STE- буфером (8% (мае. / об.) сахароза, 50 мМ Трис-НС1, pH 8,0, 5 мМ ЭДТА) и снова центрифугировали. Индуцированные клетки хранили при -20 °C или использовали непосредственно для выделения белка. Ц,елевой белок выделяли следующим образом, 500 мг индуцированных клеток оттаивали и ресуспендировали примерно в 20 мл 10 мМ трис- НС1, 1 мМ EDTA, pH 8,2. Клетки разрушали обработкой ультразвуком при 4 0 С. Нерастворимую фракцию осаждали центрифугированием. Осадок ресуспендировали в 20 мл буфера 10 мМ Трис-НС1, 6 М мочевина, 10 мМ имидазол, pH 8,2 в течение ночи. Нерастворимый дебрис удаляли центрифугированием. Супернатант наносили на колонку со смолой Ni-NTA, уравновешенную буфером 10 мМ Трис-НС1, 6 М мочевина, 10 мМ имидазол. Фракцию, не сорбировавшуюся на колонке, снова подавали на колонку со смолой Ni-NTA, и эту процедуру повторяли дважды. Белок элюировали с использованием буфера 10 мМ Трис-НС1, 6 М мочевина, 200 мМ имидазол, pH 8,2 по фракциям. Фракции, содержащие нуклеазу, объединяли и тщательно диализовали против 10 мМ трис-НС1, pHThe closest in purpose to the proposed method is technical the solution outlined in the article by Peter Friedhoff et al. .- No.16.-p. 3280-3287). In his earlier work (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow, Thomas Riiter, Wolfgang Wende, Claus Urbanke, Hubert Thole and Alfred Pingoud, A procedure for Renaturation and Purification of the Extracellular S. marcescens Nuclease from Genetically Engineered Escherichia coli // Protein Expression and purification.-1994.-5.-p.37-43), the authors reported the creation of a genetic construct containing extracellular nuclease genes from S. marcescens, which were obtained by screening the genomic library of S. marcescens. Then, using standard methods, a plasmid carrying the pSmaNuc nuclease activity gene under the control of the Pb promoter was obtained. To express the nuclease, the plasmid was transformed into the E. coli DH5a strain. The culture was routinely grown at 28°C in LB medium. The Pb promoter was induced by increasing the temperature from 28°C to 42°C. The expressed protein accumulated mainly in the cell in the form of an insoluble fraction - inclusion bodies. After 2.5 hours of fermentation, cells were harvested by centrifugation. The resulting cells were suspended in lysis buffer -10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8.2. Cells were disrupted at 4°C using an ultrasonic disintegrator. The precipitate was collected by centrifugation and dissolved in 10 mM Tris-HCl, 6 M urea, pH 8.2 buffer overnight. The lysate was clarified by centrifugation, the precipitate was discarded, and the supernatant was dialyzed against 50 nM sodium acetate buffer, pH 5.2. The insoluble precipitate was removed by centrifugation, the clarified lysate was subjected to chromatography on phosphocellulose RP, the target protein was eluted from the carrier with a linear molarity gradient and pH: from 50 nM sodium acetate, pH 5.2 to 250 nM sodium acetate, pH 7.5. The protein enriched fractions were collected, dialyzed against 10 mM Tris-HCl, pH 8.2, and the protein was concentrated on DE 52, the protein was eluted with 10 mM Tris-HCl, 0.5 M NaCl, pH 8.2. Received with 0.5 l of culture medium 10 mg of the target protein, with a total activity of 80,000,000 units (protein activity was determined by the modified Kunitz method for DNase I). In their next work, the authors (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow and Alfred Pingoud, Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular S. marcescens endonuclease by alignment-guided mutagenesis// Nucleic Acids Research.- 1994.- V. 22.- No. 16.-p. 3280-3287) describe the creation of a genetic construct closest to the present invention. A plasmid was obtained containing the S. marcescens nuclease gene with an N-terminal Hisb tag under control of the PL-promoter. For transformation were used strains of E. coli - LK111 and TGE900. Induction was also started by raising the temperature to 42 0 C for 15 minutes. After 1 - 1.5 h of fermentation, cells were harvested by centrifugation, washed with STE buffer (8% (w/v) sucrose, 50 mM Tris-HCl, pH 8.0, 5 mM EDTA) and centrifuged again. The induced cells were stored at -20°C or used directly for protein isolation. The cyle protein was isolated as follows, 500 mg of induced cells were thawed and resuspended in about 20 ml of 10 mM Tris-HC1, 1 mM EDTA, pH 8.2. The cells were destroyed by sonication at 40 C. The insoluble fraction was precipitated by centrifugation. The pellet was resuspended in 20 ml of buffer 10 mM Tris-HCl, 6 M urea, 10 mM imidazole, pH 8.2 overnight. Insoluble debris was removed by centrifugation. The supernatant was applied to a Ni-NTA resin column equilibrated with 10 mM Tris-HCl buffer, 6 M urea, 10 mM imidazole. The fraction not adsorbed on the column was again applied to the Ni-NTA resin column and this procedure was repeated twice. The protein was eluted using 10 mM Tris-HCl buffer, 6 M urea, 200 mM imidazole, pH 8.2 by fractions. Fractions containing nuclease were pooled and extensively dialyzed against 10 mM Tris-HCl, pH
8.2. После диализа любой осадок удаляли центрифугированием. Супернатант содержал чистую нуклеазу и хранился при 4° С. Выход нуклеазы по дикому типу (wt HisNuc) на литр культуры составил - 25 мг (0,025 мг /мл) (45 000 000 Ед, активность белка определяли по методике Kunitz ). 8.2. After dialysis, any precipitate was removed by centrifugation. The supernatant contained pure nuclease and was stored at 4°C. The yield of wild-type nuclease (wt HisNuc) per liter of culture was 25 mg (0.025 mg/ml) (45,000,000 U; protein activity was determined by the Kunitz method).
Недостатками прототипа является: The disadvantages of the prototype are:
- заниженный выход рекомбинантной нуклеазы S.marcescens по сравнению с предложенным в заявленном изобретении способом; - underestimated yield of recombinant nuclease S.marcescens compared to the method proposed in the claimed invention;
- трудности технического характера при масштабировании лабораторной методики в промышленное производство; - difficulties of a technical nature when scaling a laboratory technique into industrial production;
- Не охарактеризован полученный продукт на содержание примесей клеточных белков хозяина и эндотоксинов для применения на биофармацевтическом производстве; - The resulting product has not been characterized for the content of impurities of host cellular proteins and endotoxins for use in biopharmaceutical production;
Известный способ был использован в заявленном изобретении в части использования в качестве денатурирующего агента 6М мочевину в буфере 10 мМ Трис, pHThe known method was used in the claimed invention in terms of using 6M urea in 10 mM Tris buffer, pH as a denaturing agent.
8.2, содержащем имидазол, но примерно в три раза меньше концентрации, а именно 3 мМ, а не 10 мМ, и использование для очистки денатурированного белка аффинной хроматографии на Ni-NTA сорбенте в денатурирующих условиях. 8.2 containing imidazole, but about three times less concentration, namely 3 mm, not 10 mm, and the use of affinity chromatography on a Ni-NTA sorbent for purification of denatured protein under denaturing conditions.
Для решения задачи получения высокоочищенного и активного препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens в промышленных объемах в заявленном изобретении предложен оригинальный способ получения рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens, включающий синтез оптимизированной для трансляции в E.coli последовательности ДНК, кодирующий белок эндонуклеазу S.marcescens, конструирование экспрессионного плазмидного вектора, кодирующего химерный белок с С - концевой химеризацией, длиною 255 аминокислотных остатков и расчетной молекулярной массой 29,9 кДа, получение рекомбинантного белка продукцией в E.coli в виде нерастворимых телец включения, получение и отмывку телец включения с последующей солюбилизацией тел включения и очисткой денатурированного восстановленного белка на Ni- IMAC Sepharose в денатурирующих и восстанавливающих условиях, рефолдингом с целью получения активной формы белка за счет образования 2-х дисульфидных связей внутри молекулы, и далее хроматографичекую очистку белка из рефолдируемой смеси, где первую стадию проводят с помощью металлохелатной хроматографии на Ni-IMAC Sepharose. Далее проводят концентрирующую и полирующую анионообменую хроматографию с получением готовой формы высокоочищенного активного препарата рекомбинантной эндонуклеаз S.marcescens, пригодного для удаления примесей нуклеиновых кислот в биофармацевтическом производстве, не менее 700 мг с литра бактериальной культуры. To solve the problem of obtaining a highly purified and active drug of recombinant S. marcescens endonuclease in industrial volumes, the claimed invention proposes an original method for obtaining recombinant S. marcescens endonuclease, including the synthesis of a DNA sequence optimized for translation in E. coli, encoding the S. marcescens endonuclease protein, construction of an expression plasmid vector encoding a chimeric protein with C - terminal chimerization, 255 amino acid residues in length and an estimated molecular weight of 29.9 kDa, obtaining a recombinant protein by production in E. coli in the form of insoluble inclusion bodies, obtaining and washing the inclusion bodies, followed by solubilization of the inclusion bodies and purification of the denatured reduced protein on Ni-IMAC Sepharose under denaturing and reducing conditions, refolding to obtain the active form of the protein due to the formation of 2 disulfide bonds within the molecule, and then chromatographic purification of the protein from the refolded mixture, where the first stage is carried out using a metal chelate chromatography on Ni-IMAC Sepharose. Next, concentrating and polishing anion-exchange chromatography is carried out to obtain a finished form of a highly purified active preparation of recombinant S.marcescens endonucleases, suitable for removing nucleic acid impurities in biopharmaceutical production, at least 700 mg per liter of bacterial culture.
Основным техническим результатом изобретения является получение в промышленных масштабах высокоочищенного и активного препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens, пригодного для использования на производстве лекарственных препаратов и для изучения структуры и свойств полинуклеотидов. The main technical result of the invention is the production on an industrial scale of a highly purified and active preparation of recombinant S. marcescens endonuclease suitable for use in the manufacture of drugs and for studying the structure and properties of polynucleotides.
Осуществление изобретения раскрыто в одном из его возможных воплощений, специалистам понятно, что могут быть использованы различные штаммы E.Coli, нуклеотидные и аминокислотные последовательности могут быть в известных пределах модифицированы, параметры очистки хроматографией на каждой отдельной стадии также могут варьировать. В одном из воплощений был создан штамм генно-инженерно- модифицированного микроорганизма E.coli BL21(DE3)/pGNR-095-001: штамм получен трансформацией реципиентного штамма-хозяина BL21(DE3) плазмидой pGNR095-001 несущей ген эндонуклеазы S.marcescens, составной частью которого являются последовательности 249 аминокислотных остатков эндонуклеазы S.marcescens и 6 аминокислотных остатков содержащих гексагистидиновый тэг на С-конце. В существующих гис-тагированных вариантах молекулы эндонуклеазы S .marcescens 6His-Tar помещен на N- конец, как и в прототипе изобретения, вероятно с целью увеличения выхода растворимого активного белка. Мы же предлагаем вариант с eHis-тагом на С-конце с увеличением выхода сверхэкспрессированного нерастворимого белка, что верно для многих белков, согласно литературным данным (Esmeralda A. Woestenenk, Martin Hammarstrom, Susanne van den Berg, Torleif Hard and Helena Berglund, His tag effect on solubility of human proteins produced in Escherichia coli: a comparison between four expression vectors // Journal of Structural and Functional Genomics.- 2004.-5.- p. 217-229). Благодаря предлагаемому способу достигается высокий выход целевого продукта, что делает процесс рентабельным. На Фиг.1. представлена плазмидная карта pGNR-095-001 (экспрессионный вектор для получения эндонуклеазы S.marcescens). The implementation of the invention is disclosed in one of its possible embodiments, specialists understand that different strains of E. Coli can be used, nucleotide and amino acid sequences can be modified within certain limits, purification parameters by chromatography at each individual stage can also vary. In one of the embodiments, a strain of a genetically modified microorganism E. coli BL21(DE3)/pGNR-095-001 was created: the strain was obtained by transforming the recipient host strain BL21(DE3) with the plasmid pGNR095-001 carrying the S. marcescens endonuclease gene, a composite part of which are the sequences of 249 amino acid residues of S. marcescens endonuclease and 6 amino acid residues containing a hexahistidine tag at the C-terminus. In the existing his-tagged variants, the S. marcescens 6His-Tar endonuclease molecule is placed at the N-terminus, as in the prototype of the invention, probably in order to increase the yield soluble active protein. We propose a variant with an eHis tag at the C-terminus with an increase in the yield of overexpressed insoluble protein, which is true for many proteins, according to the literature (Esmeralda A. Woestenenk, Martin Hammarstrom, Susanne van den Berg, Torleif Hard and Helena Berglund, His tag effect on solubility of human proteins produced in Escherichia coli: a comparison between four expression vectors // Journal of Structural and Functional Genomics.- 2004.-5.-p. 217-229). Thanks to the proposed method, a high yield of the target product is achieved, which makes the process cost-effective. In Fig.1. plasmid map pGNR-095-001 (expression vector for S. marcescens endonuclease production) is presented.
В заявленном изобретении критическое значение имеет схема рефолдинга. Рефолдинг требуется, так как белок синтезируется в бактериальной цитоплазме преимущественно в не растворенном состоянии в виде телец включения при культивировании E.coli BL21(DE3)/pGNR-095-001 с уровнем биосинтеза не менее 1300 мг /л культуральной жидкости. В предложенном масштабируемом способе очистки рефолдинг рекомбинантной эндонуклеазы Serratia marcescens проводится методом разбавления при концентрации рефолдируемого белка от 0,3 до 0,5 г/л. В этом заключается существенное отличие от прототипа, где используется метод диализа, обычно технически трудно выполнимый для масштабирования и переноса на производство. Типичные концентрации рефолдинга для сложных молекул, таких как молекулы, содержащие два или более дисульфида, составляют менее 0,05 г / л и более типично 0,001- 0,01 г / л (Biomolecules.- 2014.- 4.- р.- 235-251; Biotechnol. J. -2012.- 7. -р.1-15), таким образом, данная модификаиция является неочевидной, при том, что позволяет внести существенное усовершенствование в способ. In the claimed invention, the refolding scheme is of critical importance. Refolding is required, since the protein is synthesized in the bacterial cytoplasm mainly in the undissolved state in the form of inclusion bodies during cultivation of E. coli BL21(DE3)/pGNR-095-001 with a biosynthesis level of at least 1300 mg/l of culture fluid. In the proposed scalable purification method, the refolding of the recombinant Serratia marcescens endonuclease is carried out by the dilution method at the concentration of the refolded protein from 0.3 to 0.5 g/L. This is a significant difference from the prototype, which uses the method of dialysis, which is usually technically difficult to scale and transfer to production. Typical refolding concentrations for complex molecules, such as those containing two or more disulfides, are less than 0.05 g/l and more typically 0.001-0.01 g/l (Biomolecules.- 2014.- 4.- p.- 235 -251; Biotechnol. J. -2012.-7.-p.1-15), thus, this modification is not obvious, while allowing a significant improvement in the method.
С использованием представленного описания, специалисту будет понятно, что в различных вариантах воплощения изобретения возможны различные частные случаи его осуществления, не влияющие на масштабируемость предложенного способа очистки. При том, что наилучшие результаты были получены с использованием буфера для рефолдинга, содержащего денатурирующий агент мочевину в концентрации 1 М, подавитель агрегации глицерин в концентрации 10%, данные значения могут варьировать в известных специалисту пределах. Наилучшие выходы целевого белка получены при использовании окислительно/ восстановительной пары 0,3mM L-цистин / 5шМ 2-меркаптоэтанол, однако, в ее отсутствие проведение рефолдинга так же возможно. При проведении рефолдинга наилучшие результаты были получены в буфере 20тМ Трис-HCl, рН-8.2, при постоянном перемешивании при 4 °C в аэробных условиях в течение 60 часов.Using the presented description, it will be clear to the specialist that in various embodiments of the invention, various special cases of its implementation are possible, without affecting the scalability of the proposed purification method. While the best results were obtained using a refolding buffer containing the denaturing agent urea at a concentration of 1 M, the aggregation inhibitor glycerol at a concentration of 10%, these values may vary within the limits known to the person skilled in the art. The best yields of the target protein were obtained using the redox pair 0.3mM L-cystine / 5mM 2-mercaptoethanol, however, in its absence, refolding is also possible. During refolding, the best results were obtained in 20 mM Tris-HCl buffer, pH-8.2, at constant stirring at 4 °C under aerobic conditions for 60 hours.
Предложенный вариант рефолдинга продемонстрировали стабильную масштабируемость от 1,5 л до 10,5 л с выходом желаемого продукта приблизительно 50% в обоих масштабах. Данный технический результат необходим для получения активного целевого белка и проведения дальнейшей очистки, так как именно на этой стадии происходит структурная сборка молекулы целевого белка за счёт образования дисульфидных связей внутри молекулы. Правильно рефолдированный активный белок должен иметь две внутрицепочечные дисульфидные связи. Далее очистку можно проводить так, как это указано в прототипе, либо, для получения высокоочищенного белка, применить дополнительные стадии очистки. The proposed refolding variant demonstrated stable scalability from 1.5 L to 10.5 L with approximately 50% yield of the desired product on both scales. This technical result is necessary to obtain an active target protein and carry out further purification, since it is at this stage that the structural assembly of the target protein molecule occurs due to the formation of disulfide bonds within the molecule. A properly folded active protein must have two intrachain disulfide bonds. Further purification can be carried out as indicated in the prototype, or, to obtain a highly purified protein, apply additional purification steps.
Одним из частных вариантов воплощения является также растворение отмытых телец включения в растворе 6 М мочевины в присутствии восстановителя 20 мМ 2- Меркаптоэтанола при pH 8,2. В отличие от известных приемов, когда при солюбилизации нерастворимой фракции используется только хаотропный агент, а именно 6М мочевина, в заявленном способе используют и восстанавливающий агент 2-Меркаптоэтанол. One particular embodiment is also the dissolution of the washed inclusion bodies in a solution of 6 M urea in the presence of the reducing agent 20 mM 2-Mercaptoethanol at pH 8.2. In contrast to the known methods, when only a chaotropic agent, namely 6M urea, is used in the solubilization of the insoluble fraction, the reducing agent 2-Mercaptoethanol is also used in the claimed method.
Одним из частных вариантов воплощения является хроматографическая очистка денатурированного и восстановленного белка из раствора телец включения на сорбенте IMAC -Ni в восстанавливающих и денатурирующих условиях. Совместимость матрицы IMAC с широким спектром химических веществ, таких как хаотропы, соли, органические растворители, детергенты, восстанавливающие агенты, делает ее незаменимой для очистки His-тагированных рекомбинантных белков, которые необходимо очистить в денатурированной форме. One particular embodiment is the chromatographic purification of denatured and reduced protein from a solution of inclusion bodies on an IMAC-Ni sorbent under reducing and denaturing conditions. The compatibility of the IMAC matrix with a wide range of chemicals such as chaotropes, salts, organic solvents, detergents, reducing agents makes it indispensable for the purification of His-tagged recombinant proteins that need to be purified in denatured form.
Высокоэффективное извлечение телец включения из клеток стало возможным в результате процедуры лизиса бактериальных клеток с использованием гомогенизатора высокого давления и применением фермента эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной для уменьшения вязкости раствора и увеличения выхода активного целевого продукта. Highly efficient extraction of inclusion bodies from cells became possible as a result of the bacterial cell lysis procedure using a high-pressure homogenizer and the use of the recombinant S. marcescens endonuclease enzyme to reduce the solution viscosity and increase the yield of the active target product.
Получение готовой формы высокоочищенного препарата эндонуклеазы S.marcescens может быть достигнуто благодаря разработанной схеме получения очищенных от примесей клеточных белков телец включения в результате промывок и очистке денатурированного восстановленного белка хроматографией на Ni-IMAC Sepharose в денатурирующих и восстанавливающих условиях, оптимального рефолдинга и последующей хроматографической очистки, которая, в совокупности с применением некоторых стандартных приемов очистки белков (аффинной хроматографии на Ni- IMAC Sepharose, анионообменной хроматографии на слабом анионообменном сорбенте DEAE Sepharose FF и последующем переводе в буфер готовой формы добавлением стабилизирующих добавок непосредственно в элюат), является высокоэффективной для разделения правильно свернутого активного белка рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens и неправильно свернутой рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens и контаминирующих примесей, таких как продукты деградации, мисфолды, агрегаты и другие формы целевого белка, примесей клеточных белков, эндотоксинов, с привлекательными с коммерческой точки зрения выходами продукта, способными обеспечивать препараты рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens высокой чистоты и активности и получением стабильной готовой формы высокоочищенного препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens, не менее 700 мг с литра бактериальной культуры. Obtaining the finished form of a highly purified S.marcescens endonuclease preparation can be achieved due to the developed scheme for obtaining cellular proteins of inclusion bodies purified from impurities as a result of washings and purification of the denatured reduced protein by chromatography on Ni-IMAC Sepharose under denaturing and reducing conditions, optimal refolding and subsequent chromatographic purification, which, together with some standard protein purification techniques (Ni-IMAC affinity chromatography) Sepharose, anion exchange chromatography on a weak anion exchange sorbent DEAE Sepharose FF and subsequent transfer to the buffer of the finished form by adding stabilizing additives directly to the eluate), is highly effective for separating correctly folded active protein of recombinant S. marcescens endonuclease and misfolded recombinant S. marcescens endonuclease and contaminants such as degradation products, misfolds, aggregates and other forms of the target protein, cellular protein contaminants, endotoxins, with commercially attractive yields of the product, capable of providing preparations of recombinant S.marcescens endonuclease of high purity and activity and obtaining a stable finished form of a highly purified recombinant preparation endonuclease S. marcescens, not less than 700 mg per liter of bacterial culture.
Представленный в изобретении пример иллюстрирует получение генно-инженерной конструкции (ГИК) pGNR-095-001, в которой 6His-Tar расположен на С-конце молекулы и экспрессию целевого белка путем культивирования E.Coli BL21(DE3) /pGNR-095-001 в реакторе Biostat Bplus Twin 5L. Процесс культивирования банка клеток BL21(DE3)/pGNR- 095-001 был ориентирован на получение высокого количества биомассы с целенаправленной локализацией белка рекомбинантной эндонуклеазы S .marcescens в телах включения. The example presented in the invention illustrates the production of a genetically engineered construct (GEC) pGNR-095-001, in which 6His-Tar is located at the C-terminus of the molecule and the expression of the target protein by culturing E. Coli BL21(DE3) /pGNR-095-001 in reactor Biostat Bplus Twin 5L. The process of culturing the BL21(DE3)/pGNR-095-001 cell bank was focused on obtaining a high amount of biomass with targeted localization of the S.marcescens recombinant endonuclease protein in the inclusion bodies.
Представленный в изобретении пример иллюстрирует лизис клеточной биомассы и получение телец включения с применением фермента рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens и Mg2+ до 2 мМ. Удаление примеси геномной ДНК E.Coli, освобождающейся при лизисе с помощью нуклеазы, устраняет не только объемную вязкость и облегчает проведение лизиса на проточном дезинтеграторе высокого давления, но и повышает выход целевого белка при рефолдинге, устраняя субстрат, на котором сорбированный целевой белок не рефолдируется. Использование отмывок телец включения для удаления контаминирующих примесей клеточных компонентов уже на первой стадии буферным раствором: 10 mM Tris, 0.2% Тритон Х-100, pH 8.2 позволяет удалить некоторые контаминирующие примеси пигментов, клеточных белков и эндотоксинов уже на первой стадии. На Фиг.2 представлена электрофореграмма образцов клеточного лизата, отмывных растворов и раствора телец включения, полученного с применением отмывных растворов. Образец 1 - клеточный лизат, на электрофореграмме можем наблюдать отсутствие растворимой формы целевого белка, образцы 2 и 3 демонстрируют наличие примесных белков в отмывных растворах и отсутствие целевого белка, образцы 4 и 5 - раствор телец включения показывает наличие денатурированного химерного белка и наличие некоторого количества оставшихся клеточных белков. Для более полного удаления оставшихся примесей клеточных белков авторы изобретения применяют хроматографию в денатурирующих и восстанавливающих условиях денатурированного и восстановленного химерного белка. The example presented in the invention illustrates the lysis of cell biomass and the production of inclusion bodies using a recombinant S. marcescens endonuclease enzyme and Mg2+ up to 2 mM. Removal of the E. Coli genomic DNA impurity released during lysis with the help of nuclease not only eliminates bulk viscosity and facilitates lysis on a high-pressure flow disintegrator, but also increases the yield of the target protein during refolding, eliminating the substrate on which the adsorbed target protein is not refolded. The use of washings of inclusion bodies to remove contaminating impurities of cellular components already at the first stage with a buffer solution: 10 mM Tris, 0.2% Triton X-100, pH 8.2 makes it possible to remove some contaminating impurities of pigments, cellular proteins and endotoxins already at the first stage. Figure 2 shows the electrophoregram of samples of cell lysate, wash solutions and a solution of inclusion bodies obtained using wash solutions. Sample 1 is a cell lysate, on the electropherogram we can observe the absence of a soluble form of the target protein, samples 2 and 3 demonstrate the presence of impurities proteins in the wash solutions and the absence of the target protein, samples 4 and 5 - the solution of inclusion bodies shows the presence of a denatured chimeric protein and the presence of some remaining cellular proteins. To more completely remove the remaining impurities of cellular proteins, the inventors use chromatography under denaturing and reducing conditions of the denatured and reduced chimeric protein.
Представленный в изобретении пример иллюстрирует пример растворения полученных телец включения в соответствующем растворе мочевины, обычно на уровне, эквивалентном 6 М мочевины. Белок восстанавливали с помощью 2-Меркаптоэтанола, 10- 20 мМ, при pH 8,2, предпочтительнее 20 мМ, и инкубировали при 4°С в течение приблизительно 16-18 ч. В отличие от прототипа (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow and Alfred Pingoud, Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular S. marcescens endonuclease by alignment-guided mutagenesis// Nucleic Acids Research.- 1994.- V. 22.- No.16.-p. 3280-3287), когда при солюбилизации нерастворимой фракции используется только хаотропный агент, а именно 6М мочевина, авторы представленного изобретения используют и восстанавливающий агент 2-Меркаптоэтанол в концентрации 20 мМ. The example presented in the invention illustrates an example of the dissolution of the resultant inclusion bodies in an appropriate urea solution, typically at a level equivalent to 6 M urea. The protein was reduced with 2-Mercaptoethanol, 10-20 mM, at pH 8.2, preferably 20 mM, and incubated at 4° C. for approximately 16-18 hours. Unlike the prototype (Peter Friedhoff, Oleg Gimadutdinow and Alfred Pingoud , Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular S. marcescens endonuclease by alignment-guided mutagenesis// Nucleic Acids Research.- 1994.- V. 22.- No.16.-p. 3280-3287), when solubilized insoluble fraction, only a chaotropic agent is used, namely 6M urea, the authors of the present invention also use the reducing agent 2-Mercaptoethanol at a concentration of 20 mm.
Представленный в изобретении пример иллюстрирует хроматографическую очистку денатурированного и восстановленного белка из раствора телец включения на сорбенте IMAC -Ni в восстанавливающих и денатурирующих условиях. Подбор оптимальных условий посадки, отмывки и элюции позволяет максимально очистить денатурированный целевой белок от контаминирующих примесей клеточных белков. The example presented in the invention illustrates the chromatographic purification of a denatured and reduced protein from a solution of inclusion bodies on an IMAC-Ni sorbent under reducing and denaturing conditions. The selection of optimal conditions for planting, washing and elution allows the maximum purification of the denatured target protein from contaminating impurities of cellular proteins.
Представленный в изобретении пример рефолдинга иллюстрирует идентифицированные и оцененные условия рефолдинга, которые оптимизируют выход целевого белка и минимизируют образование агрегатов и мисфолдов. Прежде всего, была подобрана концентрация рефолдируемого белка. Типичные концентрации рефолдинга для сложных молекул, таких как молекулы, содержащие два или более дисульфида, составляют менее 0,05 г / л и более типично 0,001- 0,01 г/л (Hiroshi Yamaguchi, and Masaya Miyazaki, Refolding Techniques for Recovering Biologically Active Recombinant Proteins from Inclusion Bodies// Biomolecules.- 2014.- 4.- p.- 235-251; Satoshi Yamaguchi, Etsushi Yamamoto, Teruhisa Mannen and Teruyuki Nagamune, Protein refolding using chemical refolding additives// Biotechnol. J. -2012.- 7.-p.1- 15). В связи с большими объемами материала и размерами пула, используемыми при работе с производством белка в промышленном масштабе, можно сэкономить значительное время и ресурсы, исключив или упростив один, или несколько этапов процесса, например, увеличив концентрацию белка в рефолдируемой смеси. The example of refolding presented in the invention illustrates the identified and evaluated refolding conditions that optimize the yield of the target protein and minimize the formation of aggregates and misfolds. First of all, the concentration of the refolded protein was selected. Typical refolding concentrations for complex molecules, such as those containing two or more disulfides, are less than 0.05 g/L and more typically 0.001-0.01 g/L (Hiroshi Yamaguchi, and Masaya Miyazaki, Refolding Techniques for Recovering Biologically Active Recombinant Proteins from Inclusion Bodies// Biomolecules.- 2014.- 4.- p.- 235-251; Satoshi Yamaguchi, Etsushi Yamamoto, Teruhisa Mannen and Teruyuki Nagamune, Protein refolding using chemical refolding additives// Biotechnol. J. -2012. - 7.-p.1-15). Due to the large volumes of material and pool sizes used when working with industrial scale protein production, significant time and resources can be saved by eliminating or simplifying one or more stages of the process, for example, by increasing the protein concentration in the refolded mixture.
В заявленном способе очистки мы предлагаем проводить рефолдинг рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens методом разбавления при концентрации рефолдируемого белка от 0,3 до 0,5 г/л, что является отличием способа от прототипа. Предложены оптимальные значения стабилизирующих концентраций добавок мочевины, глицерина, pH, окислительно/ восстановительной пары, температуры и времени рефолдинга. Наилучшие результаты были получены с использованием буфера для рефолдинга, содержащего денатурирующий агент мочевину в концентрации 1,0 М, подавитель агрегации глицерин в концентрации 10%, окислительно-восстановительные компоненты 0,3mM L- цистин / 5шМ 2-мер каптоэтанол в буфере 20шМ Трис-HCl, рН-8.2, при постоянном перемешивании при 4 °C в аэробных условиях в течение 60 часов. Описанный процесс продемонстрировал стабильную масштабируемость от 1,5 л до 10,5 л с выходом желаемого продукта приблизительно 50% в обоих масштабах. In the claimed purification method, we propose to carry out refolding of recombinant S.marcescens endonuclease by dilution at a concentration of refoldable protein from 0.3 to 0.5 g/l, which is the difference between the method and the prototype. Optimal values of stabilizing concentrations of urea, glycerol, pH, redox couple, temperature and refolding time are proposed. The best results were obtained using a refolding buffer containing the denaturing agent urea at a concentration of 1.0 M, the aggregation inhibitor glycerol at a concentration of 10%, the redox components 0.3mM L-cystine / 5mM 2-mer captoethanol in 20mM Tris- HCl, pH-8.2, with constant stirring at 4 °C under aerobic conditions for 60 hours. The described process demonstrated stable scalability from 1.5 L to 10.5 L with a yield of the desired product of approximately 50% on both scales.
В работе Timothy K.Ball с соавторами сообщается, что наличие двух дисульфидных связей является четким требованием для активности и стабильности нуклеазы S.marcescens. В исследовании использовали сайт-специфический мутагенез, когда цистеиновые остатки были заменены на серин. Все мутанты обнаружили низкую удельную активность при отсутствии одного или нескольких дисульфидов и оказались менее стабильны, чем дикий тип (Timothy K.Ball, Yousin Suh and Michael J.Benedik, Disulfide bonds are required for S. marcescens nuclease activity//Nucleic Acids Research. -1992.- V. 20.- N. 19.- p. 4971-4974). Timothy K. Ball et al reported that the presence of two disulfide bonds is a clear requirement for S. marcescens nuclease activity and stability. The study used site-directed mutagenesis when cysteine residues were replaced with serine. All mutants showed low specific activity in the absence of one or more disulfides and were less stable than the wild type (Timothy K. Ball, Yousin Suh and Michael J. Benedik, Disulfide bonds are required for S. marcescens nuclease activity//Nucleic Acids Research. -1992.- V. 20.- N. 19.- pp. 4971-4974).
Представленный в изобретении пример иллюстрирует хроматографическую очистку рефолдируемой смеси с целью получения высоко очищенной готовой формы рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens. The example presented in the invention illustrates the chromatographic purification of a refoldable mixture in order to obtain a highly purified finished form of recombinant S. marcescens endonuclease.
Для первой стадии очистки, исходя из наличия в химерном белке His-тага, авторами использовалась металлохелатная хроматография на IMAC Shepharose FF, специально созданном аффинном сорбенте на основе агарозной матрицы и лиганда нитрилотриуксусной кислоты (NTA), который, удерживая ион Ni2+ четырьмя валентностями, оставляет доступными две валентности иона металла для взаимодействия с кольцами имидазола гистидиновых остатков (Helena Block, Barbara Maertens, Anne Spriestersbach, Nicole Brinker, Jan Kubicek, Roland Fabis, Jorg Labahn, Frank Schafer, Immobilized-metal affinity chromatography (IMAC): a review. In: Richard, B.R. and Deutscher, M.R, eds. // Methods Enzymol.- 2009. -463. -p.- 439-473). На этой стадии происходит разделение правильно свернутого белка, от неправильно свернутого белка, у которого сайты связывания с металлом расположены таким образом, что смещают равновесие ассоциации / диссоциации больше в сторону ассоциации, приводящую к более сильному связыванию, чем у белка, имеющего правильную трехмерную структуру. For the first stage of purification, based on the presence of the His-tag in the chimeric protein, the authors used metal chelate chromatography on IMAC Shepharose FF, a specially designed affinity sorbent based on an agarose matrix and a nitrilotriacetic acid (NTA) ligand, which, holding the Ni2+ ion with four valences, leaves available two metal ion valences for interaction with imidazole rings of histidine residues (Helena Block, Barbara Maertens, Anne Spriestersbach, Nicole Brinker, Jan Kubicek, Roland Fabis, Jorg Labahn, Frank Schafer, Immobilized-metal affinity chromatography (IMAC): a review. In: Richard, BR and Deutscher, MR, eds // Methods Enzymol.-2009.-463.-p.-439-473). At this stage, the correctly folded protein is separated from the misfolded protein, in which the sites The metal bindings are arranged in such a way that they shift the association/dissociation balance more towards association, resulting in stronger binding than for a protein that has a regular three-dimensional structure.
Основная очистка целевого белка от бактериальных эндотоксинов, примесных белков, оставшихся агрегатов и мисфолдов, и одновременно, концентрирование, осуществляется анионообменной хроматографией на слабом анионообменнике DEAE Sepharose FF. Условия сорбции и элюции целевого белка были подобраны таким образом, чтобы для изготовления готовой формы препарата было достаточно добавить в получаемый элюат стабилизирующие добавки такие как, глицерин до 50% и Mg2+ до 2 мМ Применение сильных анионообменников на основе четвертичных аминов, таких как Q Sepharose FF, YMC Q30, Source 30 Q, не позволяет достичь таких результатов. The main purification of the target protein from bacterial endotoxins, impurity proteins, remaining aggregates and misfolds, and at the same time, concentration, is carried out by anion exchange chromatography on a weak DEAE Sepharose FF anion exchanger. The conditions for sorption and elution of the target protein were chosen in such a way that for the preparation of the finished form of the drug it was enough to add stabilizing additives to the resulting eluate, such as glycerol up to 50% and Mg2+ up to 2 mM Use of strong anion exchangers based on quaternary amines, such as Q Sepharose FF , YMC Q30, Source 30 Q, does not allow you to achieve such results.
В результате очистки заявленным способом, удалось получить целевой белок рекомбинантную эндонуклеазу S.marcescens - гомогенный препарат, фактически соответствующий расчетной молекулярной массе (на электрофореграмме образца присутствует одна основная полоса соответствующая молекулярной массе около 30 кДа (Фиг. 6)), с содержанием бактериальных эндотоксинов менее 0,3 ЕЭ/мг, содержанием остаточных белков штамма-продуцента E.Coli менее 1,8 нг/мг и обладающий специфической биологической активностью от 900 000 до 1 000 000 Ед/мг (определение активности проводят спектрофотометрическим методом с использованием субстрата ДНК- метилового зеленого). As a result of purification by the claimed method, it was possible to obtain the target protein recombinant S. marcescens endonuclease - a homogeneous preparation that actually corresponds to the calculated molecular weight (on the electrophoregram of the sample there is one main band corresponding to a molecular weight of about 30 kDa (Fig. 6)), with a content of bacterial endotoxins less than 0.3 EU/mg, the content of residual proteins of the E.Coli producer strain is less than 1.8 ng/mg and has a specific biological activity from 900,000 to 1,000,000 U/mg (the activity is determined by a spectrophotometric method using a DNA-methyl substrate green).
Материалы и методы Materials and methods
Для экспрессии рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens получают генно- инженерную конструкцию (ГИК) BL21(DE3) /pGNR-095-001. Для получения экспрессионного вектора, была синтезирована кодон-оптимизированная для экспрессии в Е. coli, кодирующая эндонуклеаз S.marcescens нуклеотидная последовательность, фланкированная с 5’ и 3’ концов сайтами рестрикции Ndel и Xhol соответственно (SEQ ID NO 1). Синтезированная последовательность была клонирована по вышеуказанным сайтам в вектор, в котором экспрессия белка с клонированной последовательности находится под контролем Т7 промотора. Образующаяся в результате клонирования рамка считывания кодирует эндонуклеазу с 6His С-концевым тагом (SEQ ID NO 2). Полученный вектор далее обозначается как pGNR095-001. For the expression of recombinant S. marcescens endonuclease, a genetically engineered construct (GEC) BL21(DE3) /pGNR-095-001 is obtained. To obtain an expression vector, a codon-optimized for expression in E. coli, encoding S. marcescens endonucleases, a nucleotide sequence flanked at the 5' and 3' ends with Ndel and Xhol restriction sites, respectively, was synthesized (SEQ ID NO 1). The synthesized sequence was cloned at the above sites into a vector in which protein expression from the cloned sequence is under the control of the T7 promoter. The resulting cloning frame encodes an endonuclease with a 6His C-terminal tag (SEQ ID NO 2). The resulting vector is hereinafter referred to as pGNR095-001.
Вектором pGNR-095-001 был трансформирован штамм E.coli BL21(DE3). Полученный в результате штамм-продуцент BL21(DE3)/pGNR-095-001 использовался для экспрессии рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens. E. coli strain BL21(DE3) was transformed with the pGNR-095-001 vector. The resulting BL21(DE3)/pGNR-095-001 producer strain was used for expression of recombinant endonuclease S. marcescens.
Процесс культивирования банка клеток BL21(DE3)/pGNR-095-001 был ориентирован на получение высокого количества биомассы и протекал в два этапа. На первом этапе проводили культивирование клеток BL21(DE3) /pGNR-095-001 в колбах Эрленмейра, которые затем использовались на втором этапе производства в качестве посевной культуры. Одну криовиалу с рабочим банком клеток BL21(DE3) /pGNR-095-001 инокулировали в 250 мл стерильной среды 2YT и растили при 37°С в течение 16 часов при 180 оборотов в минуту. The cultivation process of the BL21(DE3)/pGNR-095-001 cell bank was focused on obtaining a high amount of biomass and proceeded in two stages. At the first stage, BL21(DE3) /pGNR-095-001 cells were cultivated in Erlenmeyr flasks, which were then used as seed culture at the second stage of production. One cryovial with a working bank of BL21(DE3) /pGNR-095-001 cells was inoculated into 250 ml of sterile 2YT medium and grown at 37°C for 16 hours at 180 rpm.
Второй этап ферментирования включал следующие шаги: The second stage of fermentation included the following steps:
(1) 250 мл стартовой культуры BL21(DE3) /pGNR-095-001, выращенная на первом этапе, была загружена в реакторе Biostat Bplus Tween 5L с 4 л среды 2YT; (1) 250 ml of the BL21(DE3)/pGNR-095-001 starter culture grown in the first step was loaded into a Biostat Bplus Tween 5L reactor with 4 L of 2YT medium;
(2) pH в ферментере поддерживали на уровне 7.0 с помощью растворов 12,5% аммиака и 10% ледяной уксусной кислоты; (2) pH in the fermenter was maintained at 7.0 with solutions of 12.5% ammonia and 10% glacial acetic acid;
(3) DO в реакторе установлен на 40% насыщения, который регулировался скоростью оборотов мешалки и изменением процента растворенного кислорода; (3) DO in the reactor is set to 40% saturation, which is controlled by the stirrer speed and changing the percentage of dissolved oxygen;
(4) температура ферментации установлена на 37°С; (4) the fermentation temperature is set to 37°C;
Экспрессия рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens индуцируется добавлением ИПТГ до финальной концентрации 1,0 мМ, когда оптическая плотность культуры BL21(DE3) /pGNR-095-001 составляет 10-20 оптических единиц. Пост-индукционная фаза ферментирования продолжается еще 3 часа с почасовым отбором проб для контроля оптической плотности культуры. Конечная оптическая плотность культуры спустя 3 часа после пост-индукционной фазы ферментирования составляла не менее 30 о.е. Выход биомассы составлял от 30-40 г/л культуры. Рекомбинантная эндонуклеаза S.marcescens экспрессируется на уровне 20-30% от тотального белка и находится исключительно в виде телец включения. Бактериальную биомассу собирали центрифугированием и хранили при - 70°С. Expression of the recombinant S. marcescens endonuclease is induced by adding IPTG to a final concentration of 1.0 mM, when the optical density of the BL21(DE3) /pGNR-095-001 culture is 10-20 optical units. The post-induction fermentation phase continues for another 3 hours with hourly sampling to control the optical density of the culture. The final optical density of the culture 3 hours after the post-induction fermentation phase was at least 30 o.u. The biomass yield ranged from 30-40 g/l of culture. Recombinant endonuclease S.marcescens is expressed at the level of 20-30% of the total protein and is found exclusively in the form of inclusion bodies. The bacterial biomass was collected by centrifugation and stored at -70°C.
Замороженную биомассу клеток E.coli суспендировали в буфере для дезинтеграции 10 мМ Tris НС1, 300 мМ NaCl, pH 8,2 с добавлением ингибитора протеаз для ингибирования протеолиза фенил-метил-сульфонил-фторида (PMSF), 500 Ед/мл рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens и Mg 2+ до 2 мМ. Разрушение клеток проводили на проточном дезинтеграторе высокого давления в режиме: давление II ступени - 80 бар, I ступени - 450-800 бар, собирая лизат в емкость, помещенную в ледяную баню. Тела включения получали центрифугированием из дезинтегрированной суспензии клеток при 30350 x g при 4°C в течение 35 мин. Frozen biomass of E. coli cells was suspended in disintegration buffer 10 mM Tris HC1, 300 mM NaCl, pH 8.2 with the addition of a protease inhibitor to inhibit proteolysis of phenyl methylsulfonyl fluoride (PMSF), 500 U/ml recombinant endonuclease S. marcescens and Mg 2+ up to 2 mM. The destruction of cells was carried out on a high-pressure flow-through disintegrator in the following mode: pressure of stage II - 80 bar, stage I - 450-800 bar, collecting the lysate in a container placed in an ice bath. The inclusion bodies were obtained by centrifugation from a disintegrated cell suspension at 30350 xg at 4°C for 35 min.
Полученные тела включения дважды отмывали 10 шМ Трис- НС1, pH 8,2 буферным раствором, содержащим 0,2 % Тритон Х-100. Отмытые тела включения растворяли в буферном растворе 10 шМ Трис- НС1, 3 мМ имидазола, 20 мМ 2- Меркаптоэтанола, 6М мочевины, pH 8.2 при 4°С в течение 16-18 ч. Полученный раствор осветляли центрифугированием 30350 х g ( JA-30.50) при 4°С в течение 40 мин. Затем, с целью повышения выхода правильно свернутого белка в рефролдинге, проводили очистку денатурированного белка металлохелатной хроматографией в денатурирующих и восстанавливающих условиях на колонке сорбентом IMAC Sepharose FF, предварительно заряженной Ni 2+ и уравновешенной буфером 10 гпМ Трис- НС1, 5 мМ 2-The resulting inclusion bodies were washed twice with 10 sM Tris-HC1, pH 8.2, with a buffer solution containing 0.2% Triton X-100. The washed inclusion bodies were dissolved in a buffer solution of 10 mM Tris-HC1, 3 mM imidazole, 20 mM 2-Mercaptoethanol, 6 M urea, pH 8.2 at 4°C for 16–18 h. ) at 4°C for 40 min. Then, in order to increase the yield of correctly folded protein in refolding, the denatured protein was purified by metal chelate chromatography under denaturing and reducing conditions on a column with an IMAC Sepharose FF sorbent, preliminarily charged with Ni 2+ and equilibrated with a buffer of 10 gpM Tris-HC1, 5 mM 2-
Меркаптоэтанол, 6М мочевина, pH 7.7. Для удаления примесных клеточных белков применяли промывку буфером 20 гпМ натрий ацетат, содержащим 1 М NaCl, 5 мМ 2- Меркаптоэтанол и 6М мочевину, pH 5.8 и буферным раствором 10 гпМ Трис- НС1, содержащим 0, 03 М имидазол, 5 мМ 2-Мер каптоэтанол, 6М мочевину, pH 7.7. Элюцию целевого белка с носителя осуществляли буферным раствором 10 гпМ Трис- НС1, содержащим 0, 2 М имидазол, 5 мМ 2-Мер каптоэтанол, 6М мочевину, pH 7.7. Mercaptoethanol, 6M urea, pH 7.7. To remove contaminating cellular proteins, washing with a 20 gpM sodium acetate buffer containing 1 M NaCl, 5 mM 2-Mercaptoethanol and 6 M urea, pH 5.8 and a 10 gpM Tris-HC1 buffer solution containing 0.03 M imidazole, 5 mM 2-Mer captoethanol, 6M urea, pH 7.7. The target protein was eluted from the carrier with a 10 gpM Tris-HC1 buffer solution containing 0.2 M imidazole, 5 mM 2-Mer captoethanol, 6 M urea, pH 7.7.
На Фиг. ЗА. и Фиг. ЗВ. представлены профиль хроматографии и электрофореграмма фракций с Ni 2+IMAC Sepharose FF, проводимой в денатурирующих и восстанавливающих условиях, где можно наблюдать пик оптической плотности, соответствующий фракции, несорбирующейся на носитель (Фракция 1, Проскок, Фиг.ЗА.; Образец 3, Фиг.З.В), пик, соответствующий элюции буфера 20 гпМ натрий ацетат, 1 М NaCl, 5 мМ 2-Меркаптоэтанол 6М мочевина, pH 5.8, в котором элюируются примесные белки и следовые количества целевого белка (Фракция 2, Отмыв, Фиг. ЗА.; Образец 4, Фиг.З.В ), высокий пик оптической плотности, соответствующий элюции целевого белка (Фракция 3, Элюат 1, Фиг. ЗА.; Образец 5 и Образец 6, Фиг.З.В) с небольшим количеством примесных клеточных белков и Фракция 4, Элюат 2 (Фиг. ЗА.), в котором не наблюдаются пика оптической плотности (в образце на электрофореграмме присутствуют небольшие количества целевого белка (Образец 7, Фиг. ЗВ.), что говорит о полноте элюции. On FIG. BEHIND. and Fig. ZV. shows the chromatography profile and electropherogram of fractions with Ni 2 + IMAC Sepharose FF, carried out under denaturing and reducing conditions, where a peak in optical density can be observed corresponding to the fraction not adsorbed onto the carrier (Fraction 1, Breakthrough, Fig. 3 .; Sample 3, Fig. 3.C), the peak corresponding to the elution of the buffer 20 gpM sodium acetate, 1 M NaCl, 5 mM 2-Mercaptoethanol 6 M urea, pH 5.8, in which contaminant proteins and trace amounts of the target protein are eluted (Fraction 2, Washing, Fig. 3A. ; Sample 4, Fig.3.B), a high peak in optical density corresponding to the elution of the target protein (Fraction 3, Eluate 1, Fig. 3A.; Sample 5 and Sample 6, Fig.Z.V) with a small amount of contaminating cellular proteins and Fraction 4, Eluate 2 (FIG. 3A.), in which no optical density peaks are observed (small amounts of the target protein are present in the sample on the electropherogram (Sample 7, Fig. 3B.), which indicates the completeness of the elution.
Сводная таблица по результатам хроматографии на с Ni 2+IMAC Sepharose FF, проводимой в денатурирующих и восстанавливающих условиях представлена в таблице 2. Таблица 2. Хроматография на Ni 2+IMAC Sepharose FF в денатурирующих и восстанавливающих условиях
Figure imgf000023_0001
A summary table of the results of chromatography on with Ni 2 + IMAC Sepharose FF, carried out under denaturing and reducing conditions, is presented in table 2. Table 2 Chromatography on Ni 2+IMAC Sepharose FF under Denaturing and Reducing Conditions
Figure imgf000023_0001
Рефолдинг целевого белка рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens проводили методом разбавления в буфере 20mM Трис-НС1; 1 М мочевина; 10% глицерин; 0,3mM L- цистин; 5птМ 2-мер каптоэтанол; рН-8.2, при концентрации белка (от 0,3 до 0,5 г/л) в течение 60 часов при 4°С при постоянном перемешивании. Выход рефолдированного целевого белка сохранялся при масштабировании процесса с 1,5 л до 10,5 л рефолдируемой смеси и составлял не менее 50 % активной рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens. Очистку целевого белка производили путем разделения правильно свернутых и неправильно свернутых конформаций данного белка, отделения контаминирующих примесей клеточных белков аффинной металлохелатной хроматографией на N12+ IMAC Sepharose FF, в условиях отмывки буферным раствором 10 шМ Tris-HCl, содержащим 0.03 М имидазола, pH-7,7, элюцией целевого правильно свернутого белка буферным раствором 10 шМ Tris-HCl, содержащим 0.2 М имидазола, pH-7,7. Элюцию мисфолдов и агрегатов осуществляли буферами 10 шМ Tris-HCl, содержащим 0.5 М имидазола, pH-7,7 и 10 шМ Tris-HCl, содержащим 0.5 М имидазола, 0,5 М NaCl, 6М мочевины, pH-7,7. Refolding of the target protein of recombinant S.marcescens endonuclease was performed by dilution in 20mM Tris-HC1 buffer; 1 M urea; 10% glycerin; 0.3mM L- cystine; 5pM 2-mer captoethanol; pH-8.2, at a protein concentration (from 0.3 to 0.5 g/l) for 60 hours at 4°C with constant stirring. The yield of the refolded target protein was maintained when the process was scaled from 1.5 L to 10.5 L of the refolded mixture and was at least 50% of the active recombinant S. marcescens endonuclease. Purification of the target protein was carried out by separating correctly folded and misfolded conformations of this protein, separating contaminating impurities from cellular proteins by affinity metal chelate chromatography on N12+ IMAC Sepharose FF, under washing conditions with a 10 nM Tris-HCl buffer solution containing 0.03 M imidazole, pH 7.7 , elution of the target correctly folded protein with a 10 nM Tris-HCl buffer solution containing 0.2 M imidazole, pH-7.7. Misfolds and aggregates were eluted with 10 nM Tris-HCl buffers containing 0.5 M imidazole, pH 7.7 and 10 nM Tris-HCl containing 0.5 M imidazole, 0.5 M NaCl, 6 M urea, pH 7.7.
На Фиг.4.А и Фиг.4.В. представлены профиль хроматографии рефолдируемой смеси и электрофореграмма фракций с Ni 2+IMAC Sepharose FF. Согласно профилю хроматографии (Фиг.4.А.), можно наблюдать незначительное поглощение оптической плотности, соответствующее фракции несорбирующейся на носитель (1 Проскок), высокий пик оптической плотности, соответствующий элюции правильно свернутого целевого белка (Элюат 2, Фиг.4.А., Образцы с 3 по 7 Фиг.4.В). Также можно наблюдать пик оптический плотности, соответствующий элюции буфером 10 шМ Tris-HCl, содержащим 0.5 М имидазола, pH-7,7, (Элюат 2, Фиг.4.А, Образец 8, Фиг.4.В), который демонстрирует элюцию соединений более высокой концентрацией имидазола - 0,5 М по сравнению с правильно свернутым ферментом, что свидетельствует о том, что они были связаны с носителем прочнее. Эти молекулы являются неправильно свернутыми молекулами фермента, скорее всего растворимыми агрегатами и мисфолдами. Пик оптической плотности, соответствующий элюции буфером, содержащим 0.5 М имидазола, 0,5 М NaCl и 6М мочевины, pH-7,7, (Элюат 3, Фиг.4.А, Образец 9, Фиг.4.В), демонстрирует, что элюируемые соединения настолько прочно связаны с носителем, что удаляются только раствором высокой молярности имидазола и соли в присутствии 6М мочевины, что свидетельствует о том, что эти соединения, скорее всего нерастворимые агрегаты и нерефолдированный белок. In Fig.4.A and Fig.4.B. the chromatographic profile of the refolded mixture and the electropherogram of the fractions with Ni 2+IMAC Sepharose FF are presented. According to the chromatography profile (Fig.4.A.), one can observe a slight absorption of the optical density, corresponding to the fraction not sorbed to the carrier (1 Breakthrough), a high peak of optical density, corresponding to the elution of a correctly folded target protein (Eluate 2, Fig.4.A. , Samples 3 to 7 of Fig. 4.B). A peak in absorbance can also be observed corresponding to the elution with 10 nM Tris-HCl buffer containing 0.5 M imidazole, pH-7.7, (Eluate 2, Fig. 4.A, Sample 8, Fig. 4.B), which shows the elution compounds with a higher concentration of imidazole - 0.5 M compared with the correctly folded enzyme, which indicates that they were more strongly bound to the carrier. These molecules are misfolded enzyme molecules, most likely soluble aggregates and misfolds. The absorbance peak corresponding to the elution with a buffer containing 0.5 M imidazole, 0.5 M NaCl and 6 M urea, pH-7.7, (Eluate 3, Fig.4.A, Sample 9, Fig.4.B) shows, that the eluting compounds are so strongly bound to the carrier that they are removed only by a high molarity solution of imidazole and salt in the presence of 6M urea, indicating that these compounds are most likely insoluble aggregates and unrefolded protein.
Сводная таблица по результатам хроматографии на с Ni 2+IMAC Sepharose FF, представлена в таблице 3. A summary table of the results of chromatography on with Ni 2 + IMAC Sepharose FF is presented in table 3.
Таблица 3. Хроматография на Ni 2+IMAC Sepharose FF
Figure imgf000025_0001
Для проведения следующей стадии очистки на сорбенте DEAE Sepharose FF, элюат с хроматографии Ni 2+IMAC Sepharose FF разбавляли 10 -14 раз охлажденной 4°С водой очищенной до электропроводности 0,5 до 0,8 мСм/см, доводили pH раствора до значения 8,0+0,05 и наносили на колонку с DEAE Sepharose FF, уравновешенную буфером 10 птМ Tris-HCl, pH 8.2. После нанесения носитель промывали буфером для уравновешивания для удаления не специфически сорбированных примесей, затем промывали носитель буфером 40 шМ Tris-HCl, pH 8.0 до показания электропроводности буфера. Элюировали буфером 40 шМ Tris-HCl, 40 шМ NaCl, pH 8.0. На
Table 3 Chromatography on Ni 2 + IMAC Sepharose FF
Figure imgf000025_0001
To carry out the next stage of purification on the sorbent DEAE Sepharose FF, the eluate from Ni 2 + IMAC Sepharose FF chromatography was diluted 10–14 times with purified water cooled at 4°C to an electrical conductivity of 0.5 to 0.8 mS/cm, the pH of the solution was adjusted to a value of 8 .0+0.05 and applied to a DEAE Sepharose FF column equilibrated with 10 pM Tris-HCl buffer, pH 8.2. After application, the carrier was washed with equilibration buffer to remove non-specific adsorbed impurities, then the carrier was washed with 40 nM Tris-HCl buffer, pH 8.0 until the conductivity of the buffer was indicated. Eluted with buffer 40 nM Tris-HCl, 40 nM NaCl, pH 8.0. On
Фиг.5пред ставлен профиль хроматографии, где можно наблюдать пик оптической плотности, соответствующий элюату целевого белка (3 Элюат). Наблюдаются так же и небольшой двойной пик, соответствующий пику регенерации (4 Регенерация), на этой стадии удаляются нерефолдированный целевой белок, нерастворимые агрегаты, примеси клеточных белков, остаточные эндотоксины. Fig. 5 shows a chromatography profile where the absorbance peak corresponding to the eluate of the target protein (3 eluate) can be observed. A small double peak is also observed, corresponding to the peak of regeneration (4 Regeneration), at this stage the unrefolded target protein, insoluble aggregates, impurities of cellular proteins, and residual endotoxins are removed.
Сводная таблица по результатам хроматографии на DEAE Sepharose FF представлена в таблице 4. A summary table of the results of chromatography on DEAE Sepharose FF is presented in table 4.
Таблица 4. Хроматография на DEAE Sepharose FF
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000027_0001
Table 4 Chromatography on DEAE Sepharose FF
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000027_0001
Для приготовления готовой формы препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens в элюате измеряли содержание белка, разбавляли до нужной концентрации буфером 40 mM Tris-HCl, 40 mM NaCl, pH 8.0, добавляли глицерин до 50 % и Mg 2+ до концентрации 2мМ в конечном объеме. Готовый препарат стерильно фильтровали. Выход белка составил не менее 700 мг на литр бактериальной культуры. To prepare the finished form of the S.marcescens recombinant endonuclease preparation, the protein content in the eluate was measured, diluted to the required concentration with a buffer of 40 mM Tris-HCl, 40 mM NaCl, pH 8.0, glycerol was added to 50% and Mg 2+ to a concentration of 2 mM in the final volume. The finished product was sterile filtered. The protein yield was at least 700 mg per liter of bacterial culture.
Измерения параметров различных партий готовой формы препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens показали, что в результате очистки заявленным способом получается гомогенный препарат, фактически соответствующий расчетной молекулярной массы около 30 кДа (Фиг.б). Measurements of the parameters of various batches of the finished form of the preparation of recombinant S. marcescens endonuclease showed that as a result of purification by the claimed method, a homogeneous preparation is obtained, in fact, corresponding to the calculated molecular weight of about 30 kDa (Fig.b).
На Фиг.7 представлены результаты измерения относительной биологической активности различных партий препаратов готовой формы рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens в сравнении с ДНК-азой 1 и коммерческим препаратом рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens на примере гидролитического расщепления плазмидной ДНК. Анализ основан на способности красителя этидиум бромида (2,7 - диамино - 10 - этил - 9 - фенилфенантрен бромид) интеркалировать между двумя парами оснований спирали ДНК и резко увеличивать интенсивность флуоресценции. При обработке ДНК нуклеазами комплекс разрушается и интенсивность флуоресценции падает. На Фиг.7 продемонстрировано падение флуоресценции при разрушении плазмидной ДНК альфа - ДНК-азой 1, rNucSm (коммерческой нуклеазой S. marcescens) и rNucSm серия 1 (рекомбинантной эндонуклеазы S. marcescens) и rNucSm серия 2 (рекомбинантной эндонуклеазы S. marcescens) различных разведений, где дорожка под номером 1 соответствует 10 единицам активности, 2- 3.33, 3-1, 4- 0.33, 5- 0.1, 6-0.033, 7-0.01 и 8- 0, соответственно, и времени реакции ( крайний левый столбец). Анализ проводили на льду, чтобы замедлить скорость реакции. Анализируя представленные данные можно заключить, что полученные заявленным образом препараты обладают биологической активностью даже при высоких разведениях и при 4°С. Figure 7 shows the results of measuring the relative biological activity of different batches of preparations of the finished form of recombinant S. marcescens endonuclease in comparison with DNase 1 and a commercial preparation of recombinant S. marcescens endonuclease using hydrolytic cleavage of plasmid DNA as an example. The analysis is based on the ability of the dye ethidium bromide (2,7 - diamino - 10 - ethyl - 9 - phenylphenanthrene bromide) to intercalate between two base pairs of the DNA helix and sharply increase the fluorescence intensity. When DNA is treated with nucleases, the complex is destroyed and the fluorescence intensity decreases. Figure 7 shows the drop in fluorescence upon destruction of plasmid DNA by alpha - DNase 1, rNucSm (commercial S. marcescens nuclease) and rNucSm series 1 (recombinant S. marcescens endonuclease) and rNucSm series 2 (recombinant S. marcescens endonuclease) of various dilutions , where lane number 1 corresponds to 10 units of activity, 2- 3.33, 3-1, 4- 0.33, 5- 0.1, 6-0.033, 7-0.01 and 8-0, respectively, and reaction time (leftmost column). The assay was performed on ice to slow down the reaction rate. Analyzing the presented data, we can conclude that the preparations obtained in the claimed manner have biological activity even at high dilutions and at 4°C.
Специфическая биологическая активность препарата определялась спектрофотометрическим методом с использованием субстрата ДНК-метилового зеленого. В лунки 96- луночного несорбирующего планшета вносили разведения СО эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной и разведения испытуемого образца эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной. Затем в каждую лунку вносили по 100 мкл субстрата ДНК с метиловым зеленым, осторожно перемешивали. После чего планшет заклеивали пленкой и инкубировали без перемешивания в термошейкере в течение 2 ч ± 5 мин при температуре (37+1) °C. The specific biological activity of the drug was determined by the spectrophotometric method using the DNA methyl green substrate. The wells of a 96-well non-sorbent plate were loaded with dilutions of S. marcescens recombinant endonuclease CO and dilutions of the test sample of S. marcescens recombinant endonuclease. Then, 100 μl of DNA substrate was added to each well. methyl green, stir gently. After that, the plate was sealed with a film and incubated without stirring in a thermoshaker for 2 h ± 5 min at a temperature of (37+1)°C.
Измеряли оптическую плотность содержимого лунок на спектрофотометре при длинах волн 630 нм и 492 нм (длина волны коррекции). С помощью программного обеспечения GraphPad Prism 6.0 строили графики зависимости оптической плотности от десятичного логарифма содержания эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной в разведениях СО эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной и разведениях испытуемого образца. Для этого использовали 4-параметрическую логистическую функцию ингибирования. Расчет значений IC50 для раствора СО эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной и испытуемого образца производили автоматически, применяя опцию «constrain- shared value for all data set» для верхней (top) и нижней (bottom) асимптот и угла наклона (HillSlope) кривых. The optical density of the contents of the wells was measured on a spectrophotometer at wavelengths of 630 nm and 492 nm (correction wavelength). GraphPad Prism 6.0 software was used to plot absorbance vs. decimal logarithm of S. marcescens recombinant endonuclease content in dilutions of S. marcescens recombinant CO endonuclease and test sample dilutions. For this, a 4-parameter logistic function of inhibition was used. Calculation of IC50 values for the recombinant S.marcescens CO endonuclease solution and the test sample was performed automatically using the option “constrain-shared value for all data set” for the upper (top) and lower (bottom) asymptotes and the slope (HillSlope) of the curves.
Специфическую активность эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной в испытуемом образце (А), в ЕД/мг, рассчитывали по формуле:
Figure imgf000028_0001
где:
The specific activity of S. marcescens recombinant endonuclease in the test sample (A), in U/mg, was calculated by the formula:
Figure imgf000028_0001
Where:
Асо - специфическая удельная активность эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной согласно сертификату производителя, ЕД/мг; Aso - specific specific activity of S.marcescens endonuclease recombinant according to the manufacturer's certificate, IU/mg;
1С50со - значение IC50 для раствора СО эндонуклеазы S.marcescens рекомбинантной рассчитанное с помощью программного обеспечения; IC50co - IC50 value for a solution of CO endonuclease S. marcescens recombinant calculated using software;
1С50ио - значение IC50 для испытуемого образца, рассчитанное с помощью программного обеспечения. IC50io is the IC50 value for the test sample, calculated using the software.
Специфическая биологическая активность различных партий готовой формы препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens составила в среднем 950000 +50000 Ед/мг. The specific biological activity of different batches of the finished form of the preparation of recombinant S.marcescens endonuclease averaged 950,000 +50,000 U/mg.
Готовая форма препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens может содержать различные примеси биологической природы связанные с продуцентом: (эндотоксины, белки клетки-хозяина). Содержание данных примесей может оказывать влияние на безопасность препарата, поэтому должно быть оценено в очищенном продукте. The finished form of the preparation of recombinant S.marcescens endonuclease may contain various impurities of a biological nature associated with the producer: (endotoxins, host cell proteins). The content of these impurities may affect the safety of the drug, and therefore should be evaluated in the purified product.
Количественное определение бактериальных эндотоксинов в различных партиях готовой формы рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens определялось методом гель- тромб теста, в соответствии с требованиями ГФ РФ, ОФС.1.2.4.0006.15 «Бактериальные эндотоксины» и составило менее 0,0004 ЕЭ на 1000 Ед. Quantitative determination of bacterial endotoxins in various batches of the finished form of recombinant S. marcescens endonuclease was determined by the gel thrombus test, in accordance with the requirements of the RF GF, GPM.1.2.4.0006.15 "Bacterial endotoxins" and amounted to less than 0.0004 EU per 1000 units.
Количественное определение белков штамма продуцента (E.coli) в различных партиях готовой формы рекомбинантной эндонуклеазы S .marcescens определялось методом твердофазного иммуноферментного анализа (ИФА), в соответствии с требованиями ГФ РФ, ОФС.1.7.2.0033.15 «Метод иммуноферментного анализа» и составило менее 2 нг/мг. The quantitative determination of the proteins of the producer strain (E. coli) in various batches of the finished form of the recombinant endonuclease S. marcescens was determined by the method of enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), in accordance with the requirements of the Global Fund of the Russian Federation, OFS.1.7.2.0033.15 "Method of enzyme immunoassay" and amounted to less than 2 ng/mg.
Для лучшего понимания сущности изобретения ниже следуют примеры его воплощения. Специалистам понятно, что указанные в примерах параметры могут варьировать: For a better understanding of the essence of the invention, examples of its implementation follow. It will be understood by those skilled in the art that the parameters indicated in the examples may vary:
Пример 1. Микробиологический синтез белка рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens Example 1 Microbiological Synthesis of S.marcescens Recombinant Endonuclease Protein
Заявляемый способ реализован для штамма-продуцента BL21(DE3) pGNR-095-001 при культивировании в ферментере (Sartorius Biostat В Plus Twin 5L, Германия) в объеме среды 4 л. Весь процесс культивирования ведут при температуре 37°С. Водородный показатель pH среды поддерживают на уровне 7,0-7, 1, титрованием 10% раствором уксусной кислоты и 12,5% раствором аммиака. Уровень аэрации 4 л/мин и концентрации растворенного кислорода на уровне 40%, который регулируется каскадом оборотов мешалки. The claimed method is implemented for the producer strain BL21(DE3) pGNR-095-001 when cultivated in a fermenter (Sartorius Biostat B Plus Twin 5L, Germany) in a medium volume of 4 liters. The entire cultivation process is carried out at a temperature of 37°C. The pH of the medium is maintained at 7.0-7.1 by titration with 10% acetic acid solution and 12.5% ammonia solution. An aeration level of 4 l/min and a dissolved oxygen concentration of 40%, which is controlled by a cascade of agitator speeds.
Выращенный инокулят в объем 250 мл вносят в биореактор со стерильной питательной средой 2YT. В качестве стартового субстрата в среду вносят глюкозу в количестве 10 г/л и глицерина 30 г/л. The grown inoculum in a volume of 250 ml is introduced into a bioreactor with a sterile nutrient medium 2YT. Glucose in the amount of 10 g/l and glycerol in the amount of 30 g/l are introduced into the medium as a starting substrate.
В период пред-индукционной фазы роста клетки утилизируют глюкозу из среды. Уровень pH падет. Спустя 3-4 часа клетки достигают оптической плотности 10-20 оптических единиц. Экспрессия рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens индуцируется добавлением ИПТГ до финальной концентрации 1,0 мМ. Далее пост- индукционная фаза ферментирования продолжается еще 3 часа с почасовым отбором проб для контроля оптической плотности культуры. Спустя 3 часа конечная оптическая плотность культуры достигает 30-50 о.е. Процесс ферментирования прекращается. Бактериальную биомассу собирают центрифугированием при 7000 об/мин в течение 20 мин и помещают на хранение при - 70°С. During the pre-induction phase of growth, cells utilize glucose from the medium. The pH level will drop. After 3-4 hours, the cells reach an optical density of 10-20 optical units. Expression of the recombinant S. marcescens endonuclease is induced by adding IPTG to a final concentration of 1.0 mM. Then the post-induction phase of fermentation continues for another 3 hours with hourly sampling to control the optical density of the culture. After 3 hours, the final optical density of the culture reaches 30-50 p.u. The fermentation process is stopped. bacterial biomass collected by centrifugation at 7000 rpm for 20 min and placed in storage at - 70°C.
Пример 2. Выделение и очистка белка рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens из бактериальной биомассы. Получение промышленной серии препарата рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens. Example 2 Isolation and Purification of S.marcescens Recombinant Endonuclease Protein from Bacterial Biomass. Obtaining an industrial batch of the preparation of recombinant S.marcescens endonuclease.
2.1 Дезинтеграция биомассы. 2.1 Disintegration of biomass.
Буфер А - 10 шМ Tris, 0.3 М NaCl, 0,001% PMSF, pH 8.2; Buffer A - 10 sM Tris, 0.3 M NaCl, 0.001% PMSF, pH 8.2;
Замороженную биомассу клеток ПО г суспендируют в 1100 мл буфера А в течение 15 мин на льду. К суспензии добавляют 2,2 мл 1 М раствора MgCh и 1 000000 Ед фермента рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens, затем разрушают клетки в проточном гомогенизаторе высокого давления Panda Plus 2000(GEA Niro Soavi). Гомогенизатор промывают 250 мл охлажденной до 0 °C водой очищенной, настраивают по охлажденному до 0°С буферу А, настройка II ступени - 80 бар, настройка I ступени - 450-800 бар, затем лизируют суспензию клеток в этом режиме, собирая лизат в емкость, помещенную в ледяную баню, промывают гомогенизатор 30 мл буфера А. Лизат осветляют центрифугированием 30350 х g при 4°С в течение 40 мин. Надосадочную жидкость отбрасывают, собирают осадок телец включения. Frozen cell biomass PO g is suspended in 1100 ml of buffer A for 15 min on ice. 2.2 ml of a 1 M MgCh solution and 1,000,000 U of S. marcescens recombinant endonuclease enzyme were added to the suspension, followed by cell disruption in a Panda Plus 2000 (GEA Niro Soavi) high pressure flow homogenizer. The homogenizer is washed with 250 ml of purified water cooled to 0°C, adjusted to buffer A cooled to 0°C, stage II setting - 80 bar, stage I setting - 450-800 bar, then the cell suspension is lysed in this mode, collecting the lysate in a container placed in an ice bath, wash the homogenizer with 30 ml of buffer A. The lysate is clarified by centrifugation 30350 x g at 4°C for 40 min. The supernatant is discarded, the sediment of inclusion bodies is collected.
2.2 Отмыв телец включения 2.2 Washing out the inclusion bodies
Буфер В: 10 mM Tris, 0.2% Тритон Х-100, pH 8.2; Buffer B: 10 mM Tris, 0.2% Triton X-100, pH 8.2;
Буфер Е: 10 mM Tris НС1, pH 8,2; Buffer E: 10 mM Tris HC1, pH 8.2;
Осадок телец включения, помещают в емкость объемом 1 л, к осадку доливают 1000+10 мл буферного раствора В. В стакан помещают насадку диспергатора и диспергируют в течение 3-5 минут. Разливают суспензию в 0,25 л центрифужные стаканы, попарно уравновешивая их на весах, помещают в ротор (JLA- 16.250) центрифуги (Avanti J- 20ХР) и центрифугируют 30350 х g при 4°С в течение 30 мин. После завершения центрифугирования надосадочную жидкость отбрасывают. The precipitate of inclusion bodies is placed in a 1-liter container, 1000+10 ml of buffer solution B is added to the precipitate. A dispersant nozzle is placed in a beaker and dispersed for 3-5 minutes. The suspension is poured into 0.25 l centrifuge beakers, balanced in pairs on a balance, placed in a rotor (JLA-16.250) of a centrifuge (Avanti J-20XP) and centrifuged 30350 x g at 4°C for 30 minutes. After centrifugation is complete, the supernatant is discarded.
Выше описанную процедуру последовательно повторяют еще раз с буфером В, затем с буфером Е. The above procedure is sequentially repeated one more time with buffer B, then with buffer E.
В результате получают не менее - 45 +2г отмытых телец включения. Полученный продукт хранят при температуре минус 80°С. As a result, at least - 45 +2 g of washed inclusion bodies are obtained. The resulting product is stored at a temperature of minus 80°C.
2.3. Растворение телец включения 2.3. Dissolution of inclusion bodies
Буфер F: 10 mM Tris-HCl, 3 мМ имидазол, 20 мМ меркаптоэтанол, 6М мочевина, pH 8.2; Buffer F: 10 mM Tris-HCl, 3 mM imidazole, 20 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 8.2;
Осадок телец включения (m = 45+2 г) из холодильника помещают в мерный пластиковый стакан объемом 1,0 л, к осадку доливают 600 + 0,1 мл свежеприготовленного раствора F. Диспергируют в течение 5 минут. Стакан помещают на магнитную мешалку и перемешивают при 4°С в течение 16-18 ч. Суспензию центрифугируют 40000 х g при 4°С в течение 90 мин. После завершения центрифугирования осторожно отбирают над осад очную жидкость. The precipitate of inclusion bodies (m = 45+2 g) from the refrigerator is placed in a 1.0-liter plastic beaker, 600+0.1 ml of freshly prepared solution F is added to the precipitate. Dispersed for 5 minutes. The beaker is placed on a magnetic stirrer and stirred at 4°C for 16-18 hours. The suspension is centrifuged 40,000 x g at 4°C for 90 minutes. After centrifugation is completed, the sedimentary fluid is carefully removed from the supra.
2.4. Хроматография на Ni2+ IMAC Sepharose FF в восстанавливающих и денатурирующих условиях. Металлохелатная хроматография -1. 2.4. Chromatography on Ni 2+ IMAC Sepharose FF under reducing and denaturing conditions. Metal chelate chromatography -1.
Буфер G: 10 шМ Tris, 5 мМ меркаптоэтанол, 6М мочевина, pH 7.7; Buffer G: 10 sM Tris, 5 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 7.7;
Буфер Н: 10 шМ Tris, 0, 5 М имидазол, 5 мМ меркаптоэтанол, 6М мочевина, pH 7.7;Buffer H: 10 sM Tris, 0.5 M imidazole, 5 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 7.7;
Буфер I: 20 гпМ натрий ацетат, 1 М NaCl, 5 мМ меркаптоэтанол, 6М мочевина, pH 5.8; Buffer I: 20 gpM sodium acetate, 1 M NaCl, 5 mM mercaptoethanol, 6 M urea, pH 5.8;
Буфер J: 10 гпМ Tris, 6М мочевина, pH 7.8; Buffer J: 10 gpM Tris, 6 M urea, pH 7.8;
Стадию очистки денатурированного и восстановленного целевого белка проводят на колонке, заполненной сорбентом IMAC Sepharose FF объемом 350 мл с использованием хроматографической системы Akta Pure 150 при температуре 4°С. The stage of purification of the denatured and reduced target protein is carried out on a column filled with 350 ml IMAC Sepharose FF sorbent using an Akta Pure 150 chromatographic system at a temperature of 4°C.
Супернатант разбавляют буфером J в 3 раза, доводят pH до 7,8 2М NaOH, и наносят на колонку с Ni2+ IMAC Sepharose, предварительно заряженную 0,2 М раствором NiCh и уравновешенную буфером G. После нанесения колонку промывают буфером G, буфером J, промывают 6% буфера Н в буфере G (содержащем 30 мМ) имидазола. Целевой белок элюируют 40% буфера Н в буфере G (содержащем 200 мМ имидазола). Полноту элюции проверяют 100% буфера Н. The supernatant was diluted 3-fold with buffer J, adjusted to pH 7.8 with 2M NaOH, and applied to a Ni 2+ IMAC Sepharose column preloaded with 0.2 M NiCh and equilibrated with buffer G. After loading, the column was washed with buffer G, buffer J , washed with 6% buffer H in buffer G (containing 30 mm) imidazole. The target protein is eluted with 40% buffer H in buffer G (containing 200 mM imidazole). The completeness of the elution is checked with 100% buffer H.
Для регенерации, санации и хранения сорбент последовательно промывают 3 колоночными объемами 0,5 М раствора ЭДТА, 3 колоночными объемами 0,5 М раствора натрия гидроксида, 3 колоночными объемами 0,1 М раствора Трис-НС1, pH 7,5, 3 колоночными объемами 20% спирта этилового. До следующего использования хранят колонку с закрытыми входным и выходным отверстиями при температуре 2-8 °C. For regeneration, sanitation and storage, the sorbent is sequentially washed with 3 column volumes of 0.5 M EDTA solution, 3 column volumes of 0.5 M sodium hydroxide solution, 3 column volumes of 0.1 M Tris-HCl solution, pH 7.5, 3 column volumes 20% ethyl alcohol. Until the next use, store the column with the inlet and outlet closed at 2-8°C.
2.5. Рефолдинг. 2.5. Refolding.
Буфер К: 20шМ Трис -НО; 1 М мочевина; 10% глицерин; 0,3mM L- цистин; 5шМ 2- меркаптоэтанол; рН-8.2; Buffer K: 20sM Tris -NO; 1 M urea; 10% glycerin; 0.3mM L-cystine; 5shM 2-mercaptoethanol; pH-8.2;
Элюат с металлохелатной хроматографии -1 объемом 500+10 мл медленно по каплям при постоянном перемешивании добавляют в охлажденный до 4 ± 1 °C буфер К объемом 10000 мл, измеряют pH раствора, при отклонении pH от 8,2 корректируют хлористоводородной кислотой или раствором натрия гидроксида. Емкость помещают на мешалку и продолжают процесс ренатурации белка при температуре 4 ± 1 °C при постоянном перемешивании в течении 60 часов. Eluate from metal chelate chromatography -1 with a volume of 500 + 10 ml slowly drop by drop with constant stirring, add to buffer K cooled to 4 ± 1 °C with a volume of 10,000 ml, measure the pH of the solution, if the pH deviates from 8.2, adjust with hydrochloric acid or sodium hydroxide solution. The container is placed on a stirrer and the process of protein renaturation is continued at a temperature of 4 ± 1 °C with constant stirring for 60 hours.
2.6. Хроматография на Ni2+ IMAC Sepharose FF. Металлохелатная хроматография - 2. 2.6. Chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF. Metal chelate chromatography - 2.
Буфер Е: 10 шМ Tris-HCl, 1 М мочевина, pH 7.7; Buffer E: 10 nM Tris-HCl, 1 M urea, pH 7.7;
Буфер М: 10 шМ Tris-HCl, pH 7.7; Buffer M: 10 nM Tris-HCl, pH 7.7;
Буфер N: 10 гпМ Tris-HCl, 0,5 М имидазол, pH 7.7; Buffer N: 10 gpM Tris-HCl, 0.5 M imidazole, pH 7.7;
Металлохелатную хроматографию -2 проводят на хроматографической колонке заполненной сорбентом IMAC Sepharose FF объемом 350 мл с использованием хроматографической системы Akta Pure 150 при температуре окружающей среды 4 °C. Metal chelate chromatography-2 is carried out on a chromatographic column filled with 350 ml IMAC Sepharose FF sorbent using an Akta Pure 150 chromatographic system at an ambient temperature of 4 °C.
В рефолдируемой смеси доводят pH до значения 7,7+0,05 5 М раствором соляной кислоты и наносят на колонку Ni2+ IMAC Sepharose FF, предварительно заряженную 0,2 М раствором NiCh и уравновешенную буфером Е. По окончании нанесения последовательно промывают колонку 3 колоночными объемами раствора L, 3 колоночными объемами раствора М, 1-2 колоночными объемами 6 % буферного раствора N в растворе М до выхода оптической плотности на плато. The pH of the mixture to be refolded was adjusted to 7.7+0.05 with 5 M hydrochloric acid and applied to a Ni2+ IMAC Sepharose FF column preliminarily charged with 0.2 M NiCh and equilibrated with buffer E. After loading, the column was successively washed with 3 column volumes solution L, 3 column volumes of solution M, 1-2 column volumes of 6% buffer solution N in solution M until the optical density reaches a plateau.
Элюируют целевой белок с носителя 40% раствора N в растворе М. Elute the target protein from the carrier with a 40% solution of N in solution M.
Для регенерации, санации и хранения сорбент последовательно промывают 3 колоночными объемами 0,5 М раствора ЭДТА, 3 колоночными объемами 0,5 М раствора натрия гидроксида, 3 колоночными объемами 0,1 М раствора Трис-НС1, pH 7,5, 3 колоночными объемами 20% спирта этилового. До следующего использования хранят колонку с закрытыми входным и выходным отверстиями при температуре 2-8 °C. For regeneration, sanitation and storage, the sorbent is sequentially washed with 3 column volumes of 0.5 M EDTA solution, 3 column volumes of 0.5 M sodium hydroxide solution, 3 column volumes of 0.1 M Tris-HCl solution, pH 7.5, 3 column volumes 20% ethyl alcohol. Until the next use, store the column with the inlet and outlet closed at 2-8°C.
2.7 Хроматографическая очистка на сорбенте DEAE Sepharose FF. Анионообменная хроматография. 2.7 Chromatographic purification on DEAE Sepharose FF sorbent. Anion exchange chromatography.
Буфер О: 10 шМ Tris-HCl, pH 8.2; Buffer O: 10 nM Tris-HCl, pH 8.2;
Буфера Р: 40 гпМ Tris-HCl, pH 8.0; Buffer P: 40 gpM Tris-HCl, pH 8.0;
Буфер Q: 40 шМ Tris-HCl, 40 шМ NaCl, pH 8.0; Buffer Q: 40 sM Tris-HCl, 40 sM NaCl, pH 8.0;
Буфер R: 5 шМ Tris-HCl, pH 8.0; Buffer R: 5 nM Tris-HCl, pH 8.0;
Анионобменную хроматографию проводят на хроматографической колонке ХК- 50/40 заполненной сорбентом DEAE Sepharose FF объемом 200 мл с использованием хроматографической системы Akta Pure 150 при температуре окружающей среды 4 °C.Anion exchange chromatography is carried out on an XK-50/40 chromatographic column filled with 200 ml DEAE Sepharose FF sorbent using chromatographic system Akta Pure 150 at an ambient temperature of 4 °C.
Элюат после хроматографии на Ni2+ IMAC Sepharose FF разбавляют в 10-14 раз буфером R, доводят pH раствора до значения 8,0+0,05 концентрированной соляной кислотой или раствором 5М натрия гидроксида (если необходимо), доводят электропроводность раствора от 0,5 до 0,8 мСм/см охлажденной до 4°С водой очищенной и наносят на колонку DEAE Sepharose FF, уравновешенную буфером О. По окончании нанесения омывают колонку 3 колоночными объемами раствора О, 3 колоночными объемами (или более) раствора Р до выхода электропроводности на плато. Элюируют целевой белок с носителя буферным раствором Q. The eluate after chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF is diluted 10-14 times with buffer R, the pH of the solution is adjusted to a value of 8.0 + 0.05 with concentrated hydrochloric acid or a 5M sodium hydroxide solution (if necessary), the electrical conductivity of the solution is adjusted from 0.5 to 0.8 mS/cm with purified water cooled to 4°C and applied to a DEAE Sepharose FF column equilibrated with buffer O. After completion of the application, wash the column with 3 column volumes of solution O, 3 column volumes (or more) of solution P until the conductivity reaches a plateau . Elute the target protein from the carrier with buffer Q.
2.8 Изготовление готовой формы. 2.8 Making the finished form.
Буфер Q: 40 mM Tris-HCl, 40 mM NaCl, pH 8.0; Buffer Q: 40 mM Tris-HCl, 40 mM NaCl, pH 8.0;
Раствор R: IM MgCh Solution R: IM MgCh
Элюат с DEAE Sepharose FF разбавляют буфером Q до концентрации белка 2,0 -2,1 мг/мл, вносят глицерин до концентрации 50% и раствор R до концентрации 2 мМ в конечном растворе. Раствор готовой формы фильтруют в ламинарном потоке воздуха. Для стерилизующей фильтрации используют стерилизующую систему FILTERMAX, 1000 ml, PES, с размером пор 0,22 мкм, используя мембранный вакуумный насос. The eluate with DEAE Sepharose FF is diluted with buffer Q to a protein concentration of 2.0 -2.1 mg/ml, glycerol is added to a concentration of 50% and solution R to a concentration of 2 mm in the final solution. The solution of the finished form is filtered in a laminar air flow. For sterilizing filtration, use a FILTERMAX sterilizing system, 1000 ml, PES, with a pore size of 0.22 µm, using a diaphragm vacuum pump.
После фильтрации отбирают пробу для проведения технологического контроля. Полученный раствор является готовой формой рекомбинантной эндонуклеазы S.marcescens. After filtration, a sample is taken for process control. The resulting solution is a finished form of recombinant S.marcescens endonuclease.
Получено: Received:
2419,5 мл ; С= 1.09 мг/мл; 2637,2 мг; 2 407 763 600 Ед; 2419.5 ml; C= 1.09 mg/ml; 2637.2 mg; 2 407 763 600 units;
Содержание бактериальных эндотоксинов: Content of bacterial endotoxins:
Менее 0,0003 ЕЭ на 1000 Ед, менее 0,3 ЕЭ/мг; Less than 0.0003 EU per 1000 U, less than 0.3 EU/mg;
Специфическая активность: 913 000 Ед/мг; Specific activity: 913,000 U/mg;
Остаточные белки штамма-продуцента: Менее 1,8 нг/мг; Residual proteins of the producer strain: Less than 1.8 ng/mg;

Claims

32 32
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения рекомбинантной эндонуклеазы Serratia marcescens, продуцируемой в E.coli, включающий стадии отмывки и растворения телец включения, рефолдинга и хроматографии белка, отличающийся тем, что рефолдинг проводится методом разбавления при концентрации рефолдируемого белка приблизительно от 0,3 до 0,5 г/л. Способ по п.1, где растворение отмытых телец включения проводят в растворе 6М мочевины в присутствии восстановителя 20мМ 2- меркаптоэтанола при pH 8,2. Способ по п.1, где буфер для рефолдинга содержит денатурирующий агент мочевину в концентрации 1 М и подавитель агрегации глицерин в концентрации 10%. Способ по п.1, где рефолдинг проводится при использовании окислительно/восстановительной пары 0,ЗшМ Ь-цистин/5шМ 2-меркаптоэтанол. Способ по п.1, где хроматографическая очистка денатурированного и восстановленного белка из раствора телец включения проводится на сорбенте IMAC -Ni в восстанавливающих и денатурирующих условиях. Способ по и.1, где рефолдинг для получения активной формы фермента за счет образования 2-х внутрицепочечных дисульфидных связей проводят после проведения металлохелатной хроматографии на Ni2+ IMAC Sepharose FF. Способ по и.6, где хроматографическую очистку белка из рефолдируемой смеси проводят металлохелатной хроматографией на Ni2+ IMAC Sepharose FF. Способ по и.6, где полировочную очистку белка после металлохелатной хроматографии на Ni2+ IMAC Sepharose FF проводят анионообменной хроматографией на DEAE Sepharose FF. Способ по и.8, где после проведения хроматографической очистки на DEAE Sepharose FF перевод в буфер готовой формы осуществляется добавлением стабилизирующих добавок непосредственно в элюат. Способ по п.1, где генно-инженерная конструкция для экспрессии в E.coli кодирует полноразмерный белок эндонуклеазы S. Marcescens, слитой с С-концевым гистагом. A method for producing recombinant Serratia marcescens endonuclease produced in E. coli, including the steps of washing and dissolving inclusion bodies, refolding and protein chromatography, characterized in that the refolding is carried out by the dilution method at a concentration of refolded protein from approximately 0.3 to 0.5 g / l. The method according to claim 1, where the dissolution of the washed inclusion bodies is carried out in a solution of 6M urea in the presence of a reducing agent 20mM 2-mercaptoethanol at pH 8.2. The method according to claim 1, wherein the refolding buffer contains the denaturing agent urea at a concentration of 1 M and the aggregation suppressor glycerol at a concentration of 10%. The method according to claim 1, where the refolding is carried out using the redox pair 0.3mM b-cystine/5mM 2-mercaptoethanol. The method according to claim 1, where the chromatographic purification of denatured and reduced protein from a solution of inclusion bodies is carried out on an IMAC-Ni sorbent under reducing and denaturing conditions. The method according to claim 1, where refolding to obtain the active form of the enzyme due to the formation of 2 intrachain disulfide bonds is carried out after metal chelate chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF. The method according to claim 6, wherein the chromatographic purification of the protein from the refolded mixture is carried out by metal chelate chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF. The method according to claim 6, wherein the protein polishing after metal chelate chromatography on Ni2+ IMAC Sepharose FF is carried out by anion exchange chromatography on DEAE Sepharose FF. The method according to claim 8, where after chromatographic purification on DEAE Sepharose FF, conversion into a buffer of the finished form is carried out by adding stabilizing additives directly to the eluate. The method of claim 1, wherein the E. coli expression construct encodes a full-length S. Marcescens endonuclease protein fused to a C-terminal histag.
PCT/RU2022/050237 2021-08-03 2022-08-02 Method for producing recombinant serratia marcescens endonuclease WO2023014247A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021123175 2021-08-03
RU2021123175A RU2795623C2 (en) 2021-08-03 Method for producing serratia marcescens recombinant endonuclease

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023014247A1 true WO2023014247A1 (en) 2023-02-09

Family

ID=85155993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050237 WO2023014247A1 (en) 2021-08-03 2022-08-02 Method for producing recombinant serratia marcescens endonuclease

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023014247A1 (en)

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHEN YUN-CHI ET AL.: "Efficient lysozyme refolding at a high final concentration and a low dilution factor", PROCESS BIOCHEMISTRY, vol. 47, 2012, pages 1883 - 1888, XP028960468, DOI: 10.1016/j.procbio.2012.06.026 *
FRIEDHOFF PETER ET AL.: "Identification of catalytically relevant amino acids of the extracellular Serratia marcescens endonuclease by alignment-guided mutagenesis", NUCLEIC ACIDS RESEARCH, vol. 22, 1994, pages 3280 - 3287, XP003011824, DOI: 10.1093/nar/22.16.3280 *
JAMALUDDIN MOHD JAMIL AIZAT, MOHD HAMZAH, SALLEH: "On-Column Refolding of Recombinant Fungal Endoglucanase", AUSTRALIAN JOURNAL OF BASIC AND APPLIED SCIENCES,, INSINET PUBLICATION, AU, vol. 6, no. 1, 1 January 2012 (2012-01-01), AU , pages 128 - 133, XP093033805, ISSN: 1991-8178 *
JUNGBAUER ALOIS ET AL.: "Cunent status of technical protein refolding", JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY, vol. 128, 2007, pages 587 - 596, XP005856755, DOI: 10.1016/j.jbiotec.2006.12.004 *
MIDDELBERG, A.P.J.: "Preparative protein refolding", TRENDS IN BIOTECHNOLOGY., ELSEVIER PUBLICATIONS, CAMBRIDGE., GB, vol. 20, no. 10, 1 October 2002 (2002-10-01), GB , pages 437 - 443, XP004379930, ISSN: 0167-7799, DOI: 10.1016/S0167-7799(02)02047-4 *
ORGANIZING AND MEDICAL WRITER DEPARTMENT: "Clinical Significance of Continuous Blood Glucose Measurement", MEDICAL OBSERVER, pages 1 - 8, XP009543647, Retrieved from the Internet <URL:http://www.monews.co.kr/news/articleView.html?idxno=202768> *
SATOSHI YAMAGUCHI, ETSUSHI YAMAMOTO, TERUHISA MANNEN, TERUYUKI NAGAMUNE: "Protein refolding using chemical refolding additives", BIOTECHNOLOGY JOURNAL, WILEY, vol. 8, no. 1, 1 January 2013 (2013-01-01), pages 17 - 31, XP055204105, ISSN: 18606768, DOI: 10.1002/biot.201200025 *
SINGH SURINDER M. ET AL.: "Solubilization of inclusion body proteins using n-propanol and its refolding into bioactive form.", PROTEIN EXPRESSION AND PURIFICATION, vol. 81, no. 1, 2012, pages 75 - 82, XP028105023, DOI: 10.1016/j.pep.2011.09.004 *
THOMSON CHRISTY A., OLSON MELANIE, JACKSON LINDA M., SCHRADER JOHN W.: "A Simplified Method for the Efficient Refolding and Purification of Recombinant Human GM-CSF", PLOS ONE, vol. 7, no. 11, 14 November 2012 (2012-11-14), pages e49891, XP093033806, DOI: 10.1371/journal.pone.0049891 *
YAMAGUCHI HIROSHI ET AL.: "Refolding Techniques for Recovering Biologically Active Recombinant Proteins from Inclusion Bodies", BIOMOLECULES, vol. 4, 2014, pages 235 - 251, XP055343487, DOI: 10.3390/biom4010235 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20100062490A1 (en) Organic Compounds
CA2220447C (en) Novel fusion protein recovery and purification methods
JP2019048807A (en) Novel method of protein purification
CN116622795B (en) Preparation method of L-amino acid ligase and application of L-amino acid ligase in dipeptide synthesis
Mirhosseini et al. The efficient solubilization and refolding of recombinant organophosphorus hydrolyses inclusion bodies produced in Escherichia coli
CN106754820B (en) Protein esterase E8, expression and purification thereof, crystal structure and application thereof
CA2778361A1 (en) Stabilization of bio-sensors for in vivo applications
RU2795623C2 (en) Method for producing serratia marcescens recombinant endonuclease
JP2007503211A (en) Non-denaturing process for the purification of recombinant proteins from plants
CN111057695B (en) Nitrilase and preparation method and application thereof
WO2023014247A1 (en) Method for producing recombinant serratia marcescens endonuclease
Wright et al. Recombinant production of cathelicidin-derived antimicrobial peptides in Escherichia coli using an inducible autocleaving enzyme tag
CN104694522B (en) A kind of preparation method and applications for recombinating acetylation cationic trypsase
KR100356738B1 (en) A method for removing endotoxin from the samples containing basic protein
JP5830524B2 (en) Method for producing folded prethrombin or a derivative thereof
RU2787186C1 (en) Recombinant serratia marcescens nuclease protein for hydrolysis of nucleic acids
RU2773954C1 (en) Method for producing recombinant protein of serratia marcescens bacteria nuclease for hydrolysis of nucleic acids
CN114763552B (en) Recombinant production method of microbial transglutaminase
CN114703168B (en) Heparinase III
CN114250208B (en) Preparation and application of high-salt-resistant high-activity DNase I mutant
Pauwels et al. Affinity-based isolation of a bacterial lipase through steric chaperone interactions
CN116640743B (en) Endonuclease and application thereof
CN115216463B (en) Recombinant trypsin with stability and preparation method and application thereof
RU2547584C2 (en) Peptinoglycane hydrolase, expression plasmid, containing peptidoglycane hydrolase-coding dna fragment, bacterium-producer and method of microbiological synthesis of peptidoglycane hydrolase
TWI712691B (en) Dextran affinity tag and application thereof

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22853598

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202393410

Country of ref document: EA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE