Analysis of The Consequences of Oxygen Limitation on the Redox Balance and Overflow Metabolites in Escherichia coli BL21 During Recombinant Protein Production

Abstract

Rekombinant proteinproduksjon er en stor industri globalt. E. coli er det vanligste vertsorganismen som brukes til produksjon av rekombinante proteiner. Oksygenbegrensning i bioreaktorer under produksjon av rekombinante proteiner er en utfordring som møtes i industrien. Denne masteroppgaven hadde som mål å undersøke vektbegrensning og metabolsk belastning på E. coli under oksygenbegrensning. En rekombinert E. coli-stamme, BL21 A2-mCherry, ble brukt i denne masteroppgaven i tillegg til en villtype stamme, basert på erfaringene fra tidligere arbeid utført av forskningsgruppen MetaboProt. A2-mCh-stammen inneholdt RK2-plasmidet med XylS/Pm-promoter systemet, med ampicillin som seleksjonsmarkør og mCherry som rapporterende protein. Batchdyrking ble utført i topp-benk bioreaktorer, og prøver ble ekstrahert og analysert videre. HPLC ble brukt for kvantifisering av organiske syrer og andre ekstracellulære produkter og substrater, inkludert glukose og etanol. HILIC-MS ble utført for å kvantifisere intracellulære metabolitter, inkludert ni forskjellige pyridinnukleotider. SDSPAGE og Western Blot-analyse ble også utført for å kvantifisere produksjonen av mCherry-protein under dyrkingene. Resultatene fra denne avhandlingen viser at cellevekst ble redusert av oksygenbegrensning i bioreaktor-dyrkningene. Imidlertid ble det ikke funnet noen negativ effekt på mengden proteinproduksjon. I tillegg ble det funnet at glukoseforbruket var høyere og den observerte biomasseutbyttet lavere for dyrkingene av den rekombinerte E. coli-stammen med oksygenbegrensning. Det ble funnet svært forhøyede nivåer av acetat, laktat, format og etanol når villtypen ble utsatt for oksygenbegrensning. A2-mCh-stammen viste redusert produksjon av laktat og økt produksjon av acetat og suksinat under oksygenbegrensede dyrkinger. De kvantifiserte dataene for pyridinnukleotider indikerte en endring i NAD-metabolismen til E. coli-stammene under oksygenbegrensede dyrkinger, der nivåene av NADPH og NADP ble sterkt redusert ved senere tidspunkter. Sammenhengen mellom overskuddsmetabolitter og oksidasjonstilstanden til pyridinnukleotidene blir diskutert med hensyn til skift i metabolske veier på grunn av anaerobe forhold. Denne masteroppgaven konkluderte med at problemer med oksygenbegrensning som oppstår i industrien for produksjon av rekombinante proteiner påvirker metabolske veier og redoksbalansen i E. coli.

Recombinant protein production is a large industry worldwide. E. coli is the most commonly used host organism for recombinant protein production. Oxygen limitation in the bioreactors during the production of recombinant proteins is a challenge met in the industry. The present master thesis aimed to investigate growth limitation and the metabolic burden on E. coli under oxygen limitation. One recombinant E. coli strain, BL21 A2-mCherry, was used in this master thesis in addition to a wild-type strain, based on the experience of previous work of the MetaboProt research group. The A2-mCh strain contained the RK2 plasmid with the XylS/Pm promoter system, with ampicillin as the selection marker, and mCherry as the reporter protein. Batch cultivations were performed in top-bench bioreactors and samples were extracted and further analysed. HPLC was used for quantification of organic acids and other extracellular products and substrates including glucose and ethanol. HILIC-MS was performed to quantify intracellular metabolites including nine different pyridine nucleotides. SDS-PAGE and Western Blot analytics was also performed to quantify the mCherry protein product produced during the cultivations. The results from this thesis show that cell growth was reduced by oxygen limitation in the bioreactor cultivations. However, no negative effect on the quantity of protein production was found. In addition, glucose consumption was found to be higher and observed biomass yield lower for the oxygen limited cultivations of the recombinant. E. coli strain. Elevated levels of acetate, lactate, formate and ethanol were found when exposing the WT strain to oxygen limitation. The A2-mCh strain showed reduced production of lactate and increased production of acetate and succinate during oxygenlimited cultivations. The quantified pyridine nucleotide data indicated a shift in the NAD metabolism of the E. coli strains during oxygen-limited cultivations, where the NADPH and NADP levels were greatly reduced at later time points. The relation between overflow metabolites and the redox state of the pyridine nucleotides are discussed in relevance to shift in metabolic pathways due to the anaerobic conditions. The present master thesis concluded that issues with oxygen limitation met in the recombinant protein production industry affect the metabolic pathways and redox balance in E. coli.