Preview

Разработка и регистрация лекарственных средств

Расширенный поиск

Разработка продуцентов терапевтических пептидов на основе Esherichia coli BL21 и технологии их культивирования

https://doi.org/10.33380/2305-2066-2025-14-1-1825

Аннотация

Введение. В последнее десятилетие пептиды с молекулярной массой менее 5 кДа используется в медицине и биотехнологии для лечения различных заболеваний. Химический синтез пептидов имеет ограничения, такие как низкий выход и эффективность синтеза, сложность масштабирования. Альтернативой является использование Escherichia coli. Разработка эффективной технологии синтеза пептидов остается актуальной задачей в связи с низкой продуктивностью штаммов-продуцентов.

Цель. Разработка высокоэффективных штаммов Escherichia coli BL21, экспрессирующих терапевтические пептиды молекулярной массой менее 5 кДа, и технологии их культивирования.

Материалы и методы. Генетические конструкции получили с использованием рестриктазно-лигазного метода, подлинность подтвердили секвенированием по Сенгеру. Технологию культивирования разработали с использованием подхода Design of experiments. Валидацию условий культивирования проводили в биореакторе Biostat B. Гибридные белки очищали методом металл-хелатной хроматографии, целевые пептиды получали гидролизом с помощью ULP-протеазы. Количественное содержание целевого белка определяли капиллярным электрофорезом, подлинность белка – ВЭЖХ-МС и косвенным неконкурентным ИФА.

Результаты и обсуждение. В ходе исследований разработаны высокоэффективные штаммы-продуценты пептидов и оптимальные условия культивирования: рН – 7,5 ± 0,5, температура культивирования – 37 °C, оптическая плотность индукции – 2,7 ± 0,3, концентрация ИПТГ – 0,05 мМ. Продуктивность штаммов-продуцентов достигла 4,82 ± 0,05 г/л. Получены образцы очищенных пептидов.

Заключение. Разработанная технология позволяет получить пептиды с высоким выходом, не описанным ранее исследователями. Практическая значимость данной работы заключается в возможности применения данной технологии для получения пептидов с различными физико-химическими свойствами.

Об авторах

З. Р. Хасаншина
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А; 
197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, литера А



И. А. Корнаков
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



Е. А. Буслаева
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



А. В. Казакова
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



С. А. Ищук
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



В. И. Шмурак
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



В. Б. Сапарова
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



В. Ф. Латыпов
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



Р. В. Драй
Закрытое акционерное общество «Фарм-Холдинг»
Россия

198515, г. Санкт-Петербург, пос. Стрельна, ул. Связи, д. 34, литера А



Список литературы

1. Fosgerau K., Hoffmann T. Peptide therapeutics: current status and future directions. Drug Discovery Today. 2015;20(1):122–128. DOI: 10.1016/j.drudis.2014.10.003.

2. Gerstein H. C., Rutty. C. J. Insulin Therapy: The Discovery That Shaped a Century. Canadian Journal of Diabetes. 2021;45(8):798–803. DOI: 10.1016/j.jcjd.2021.03.002.

3. Lau J.L., Dunn M.K. Therapeutic peptides: Historical perspectives, current development trends, and future directions. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2018;26(10):2700–2707. DOI: 10.1016/j.bmc.2017.06.052.

4. Chandrudu S., Simerska P., Toth I. Chemical methods for peptide and protein production. Molecules. 2013;18(4):4373–4388. DOI: 10.3390/molecules18044373.

5. Mason J. M. Design and development of peptides and peptide mimetics as antagonists for therapeutic intervention. Future Medicinal Chemistry. 2010;2(12):1813–1822. DOI: 10.4155/fmc.10.259.

6. Guzmán F., Barberis S., Illanes A. Peptide synthesis: chemical or enzymatic. Electronic Journal of Biotechnology. 2007;10(2):279–314. DOI: 10.2225/vol10-issue2-fulltext-13.

7. Mueller L. K., Baumruck A. C., Zhdanova H., Tietze A. A. Challenges and perspectives in chemical synthesis of highly hydrophobic peptides. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020;8:162. DOI: 10.3389/fbioe.2020.00162.

8. Ratelade J., Miot M.-C., Johnson E., Betton J.-M., Mazodier P., Benaroudj N. Production of recombinant proteins in the lon-deficient BL21(DE3) strain of Escherichia coli in the absence of the DnaK chaperone. Applied and Environmental Microbiology. 2009;75(11). DOI: 10.1128/AEM.00255-09.

9. Rosano G. L., Ceccarelli E. A. Recombinant protein expression in Escherichia coli: advances and challenges. Frontiers in Microbiology. 2014;5:172. DOI: 10.3389/fmicb.2014.00172.

10. Fathi-Roudsari M., Akhavian-Tehrani A., Maghsoudi N. Comparison of Three Escherichia coli Strains in Recombinant Production of Reteplase. Avicenna Journal of Medical Biotechnology. 2016;8(1):16–22.

11. Studier F. W., Daegelen P., Lenski R. E., Maslov S., Kim J. F. Understanding the differences between genome sequences of Escherichia coli B strains REL606 and BL21(DE3) and comparison of the E. coli B and K-12 genomes. Journal of Molecular Biology. 2009;394(4):653–680. DOI: 10.1016/j.jmb.2009.09.021.

12. Rodríguez V., Asenjo J. A., Andrews B. A. Design and implementation of a high yield production system for recombinant expression of peptides. Microbial Cell Factories. 2014;13:65. DOI: 10.1186/1475-2859-13-65.

13. Lv G. S., Huo G. C., Fu X. Y. Expression of milk-derived antihypertensive peptide in Escherichia coli. Journal of Dairy Science. 2003;86(6):1927–1931. DOI: 10.3168/jds.S0022-0302(03)73779-5.

14. Li Y., Li X., Wang G. Cloning, expression, isotope labeling, and purification of human antimicrobial peptide LL-37 in Escherichia coli for NMR studies. Protein Expression and Purification. 2006;47(2):498–505. DOI: 10.1016/j.pep.2005.10.022.

15. Rao X., Hu J., Li S., Jin X., Zhang C., Cong Y., Hu X., Tan Y., Huang J., Chen Z., Zhu J., Hu F. Design and expression of peptide antibiotic hPAB-β as tandem multimers in Escherichia coli. Peptides. 2005;26(5):721–729. DOI: 10.1016/j.peptides.2004.12.016.

16. Hay R. T. SUMO: a history of modification. Molecular Cell. 2005;18(1):1–12. DOI: 10.1016/j.molcel.2005.03.012.

17. Mirzadeh K., Shilling P. J., Elfageih R., Cumming A. J., Cui H. L., Rennig M., Nørholm M. H. H., Daley D. O. Increased production of periplasmic proteins in Escherichia coli by directed evolution of the translation initiation region. Microbial Cell Factories. 2020;19(1):85. DOI: 10.1186/s12934-020-01339-8.

18. Nguyen B.-N., Tieves F., Rohr T., Wobst H., Schöpf F. S., Montoya Solano J. D., Schneider J., Stock J., Uhde A., Kalthoff T., Jaeger K. E., Schmitt L., Schwarz C. Numaswitch: an efficient high-titer expression platform to produce peptides and small proteins. AMB Express. 2021;11(1):48. DOI: 10.1186/s13568-021-01204-w.

19. Wu C.-L., Chih Y.-H., Hsieh H.-Y., Peng K.-L., Lee Y.-Z., Yip B.-S., Sue S.-C., Cheng J.-W. High Level Expression and Purification of Cecropin-like Antimicrobial Peptides in Escherichia coli. Biomedicines. 2022;10(6):1351. DOI: 10.3390/biomedicines10061351.

20. Zhou L., Lian K., Wang M., Jing X., Zhang Y., Cao J. The antimicrobial effect of a novel peptide LL-1 on Escherichia coli by increasing membrane permeability. BMC Microbiology. 2022;22(1):220. DOI: 10.1186/s12866-022-02621-y.

21. Ojima-Kato T., Nishikawa Y., Furukawa Y., Kojima T., Nakano H. Nascent MSKIK peptide cancels ribosomal stalling by arrest peptides in Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry. 2023;299(5):104676. DOI: 10.1016/j.jbc.2023.104676.

22. Shafiee F., Rabbani M., Jahanian-Najafabadi A. Optimization of the Expression of DT386-BR2 Fusion Protein in Escherichia coli using Response Surface Methodology. Advanced Biomedical Research. 2017;6(1):22. DOI: 10.4103/2277-9175.201334.

23. Shahzadi I., Al-Ghamdi M. A., Nadeem M. S., Sajjad M., Ali A., Khan J. A., Kazmi I. Scale-up fermentation of Escherichia coli for the production of recombinant endoglucanase from Clostridium thermocellum. Scientific Reports. 2021;11(1):7145. DOI: 10.1038/s41598-021-86000-z.

24. Singh S. K., Singh S. K., Tripathi V. R., Khare S. K., Garg S. K. Comparative one-factor-at-a-time, response surface (statistical) and bench-scale bioreactor level optimization of thermoalkaline protease production from a psychrotrophic Pseudomonas putida SKG-1 isolate. Microbial Cell Factories. 2011;10:114. DOI: 10.1186/1475-2859-10-114.

25. Uhoraningoga A., Kinsella G. K., Henehan G. T., Ryan B. J. The Goldilocks Approach: A Review of Employing Design of Experiments in Prokaryotic Recombinant Protein Production. Bioengineering. 2018;5(4):89. DOI: 10.3390/bioengineering5040089.

26. Larentis A. L., de Cássia Cunha Sampaio H., Martins O. B., Rodrigues M. I., Moitinho Alves T. L. Influence of induction conditions on the expression of carbazole dioxygenase components (CarAa, CarAc, and CarAd) from Pseudomonas stutzeri in recombinant Escherichia coli using experimental design. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. 2011;38(8):1045–1054. DOI: 10.1007/s10295-010-0879-2.

27. Lessa-Aquino C., Borges Rodrigues C., Pablo J., Sasaki R., Jasinskas A., Liang L., Wunder E. A., Ribeiro G. S., Vigil A., Galler R., Molina D., Liang X., Reis M. G., Ko A. I., Medeiros M. A., Felgner P. L. Identification of seroreactive proteins of Leptospira interrogans serovar copenhageni using a high-density protein microarray approach. PLoS Neglected Tropical Diseases. 2013;7(10):e2499. DOI: 10.1371/journal.pntd.0002499.

28. Lin Y.-P., McDonough S. P., Sharma Y., Chang Y.-F. Leptospira immunoglobulin-like protein B (LigB) binding to the C-terminal fibrinogen αC domain inhibits fibrin clot formation, platelet adhesion and aggregation. Molecular Microbiology. 2011;79(4):1063–1076. DOI: 10.1111/j.1365-2958.2010.07510.x.

29. Latypov V. F., Kornakov I. A., Robustova S. E., Khomutova O. S., Rodionov P. P. Recombinant plasmid DNA pF646, encoding a hybrid polypeptide containing proinsulin asprate, and a strain of Escherichia coli bacteria – a producer of the hybrid polypeptide containing proinsulin aspart. Patent RUS № RU2729353. 2019. Available at: https://patents.google.com/patent/RU2729353C1/ru. Accessed: 16.05.2024. (In Russ.)

30. Casali N., Preston A. E. coli plasmid vectors: methods and applications. Totowa: Humana Press; 2008. 316 p.

31. Ronald M. A. Handbook of Microbiological Media. 2<sup>nd</sup> ed. Boca Raton: CRC Press; 1997.

32. Schägger H. Tricine-SDS-PAGE. Nature Protocols. 2006;1(1):16–22. DOI: 10.1038/nprot.2006.4.

33. Umetrics M. User guide to MODDE. 2014.

34. Mandenius C.-F., Brundin A. Bioprocess optimization using design-of-experiments methodology. Biotechnology Progress. 2008;24(6):1191–1203. DOI: 10.1002/btpr.67.

35. Beal J., Farny N. G., Haddock-Angelli T., Selvarajah V., Baldwin G. S., Buckley-Taylor R., Gershater M., Kiga D., Marken J., Sanchania V., Sison A., Workman C. T. Robust estimation of bacterial cell count from optical density. Communications Biology. 2020;3(1):512. DOI: 10.1038/s42003-020-01127-5.

36. Dolnik V. Capillary electrophoresis of proteins 2005–2007. Electrophoresis. 2008;29(1):143–156. DOI: 10.1002/elps.200700584.

37. Marty M. T., Baldwin A. J., Marklund E. G., Hochberg G. K. A., Benesch J. L., Robinson C. V. Bayesian deconvolution of mass and ion mobility spectra: from binary interactions to polydisperse ensembles. Analytical Chemistry. 2015;87(8):4370–4376. DOI: 10.1021/acs.analchem.5b00140.

38. Aucoin M. G., McMurray-Beaulieu V., Poulin F., Boivin E. B., Chen J., Ardelean F. M., Cloutier M., Choi Y. J., Miguez C. B., Jolicoeur M. Identifying conditions for inducible protein production in E. coli: combining a fed-batch and multiple induction approach. Microbial Cell Factories. 2006;5:27. DOI: 10.1186/1475-2859-5-27.

39. Kumar J., Bhat S. U., Rathore A. S. Slow post-induction specific growth rate enhances recombinant protein expression in Escherichia coli: Pramlintide multimer and ranibizumab production as case studies. Process Biochemistry. 2022;114:21–27. DOI: 10.1016/j.procbio.2022.01.009.

40. Donovan R. S., Robinson C. W., Glick B. R. Review: optimizing inducer and culture conditions for expression of foreign proteins under the control of thelac promoter. Journal of Industrial Microbiology. 1996;16(3):145–154. DOI: 10.1007/BF01569997.

41. Mühlmann M., Forsten E., Noack S., Büchs J. Optimizing recombinant protein expression via automated induction profiling in microtiter plates at different temperatures. Microbial Cell Factories. 2017;16(1):220. DOI: 10.1186/s12934-017-0832-4.

42. Song J. M., An Y. J., Kang M. H., Lee Y.-H., Cha S.-S. Cultivation at 6–10 °C is an effective strategy to overcome the insolubility of recombinant proteins in Escherichia coli. Protein Expression and Purification. 2012;82(2):297–301. DOI: 10.1016/j.pep.2012.01.020.

43. Soleymani B., Mostafaie A. Analysis of Methods to Improve the Solubility of Recombinant Bovine Sex Determining Region Y Protein. Reports of Biochemistry and Molecular Biology. 2019;8(3):227–235.

44. De Mey M., De Maeseneire S., Soetaert W., Vandamme E. Minimizing acetate formation in E. coli fermentations. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. 2007;34(11):689–700. DOI: 10.1007/s10295-007-0244-2.

45. Warnecke T., Gill R. T. Organic acid toxicity, tolerance, and production in Escherichia coli biorefining applications. Microbial Cell Factories. 2005;4:25. DOI: 10.1186/1475-2859-4-25.

46. Wang H., Wang F., Wang W., Yao X., Wei D., Cheng H., Deng Z. Improving the expression of recombinant proteins in E. coli BL21 (DE3) under acetate stress: an alkaline pH shift approach. PLoS ONE. 2014;9(11):e112777. DOI: 10.1371/journal.pone.0112777.

47. Einsfeldt K., Severo Junior J. B., Corrêa Argondizzo A. P., Medeiros M. A., Moitinho Alves T. L., Almeida R. V., Larentis A. L. Cloning and expression of protease ClpP from Streptococcus pneumoniae in Escherichia coli: study of the influence of kanamycin and IPTG concentration on cell growth, recombinant protein production and plasmid stability. Vaccine. 2011;29(41):7136–7143. DOI: 10.1016/j.vaccine.2011.05.073.

48. Larentis A. L., Monteiro Quintal Nicolau J. F., dos Santos Esteves G., Vareschini D. T., de Almeida F. V. R., Galvão dos Reis M., Galler R., Medeiros M. A. Evaluation of pre-induction temperature, cell growth at induction and IPTG concentration on the expression of a leptospiral protein in E. coli using shaking flasks and microbioreactor. BMC Research Notes. 2014;7:671. DOI: 10.1186/1756-0500-7-671.

49. Urban A., Ansmant I., Motorin Y. Optimisation of expression and purification of the recombinant Yol066 (Rib2) protein from Saccharomyces cerevisiae. Journal of Chromatography B. 2003;786(1–2):187–195. DOI: 10.1016/s1570-0232(02)00742-0.

50. Martins Fukuda I., Fidelis Pinto C. F., dos Santos Moreira C., Morais Saviano A., Rebello Lourenço F. Design of Experiments (DoE) applied to Pharmaceutical and Analytical Quality by Design (QbD). Brazilian Journal of Pharmaceutical Sciences. 2018;54: e01006. DOI: 10.1590/s2175-97902018000001006.

51. Kiss B., Gottschalk U., Pohlscheidt M., editors. New Bioprocessing Strategies: Development and Manufacturing of Recombinant Antibodies and Proteins. New York: Springer; 2018.

52. Ladner T., Flitsch D., Lukacs M., Sieben M., Büchs J. Combined dissolved oxygen tension and online viscosity measurements in shake flask cultivations via infrared fluorescent oxygen-sensitive nanoparticles. Biotechnology and Bioengineering. 2019;116(12):3215–3227. DOI: 10.1002/bit.27145.

53. Rosano G. L., Ceccarelli E. A. Recombinant protein expression in microbial systems. Frontiers in Microbiology. 2014;5:341. DOI: 10.3389/fmicb.2014.00341.

54. Jiang D.-L., Yao C.-L., Hu N.-J., Liu Y.-C. Construction of a Tandem Repeat Peptide Sequence with Pepsin Cutting Sites to Produce Recombinant α-Melanocyte-Stimulating Hormone. Molecules. 2021;26(20):6207. DOI: 10.3390/molecules26206207.

55. Zhao Z.-H., Zhang C.-X., Li J., Zhang A.-Z., Zhao F.-F., Yu G.-P., Jiang N. Effect of tandem repeats of antimicrobial peptide CC34 on production of target proteins and activity of Pichia pastoris. Protein Expression and Purification. 2023;212:106342. DOI: 10.1016/j.pep.2023.106342.


Дополнительные файлы

1. Графический абстракт
Тема
Тип Прочее
Метаданные ▾

Рецензия

Для цитирования:


Хасаншина З.Р., Корнаков И.А., Буслаева Е.А., Казакова А.В., Ищук С.А., Шмурак В.И., Сапарова В.Б., Латыпов В.Ф., Драй Р.В. Разработка продуцентов терапевтических пептидов на основе Esherichia coli BL21 и технологии их культивирования. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2025;14(1):54-66. https://doi.org/10.33380/2305-2066-2025-14-1-1825

For citation:


Khasanshina Z.R., Kornakov I.A., Buslaeva E.A., Kazakova A.V., Ishchuk S.A., Shmurak V.I., Saparova V.B., Latypov V.F., Drai R.V. Development of therapeutic peptide producers based on Escherichia coli BL21 and their cultivation technology. Drug development & registration. 2025;14(1):54-66. (In Russ.) https://doi.org/10.33380/2305-2066-2025-14-1-1825

Просмотров: 4640


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2305-2066 (Print)
ISSN 2658-5049 (Online)