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Proteomics-based analysis of stress responses during recombinant protein production in Escherichia coli

  • Escherichia coli has been commonly used as a platform for recombinant protein production and accounts for approximately 30% of current biopharmaceuticals on the market. Nowadays, many recombinant proteins require post-translational modifications which E. coli normally cannot facilitate. Therefore, novel technological advancements are unceasingly being developed to improve the E. coli expression system. In this work, some of the most recently engineered platforms for the production of disulfide bond-containing proteins were used to study the E. coli proteome under heterologous protein production stress. The effects of protein secretion via the Sec and Tat translocation pathways were examined using a comparative LC-MS/MS analysis. The E. coli proteome responds to foreign protein production by activation of several overlapping stress responses with a high degree of interaction. In consequence, a number of important cellular processes such as cellular metabolism, protein transport, redox state of the cytoplasm and membrane structure are altered by the production stress. These changes lead to the reduction of cellular growth and recombinant product yields. Resolving the identified bottlenecks will increase the efficiency of recombinant protein expression processes in E. coli.
  • Escherichia coli stellt einen häufigen Produktionsstamm für die Herstellung rekombinanter Proteine dar und nimmt etwa 30% des derzeitigen Marktes für Biopharmazeutika ein. Heutzutage benötigen viele rekombinante Proteine post-translationale Modifikationen, welche in E. coli normalerweise nicht unterstützt werden. Deshalb werden stetig neue technologische Verfahren entwickelt, um E.-coli als Expressionssystem zu verbessern. In dieser Arbeit werden einige erst jüngst entwickelte E. coli Stämme für die Produktion von Proteinen mit Disulfidbindungen untersucht, um das E.-coli Proteom unter Stress durch heterologe Proteinproduktion näher zu charakterisieren. Die Effekte der Proteinsekretion via Sec- und Tat- Translokations-Weg wurden mittels eines vergleichenden LC-MS/MS Analyseverfahrens ermittelt. Das E.-coli Proteom reagiert auf eine Fremdproteinproduktion mit der Induktion von zahlreichen und sich überschneidenden Stressreaktionen. Als Konsequenz des Produktionsstresses werden viele wichtige zelluläre Prozesse wie der zentrale Metabolismus, der Proteintransport, der Redox-Zustand des Zytoplasmas sowie die Membranstruktur verändert. Diese Anpassung führt zu einer Reduktion des zellulären Wachstums und der Ausbeute an rekombinantem Protein. Eine Aufklärung des zellulären Engpasses während der rekombinanten Proteinexpression könnte letztendlich die Effizienz des Produktionsprozesses in E. coli erhöhen.

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Metadaten
Author: Katarzyna Dolata
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-29819
Title Additional (German):Proteomik-basierende Analysen der Stress-Antwort von Escherichia coli während rekombinanter Proteinproduktion
Referee:Prof. Dr. Katharina Riedel, Prof. Dr. Wolfgang Liebl
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/08/30
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/07/18
Release Date:2019/08/30
GND Keyword:E. coli, proteomics, recombinant protein, stress response
Pagenumber:153
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Mikrobiologie - Abteilung für Genetik & Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie