WO2025036564A1 - Nucleic acid sequence, vector, screening method and method of producing recombinant antibodies - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a nucleic acid sequence with an increased expression rate for the production of recombinant proteins, as well as a vector or an isolated nucleic acid for the heterologous expression of proteins. Furthermore, the present invention relates to a corresponding amino acid sequence, a cell, as well as a screening method for selecting cells with an increased expression rate and a method for producing recombinant antibodies.
- antibodies are of animal origin. Antibodies are produced either in animals or in animal cell cultures. CHO (Chinese hamster oviduct cells) and HEK-293T cells are used in particular.
- WO 2021/002630 A1 describes the use of the promoter HASP1. Furthermore, a signal peptide HASP1-SP, an expression vector comprising HASP1 and HASP1-SP, a transformant into which the expression vector has been introduced into a host cell, and methods for producing, expressing and increasing the expression level of a protein of interest in a host cell are disclosed. With this method, too, the production rate can be increased even further.
- the present invention is therefore based on the technical problem of providing a nucleic acid sequence, a vector, an amino acid sequence, a cell, as well as a screening and a production method which allow the expression level and thus the production rate of recombinant proteins to be further increased compared to the methods and genetic components known in the prior art.
- the object is achieved by a nucleic acid sequence having the features of claim 1, as well as a vector or an isolated nucleic acid, an amino acid sequence, a cell, a screening method and a method for producing recombinant antibodies having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims, the description and the embodiments.
- the object is achieved in particular by a nucleic acid sequence with an increased expression rate for the production of recombinant proteins, comprising at least one expression cassette for the expression of one or more peptides.
- the expression cassette has at least one promoter element and at least one first transcription unit which codes for a protein, wherein the promoter element consists of the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1 or a nucleic acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 1.
- the term “homology” refers to the similarity between nucleotide sequences of DNA or RNA and/or between amino acid sequences of proteins.
- SEQ ID NO:1 represents a promoter, hereinafter referred to as HASP1 mod , which has proven to be particularly suitable for regulated protein production.
- the HASP1 mod promoter is a promoter element derived from the natural HASP1 promoter, whereby a partial sequence of the natural HASP1 promoter has been duplicated.
- SEQ ID NO:1 is as follows, where the underlined part represents the duplication:
- At least one transcription unit comprises a polynucleotide which encodes an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
- SEQ ID NO:2 represents an amino acid sequence of the hinge region of an antibody, which was derived from equine immunoglobulin sequences and has been found to be particularly protease-resistant.
- the use of this protease-resistant hinge region significantly reduces the proteolysis of the antibodies produced in different formats and from different species, both in vivo and in vitro.
- the SEQ ID NO:2 is as follows:
- the object is further achieved by an amino acid comprising SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence having a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
- the object is achieved by a vector or an isolated nucleic acid which comprises a nucleic acid according to the invention in simple or repetitive form, and by a cell comprising a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention or a nucleic acid sequence according to the invention or an amino acid sequence according to the invention.
- the cell is a photosynthetically active cell, in particular a viridiplantae or a unicellular plant, preferably a diatom.
- the object is further achieved by a screening method for selecting cells with an increased expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention.
- the screening method comprises the steps a) providing cells which have been transformed with a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention and/or with a nucleic acid sequence according to the invention, b) isolating and transferring the cells into a culture medium, c) enriching the culture medium with a phosphate concentration in the range of 0.1 pM to 200 pM, preferably 0.5 pM to 200 pM, particularly preferably 1 pM to 200 pM, very particularly preferably 1 pM to 35 pM, and d) examining the cells for a desired expression rate.
- the screening method according to the invention not only makes it possible to find producing cell lines, but also to identify the cell lines that produce the highest protein yields at the earliest possible stage of the process.
- the object is achieved by a method for producing recombinant antibodies using a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention or a nucleic acid sequence according to the invention, wherein the method comprises the following steps: a) providing cells with a nucleic acid sequence according to the invention, preferably determined by a screening method according to the invention, b) culturing the transformed cells in a culture medium, wherein the cultivation is initially carried out in a pre-culture and then in a main culture and wherein the culture conditions are adapted in such a way that the yield of heterologously produced proteins is maximized, and c) extracting the heterologously produced proteins.
- the culture medium may contain phosphate in an amount of from 20 pM to 300 pM, preferably from 20 pM to 400 pM, particularly preferably from 20 pM to 500 pM.
- the invention describes a method and the components required for it, which for the first time enables efficient and vegan production of recombinant proteins in diatoms, for example in Phaeodactylum tricornutum.
- Vegan production is understood to mean production that does not use animals or animal cells or substances obtained from animals.
- the production method according to the invention is primarily aimed at the heterologous expression of antibodies of various formats, but can also be used for other proteins, preferably from animals and humans.
- the method according to the invention allows for the first time production quantities of at least 50 mg recombinant protein * L -1 culture. The quantities thus achieved are at least 20x higher than those described to date and have not yet been achieved by any stably transformed, plant or Sar-based production system.
- the production method according to the invention meets the requirements for completely vegan production, as long as the DNA sequences of the proteins to be produced do not come from animals, but for example from recombinant (human) antibody banks.
- Another advantage over the production of polyclonal antisera is the consistent quality and reproducibility of the antibodies produced, since, for example, the animals producing the antibodies die after a certain time and antibodies from another animal have different properties, i.e. the quality of the antibodies produced using the conventional method varies greatly.
- antibodies and auxiliary proteins obtained from a diatom, unicellular plant or viridiplantae are precisely defined antibodies, i.e. antibodies whose amino acid sequence is predefined and consistent.
- the recombinant antibodies are obtained by expression from the diatom (diatoms), the green algae (Chlorobionta) or a seed plant, whereby very high yields are advantageously achieved, for example for expression from seed plants yields of more than 20 mg of antibodies per liter of culture (in the case of single cells) or per 100 g of fresh weight.
- the recombinant antibodies are particularly preferably obtained from the diatom or the green alga, in particular in the diatom, such as Phaeodactylum tricornutum. nucleic acid sequence
- the invention relates on the one hand to a nucleic acid sequence with an increased expression rate for the production of recombinant proteins, comprising at least one expression cassette for the expression of a protein, wherein the expression cassette has at least one promoter element and at least one first transcription unit which encodes at least one peptide, preferably an antibody, and wherein the promoter element consists of the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1 or a nucleic acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 1.
- the term “homology” refers to the similarity between nucleotide sequences of DNA or RNA and/or between amino acid sequences of proteins.
- An expression cassette in the sense of the invention consists of at least one regulatory promoter element, a 5'-UTR (untranslated region at the 5' end), a codon-determining sequence (CDS, which is translated into a peptide), a 3'UTR (untranslated region at the 3' end) and a terminator, which acts as a stop codon and causes the termination of translation.
- the CDS can contain various subelements, such as signal peptides, which direct antibodies or antigens to a specific cell compartment, tag sequences such as Strep-Tag or ßx His-Tag, which primarily serve to purify or detect the peptide, or fluorescent markers such as GFP (Green Fluorescent Protein) etc., which primarily serve to detect via their fluorescence.
- promoter in the sense of the present invention refers to a polynucleotide sequence that is located upstream of a gene and regulates the transcription of a functional gene.
- the promoter forms a recognition and binding site for an RNA polymerase, which initiates the transcription of the gene.
- HASP1 mod The nucleic acid sequence of HASP1 mod is listed under SEQ ID NO:1 and is as follows: 5'-
- the invention also encompasses nucleic acid sequences whose promoter element has individual HASP1 sequence sections repetitively, for example with respect to the start codon ATG between -100 and -1, between -200 to -101, between -300 to -201, between -400 to -301 and/or between -500 to -400. These sections can be combined in any constellation and copy number. This results in a new sequence that has less than 85% homology to the native and HASP1 mod promoter.
- the promoter element can consist of a nucleic acid sequence in which up to 30% of the bases differ, particularly in the proximal promoter regions.
- the latter can also originate from P. tricornutum or from other organisms, including those from humans or vertebrates. This modification is another reason for the high performance of the developed expression system.
- the expression cassette further comprises at least one second transcription unit which encodes a reporter protein.
- This second transcription unit is also referred to herein as a reporter gene.
- the reporter gene used is preferably a gene which does not normally occur in eukaryotic cells, preferably in photosynthetically active cells, in particular in unicellular plants or viridiplantae.
- the reporter gene primarily serves to indicate the activity of the promoter under which it was introduced and/or the expression of the first transcription unit with which it is functionally linked.
- a reporter enzyme such as a bioluminescent enzyme, a fluorescent reporter protein, such as GFP (green fluorescent protein), or a detectable antigen can be used as a reporter protein.
- Reporters are proteins that directly or indirectly generate a detectable signal.
- This signal can, for example, B. be a fluorescence (e.g. tGFP (turbo green fluorescent protein), GFP (green fluorescent protein), BFP (blue fluorescent protein), YFP (yellow fluorescent protein), CFP (cyan fluorescent protein), DsRed (Discosoma sp. red fluorescent protein)), a luminescence (e.g. luciferase), a coloration by chromoproteins (e.g.
- a color reaction e.g. ß-glucoronidase, ß-galatosidase
- a reporter gene can be used to simplify optimization of culture conditions and/or to control cell vitality or nutrient availability in a cell culture. This enables in-time analysis of the cultured cells. The strength of the signal correlates with the availability or lack of the nutrient under investigation. It has been found that the HASP1 mod promoter (according to SEQ ID NO:1) is inhibited by phosphate and is triggered by phosphate deficiency.
- phosphate refers to all phosphate salts and phosphate-containing organic compounds and all chemical forms of phosphorus.
- Phosphate concentrations of over 360 pM are particularly important for the regulation of
- HASP1 mod - promoter is suitable. Such high concentrations not only allow the expression rate of the HASP1 mod promoter to be inhibited very efficiently and over a longer period of time, but also allow a higher cell density to be achieved before a strong increase in expression occurs due to the consumption of phosphate.
- the HASP1 mod - promoter thus provides the ideal control to achieve high cell densities without expression of the controlled gene, before expression is massively increased due to the consumption of phosphate.
- its expression strength can be controlled very finely and the maximum possible expression rates are very high.
- the expression cassette further comprises at least one sequence region which encodes a selection marker, preferably a resistance gene.
- Resistance genes are genes that encode factors that make the cell resistant to certain substances, such as antibiotics and/or plant pathogens and/or heavy metals. Resistance genes are usually used as selection markers to detect whether a vector has been transformed into a cell.
- zeocin resistance gene zeocin is the commonly known trade name for phleomycin D1
- nourseothricin resistance gene the blasticidin resistance gene
- chloramphenicol resistance gene examples of preferred resistance genes.
- the resistance gene is coupled to the second transcription unit, which encodes a reporter protein.
- the resistance gene is linked to the reporter gene via genetic coupling in a polycistronic mRNA.
- polycistronic mRNA is understood to mean an mRNA that is encoded by several consecutive genetic units on the nucleic acid sequence of the DNA and which therefore has several open reading frames (ORFs).
- the second transcription unit is fused to the first transcription unit, with separation occurring during or immediately after translation, for example caused by P2 peptides (e.g. P2A, P2B, P2T) or IRES elements (internal ribosome entry site).
- P2 peptides e.g. P2A, P2B, P2T
- IRES elements internal ribosome entry site
- Another possibility for coupling the reporter protein is direct coupling at the protein level to the protein to be detected, preferably to the antibody to be detected.
- individual genetic elements are repetitively present.
- the repetitive use i.e. the repeated use, of genetic elements, in particular regulatory elements such as the promoter element, can increase the expression rate of the nucleic acid sequence according to the invention.
- the genetic elements and/or the expression cassette in question are used at least twice, preferably at least three times, preferably immediately one after the other, in the case of repetitive use.
- transcription units in particular the first transcription unit, which codes for a recombinant protein to be produced, in particular an antibody
- the repetitive use of transcription units leads to a significant increase in the yield and the number of clones or the proportion of clones that show detectable production. This minimizes the process effort.
- Several copies of the genetic information or the transcription unit of the protein (or antibody) to be produced are cloned on a plasmid or vector. These transcription units preferably flank a resistance gene. The position effect is exploited, i.e. when integrated into the genome at a "favorable" locus, the so-called gene of interest (GOI) is present in multiple copies and ensures an increased amount of transcript, which ultimately increases the yield of recombinant protein.
- GOI gene of interest
- the resistance gene is arranged particularly "closely” coupled to the transcription units.
- “close” coupling means that the genetic connection between the transcription unit and the resistance gene is not severed by genetic recombination (via internal or externally supplied recombinases).
- the nucleic acid according to the invention is codon-optimized for use in a specific host organism, for example in diatoms, preferably in P. tricornutum
- a sequence of a nucleic acid is codon-optimized in particular when the codons are optimally adapted to the frequency of the corresponding tRNAs, so that efficient translation is not inhibited by missing tRNAs loaded with the corresponding amino acid. Furthermore, it is considered an optimization that certain recognition sites of restriction enzymes, which can complicate the cloning process, have been eliminated.
- the invention therefore also encompasses a nucleic acid encoding an antibody, wherein the sequence of the nucleic acid is codon-optimized for expression in a diatom, unicellular plant or viridiplantae, in particular in a diatom.
- the profile of the amino acid sequence from the original sequence can be taken into account during codon optimization of the sequence of the nucleic acid. This improves in particular the correct folding of the antibody compared to the native counterpart of the antibody, which leads to increased stability of the antibody and increased biological activity of the antibody expressed in the host organism (as defined herein).
- a codon-optimized sequence of a nucleic acid has the advantage that the expression rate in the host organism is increased by at least a factor of 10, preferably at least a factor of 20, particularly preferably at least a factor of 30, very particularly preferably at least a factor of 40 compared to a non-codon-optimized sequence of a nucleic acid.
- the production rate in the diatom can thereby be increased from the conventional maximum of 3 mg of antibodies per liter of culture to 160 mg of antibodies per liter of culture.
- a sequence of a nucleic acid codon-optimized for expression in a host organism (as defined herein) has the advantage that the folding of the antibody is improved in accordance with the native counterpart of the antibody, which leads to increased stability of the antibody and increased biological activity of the antibody expressed in the host organism.
- the nucleic acid sequence according to the invention has at least one replicative viral unit, preferably a replicon from the weed dwarf virus (WDV).
- WDV weed dwarf virus
- Such viral elements enable independent replication of the transformed DNA in the form of DNA or RNA. This increases the copy number of transformed DNA or RNA, which, for example, increases the amount of transcript (mRNA) and produces more protein. Furthermore, an increased copy number of the transcription unit to be introduced can result in this DNA being integrated into the genome several times, which increases the chance of integration at a "favorable" locus.
- the nucleic acid sequence according to the invention preferably has at least one sequence region which is responsible for a retention signal, preferably for the amino acid sequence KDEL and/or HDEL.
- Equipping heterologously expressed proteins with a retention signal ensures that the expressed protein remains in the endoplasmic reticulum.
- retention signals are the amino acid sequences KDEL and HDEL.
- Normally only the heavy chain is equipped with such a sequence.
- antibodies are produced in the diatom, however, not only the heavy chain is equipped with such a signal, but also the light chain. This is intended to prevent the possible transport of the light chain into the Golgi apparatus and to promote the assembly of both molecules.
- keeping the expressed proteins in the endoplasmic reticulum ensures protection against proteases and successful glycosylation, which increases the yield and maintains functionality.
- the first transcription unit comprises a polynucleotide which encodes an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
- SEQ ID NO:2 represents an amino acid sequence of the hinge region of an antibody, which was derived from equine immunoglobulin sequences and has been found to be particularly protease-resistant.
- the use of this protease-resistant hinge region significantly reduces the proteolysis of antibodies of different formats and from different species produced in P. tricornutum, both in vivo and in vitro.
- the SEQ ID NO:2 is as follows:
- a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention for the heterologous expression of proteins, preferably of antibodies, has at least one nucleic acid sequence according to the invention in simple or repetitive form.
- the number of transcription cassettes in the vector or in the isolated nucleic acid is preferably more than 1 and particularly preferably more than 2.
- the vector according to the invention or the nucleic acid according to the invention thus has at least two, preferably at least three nucleic acid sequences according to the invention.
- the transcription cassettes regulated in this way preferably encode a protein, particularly preferably an antibody (in other words: several transcription cassettes all encode one and the same protein or one and the same antibody), the protein, preferably the antibody, having a sequence identity of at least 50%, particularly preferably at least 60%, very particularly preferably at least 70%, in particular at least 80% at the amino acid level.
- a transcription cassette (as described herein) consists of at least one regulatory promoter element, a 5'-UTR, a codon-determining sequence (CDS, which is translated into a peptide), a 3'UTR and a terminator.
- the CDS can contain various subelements, such as signal peptides, which direct antibodies or antigens to a specific cell compartment, tag sequences, such as Strep-Tag or 6x His-Tag, which primarily serve to purify or detect the peptide, or fluorescent markers such as GFP (Green Fluorescent Protein) etc., which primarily serve to detect via their fluorescence.
- the vector according to the invention or the isolated nucleic acid according to the invention has at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four expression cassettes in repetitive form.
- the expression cassettes of a vector or of an isolated nucleic acid can be identical to one another or have an identity of at least 70%, preferably at least 80%, to one another. Furthermore, one or more second and/or further expression cassettes differing from a first expression cassette can be arranged in the vector according to the invention or the isolated nucleic acid according to the invention.
- an increase in the expression rate of the nucleic acid sequence according to the invention can be achieved.
- the number of producers with higher production quantities, the number of transgenic clones and the proportion of clones with a detectable signal also increase.
- the signal of the reporter protein is a direct measure of protein production/antibody products.
- the expression cassettes in question are used in repeated use at least in duplicate, preferably at least in triplicate, preferably immediately one after the other.
- the vector or nucleic acid according to the invention further comprises at least one sequence region which encodes a selection marker, preferably a resistance gene (as described herein).
- the invention also relates to an amino acid sequence comprising SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence having a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
- the amino acid sequence according to the invention forms a particularly protease-resistant hinge region in a recombinant antibody.
- the resulting recombinant antibody is advantageously modified in such a way that it has increased stability against diatom-, human-, plant- or microalgae-specific proteases. This can increase the stability of the antibody in the host organism in which the antibody is expressed and thus also the expression rate.
- antibody refers herein to an immunoglobulin (Ig) or a derivative of an immunoglobulin as produced by the acquired immune system of vertebrates.
- immunoglobulin Ig
- examples of naturally occurring antibodies are antibodies of class M (IgM), G (IgG), A (IgA), and E (IgE), in particular from mammals such as humans, rabbits, mice, rats, camels, llamas, goats, and/or horses.
- artificial formats based on such proteins are also included, examples of which are scFvs (single chain variable fragments), or scFv-Fc (single chain variable fragments fused to a crystalline fragment).
- a “native antibody” in the sense of the present invention is a natural antibody as is found in an individual as defined herein, in particular a vertebrate, particularly preferably a mammal, most preferably a primate, in particular a human.
- the amino acid sequence according to the invention is a cysteine-rich amino acid sequence which contains at least 20 cysteines, preferably at least 15 cysteines, particularly preferably at least 12 cysteines.
- the amino acid sequence in the hinge region comprises or consists of (a) the sequence VIKEPCCCPKCP or (b) a sequence identity which differs from this amino acid sequence by a maximum of 30%, in particular by a maximum of 20%, particularly preferably by a maximum of 15%, or (c) an amino acid sequence which has only one amino acid exchange compared to the variant according to (a).
- nucleic acid sequence coding for an amino acid sequence comprising SEQ ID NO: 2 or for an amino acid sequence having a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
- the invention further relates to a cell comprising a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention (as described herein) or a nucleic acid sequence according to the invention (as described herein), wherein the cell is a photosynthetically active cell, in particular a unicellular plant or viridiplantae, preferably a diatom.
- a screening method according to the invention for selecting cells with an increased expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention comprises the steps: a) providing cells which have been transformed with a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention and/or with a nucleic acid sequence according to the invention, b) isolating and transferring the cells into a culture medium, c) enriching the culture medium with a phosphate concentration in the range of 0.1 pM to 200 pM, preferably 0.5 pM to 200 pM, particularly preferably 1 pM to 200 pM, most particularly preferably 1 pM to 20 pM. d) examining the cells for a desired expression rate.
- the cells that have taken up the transgene must then be identified and selected. This is typically done by selecting against a selection substance that interacts with a selection marker contained in the expression cassettes.
- Resistance genes are preferably used as selection markers. Following transformation, the cells are transferred to a selection plate and/or to a selection medium, with the selection plate or the selection medium containing the respective selection substance in a sufficient concentration. The person skilled in the art knows the concentration in which the selection substance must be used.
- Zeocin phleomycin D1
- blasticidin are used as selective reagents.
- the selection is preferably carried out on a solid nutrient medium, preferably on an agar plate, in particular on an agar plate with an agar concentration of less than 1.5%, preferably less than 1%.
- the growth time of the cells on agar plates with such a reduced agar concentration is reduced, compared to a standard agar concentration of 1.5%.
- the selection is carried out on a solid medium or solid nutrient medium which contains 0.5% to 1% agar, preferably 0.6% to 1% agar, particularly preferably 0.7% to 1% agar, very particularly preferably 0.8% to 1% agar.
- Such a solid medium is advantageously also used for the maintenance of the strains of the cells used, both transformed and non-transformed cells.
- reporter proteins are used. These can be present either as a fusion protein or dicistronic (e.g. linked by means of an IRES element). The massively parallel fluorescence-based detection by the reporter proteins correlates clearly with the amount of recombinant proteins that are later produced by this cell line.
- nutrient or nutrient deficiency-triggered promoters such as the modified HASP1 promoter HASP1 mod described here, it is not possible to establish a correlation between reporter signal and protein production directly after selection.
- the clones In order to establish a meaningful correlation, the clones must be transferred from the selection plate or from the selection medium to a liquid medium (e.g. into a multiwell plate). The clones must then be measured over a specific period of time, ideally at a specific time, in order to achieve a meaningful correlation.
- the time of the evaluation depends on the concentration of the relevant nutrient (e.g. phosphate in the case of HASP1 mod ).
- the concentration must be set so that the cells do not exceed a critical value and the time until evaluation is as short as possible and at the same time as close to reality as possible.
- the intensity of the fluorescence of the reporter proteins can be correlated with the amount of antibody formed. However, as shown below, this correlation is not trivial and depends on many factors (e.g. the number of cells).
- the selection process described here is therefore designed so that the correlation between fluorescence and antibody production can be established very reliably with minimal effort.
- the preselected cells are separated according to step (b) and transferred to a culture medium.
- a modified f/2 medium can be used as a culture medium, for example.
- the transfer takes place at least one multiwell plate of at least 6 wells, preferably at least 12 wells, particularly preferably at least 24 wells, very particularly preferably at least 48 wells, further preferably at least 96 wells, in particular at least 384 wells.
- the resulting clones are separated.
- multiwell plates represents a high-throughput method that significantly reduces the effort and costs required for selecting, for example, clones with high expression levels, as this enables simultaneous measurement of up to 384 independent clones.
- the medium contains a phosphate concentration of 0.1 pM to 50 pM, preferably 0.25 pM to 35 pM, particularly preferably 0.5 pM to 30 pM, most preferably 0.75 pM to 25 pM, in particular 0.1 pM to 20 pM, furthermore in particular 1 pM to 20 pM, according to step (c) advantageously leads to the phosphate deficiency-triggered modified promoter HASP1 mod described herein reacting with increased activity due to the low phosphate concentration of the medium and the protein production thus triggered can be evaluated at an earlier point in time than at higher phosphate concentrations. The resulting increased production of the reporter protein can be easily read out.
- phosphate refers to all phosphate salts and phosphate-containing organic compounds and all chemical forms of phosphorus.
- the clones When evaluating reporter signals, the clones can be analyzed directly after the cells have been isolated and transferred to a culture medium, but the number of cells is low at this point, which increases the measurement inaccuracy.
- the cells are cultured in the culture medium, preferably in a multiwell plate, to an optimal cell density. It must be taken into account, especially when working with nutrient deficiency-triggered promoters, that the initial nutrient concentration has a significant influence on the expected cell density during the course of the cultivation and thus also on the time of evaluation. This is influenced by several factors: In order to obtain reliable reporter signals, the cell density must not be too high, because above a certain cell density the signal strength of the reporter is no longer proportional to the number of cells. Although a qualitative comparison might be possible under certain circumstances, it is not permissible for a quantitative statement.
- the cells are examined for an expression rate of the
- a suitable method is to determine the optical density (OD), for example by means of absorption measurement, where a light beam is directed into the medium and the light loss is measured with a detector. Up to a certain cell density, the optical density shows an essentially linear increase.
- the multiwell plate is preferably filled with the culture medium to a volume of 30% to 70%, preferably 45% to 55% of the total volume of each individual well.
- the measurement inaccuracy is highest in this range, with 50% filling volume being suitable both for culturing the cells in the multiwell format and for a more error-tolerant measurement (e.g. in the case of volume deviations due to evaporation during cultivation or due to pipetting errors).
- the wells of the multiwell plate are preferably filled with the culture medium to a volume of 30% to 70%, preferably 45% to 55% of the total volume of each individual well.
- a microplate reader can be used to read the parameters.
- different wavelengths can be used, which are preferably between 600 and 800 nm.
- the measurement is particularly preferably carried out at a wavelength of 600 to 750 nm.
- the number of cells must not exceed a certain number in order to establish a linear relationship. to obtain reliable, linear measurement results.
- the range in which the cell number must lie depends on the cell size and type and is preferably determined empirically, e.g. using dilution series.
- the cell number at which the examination according to step (d) is preferably carried out is 0.1 million cells * mL -1 to 120 million cells * mL -1 , preferably 0.25 million cells * mL -1 to at least 100 million cells * mL -1 , particularly preferably 0.5 million cells * mL -1 to 100 million cells * mL -1 , most particularly preferably 1 million cells * mL -1 to 90 million cells * mL -1 , further preferably 2 million cells * mL -1 to 80 million cells * mL -1 , even more preferably 3 million cells * mL -1 to 70 million cells * mL 1 , in particular 4 million cells * mL -1 to 60 million cells * mL -1 .
- an immunobiochemical and/or photometric method preferably a high-throughput method, is carried out to examine the cells for an expression rate of the nucleic acid sequence according to step (d).
- immunobiochemical methods that can be used are ELISA, SDS-PAGE or dot blot.
- photometric methods that can be used are the photometric determination of cell density and/or chlorophyll content and/or fluorescent proteins and/or chromoproteins and/or color reactions and/or luminescence. All of the methods that can be used can also be used in addition to and/or on the basis of one another or as an alternative to one another.
- the examination according to step (d) is carried out after a period of 1 to 21 days, preferably from 1.5 to 21 days, particularly preferably from 2 to 14 days after the implementation of step (c). It has been shown that the optimal cell density for carrying out the examination according to step (d) can be expected after this period.
- At least 5, preferably at least 10, particularly preferably at least 30, very particularly preferably at least 60, further preferably at least 96 different clones are examined in order to identify cells with an increased, preferably with the highest expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention.
- the disruption of cells in a multiwell format is preferably carried out using a buffer (e.g. PBS, HEPES, Tris-HCl, CHES, CAPSO, AMP, CAPS, CABS) containing detergents or by means of a temperature increased compared to the physiological state or a combination of detergents and a temperature increased compared to the physiological state.
- a buffer e.g. PBS, HEPES, Tris-HCl, CHES, CAPSO, AMP, CAPS, CABS
- the temperature is preferably more than 40 °C, particularly preferably more than 50 °C and most preferably at least 60 °C. Incubation times of between 0.5 h and 72 h are preferably used.
- Suitable detergents are known to the person skilled in the art. Examples of these are Tween20, Triton X 100, sodium dodecyl sulfate (SDS), digitonin or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB).
- the respective detergent is used in a final concentration preferably between 0.1% and 10%, particularly preferably between 0.2% and 10%, very particularly preferably between 0.3% and 10%, further preferably between 0.4% and 10%, in particular between 0.5% and 10%.
- Centrifugation after cell disruption leads to better quality results when analyzing the purification, e.g. by ELISA or SDS-PAGE.
- the digested material can be used for screening in the ELISA method using multiwell plates, but also - after adding so-called SDS-PAGE loading buffer and heating to 80 °C to 100 °C - directly in SDS-PAGE.
- SDS-PAGE loading buffer such methods are well known to those skilled in the art.
- the sedimentation of the solids and pigments described here leads to better quality results in ELISA and SDS-PAGE and plays a central role in the analysis of the purification steps. manufacturing process
- the method according to the invention for producing recombinant antibodies using a vector according to the invention and/or an isolated nucleic acid according to the invention and/or a nucleic acid sequence according to the invention comprises the following steps: a) providing cells with a nucleic acid sequence according to the invention, preferably determined by a screening method according to the invention, b) culturing the transformed cells in a culture medium, wherein the cultivation is initially carried out in a pre-culture and then in a main culture and wherein the culture conditions are adapted in such a way that the yield of heterologously produced proteins is maximized, and c) extracting the heterologously produced proteins.
- the provision of the cells according to step (a) may also comprise transforming the cells (as described herein) by suitable methods such as ballistic transformation or electroporation.
- step (b) When culturing the transformed cells according to step (b), the focus is on optimizing high yields of heterologously produced proteins, especially in closed cultivation systems.
- Cultivation can be carried out in batch format, i.e. under the static conditions of a constant culture medium, or in fed-batch format, i.e. with regular addition of fresh medium, whereby the expert knows which culture can achieve the highest yield.
- phosphate In fed-batch cultivation, nutrients are added during the cultivation process. It is crucial that the multiple addition of phosphate in a fed-batch cultivation accelerates the induction of the promoter (described here) and thus reduces the cultivation time. In addition, phosphate (regardless of the chemical form, in in which the phosphate is present), especially at the end of the cultivation, in small quantities to avoid complete exhaustion of the phosphate and thus optimize the yield.
- the invention is not limited to the culture sequence (pre-culture -> main culture).
- the cultivation can also be carried out without prior pre-culture.
- the cells are brought to a certain cell density during the pre-culture. These cells are then transferred to the main culture.
- the desired product is obtained from the main culture.
- the vitality and division rate of the cells in the pre-culture is crucial for the increase in biomass in the main culture; the more vital and actively dividing the cells in the pre-culture, the higher the increase in biomass. Higher biomass leads to a higher yield in the main culture.
- the cells are therefore transferred from the pre-culture to the main culture at a certain division rate and, accordingly, the division rate of the cells is determined to determine the optimal time for transferring the pre-culture to the main culture.
- the pre-culture according to step (b) is carried out without external gassing of the culture medium.
- the pre-culture is transferred to the main culture in the range of a certain division rate, preferably after a period of at least 4 days, particularly preferably at least 7 days, very particularly preferably at least 12 days.
- the period refers to the start of the culture.
- the specialist personnel knows how the division rate can be determined.
- the pre-culture according to step (b) is carried out with external gassing of the culture medium.
- the pre-culture is transferred to the main culture in the range of a certain division rate, preferably after a period of at least 4 days, particularly preferably of at least 7 days, very particularly preferably of at least 12 days.
- the period refers to the start of the culture.
- the optimal time to transfer the pre-culture into the main culture depends on the vitality of the cells.
- the vitality in turn depends on the nutrient composition of the culture medium. The lower the The more nutrients are available, the faster the optimal time for transferring the pre-culture to the main culture is exceeded.
- the following phosphate concentrations are particularly relevant for the pre-culture: 37 pM - 5000 M phosphate; particularly preferred 40 pM - 5000 pM; most particularly preferred 50 pM - 5000 pM.
- phrasesodactylum tricornutum an alternative to the division rate can be the morphology of the cells, in particular the ratio between duplicate and single cells, or the amount of chlorophyll per cell or another measure representing the number of cells, such as the optical density (OD).
- OD optical density
- Phaeodactylum cells can take on different morphotypes, a fusiform and an oval shape. Both morphological types are present in every culture, whereby the ratio between the proportions can vary between > 0 and ⁇ 1.
- a morphology change can be achieved by the following method:
- the enrichment or switch to a particular morphology can be promoted or induced by physical or chemical conditions.
- the ratio of single cells to at least double cell chains is between 0.1 and 10, preferably between 0.1 and 4, particularly preferably between 0.1 and 3.
- the division rate can be used to determine the optimal time for transferring the pre-culture into the main culture of Phaeodactylum tricornutum.
- a culture medium which is adapted to the genetic elements according to the invention, in particular the nucleic acid sequence according to the invention or the vector according to the invention or the isolated nucleic acid according to the invention.
- the culture medium comprises phosphate in an amount of 20 pM to 300 pM, preferably from 20 pM to 400 pM, particularly preferably from 20 pM to 500 pM.
- Phosphate not only plays a central role in the activation of the HASP1 mod promoter (as defined herein), but is also crucial for achieving highest cell densities. It has been shown that pro:
- ' 1 : 20 pM - 300 pM phosphate are required in the medium. In this way, the amount of phosphate required to achieve the desired biomass and avoid premature phosphate depletion can be calculated.
- phosphate concentrations of over 360 pM are particularly suitable for the regulation of the HASP1 mod promoter described here.
- Such high concentrations not only inhibit the expression rate of the HASP1 mod promoter very efficiently and over a longer period of time, but also allow a higher cell density to be achieved before a strong increase in expression occurs due to the consumption of phosphate.
- the H AS P1 mod promoter thus provides the ideal control to achieve high cell densities without expression of the controlled gene before expression is massively increased by the degradation of phosphate.
- its expression strength can be controlled very finely and the maximum possible expression rates are very high.
- the culture medium comprises glycerol as carbon source in an amount of more than 50 mM, preferably more than 60 mM, particularly preferably more than 70 mM, very particularly preferably more than 80 mM, further preferably more than 90 mM, in particular more than 100 mM.
- the initial culture medium comprises glucose as carbon source in an amount of more than 0.5 g/L, preferably more than 1 g/L, particularly preferably more than 2 g/L, very particularly preferably more than 5 g/L, further preferably more than 10 g/L, in particular more than 20 g/L.
- glucose is administered at 0.5 g/L, preferably more than 1 g/L, particularly preferably more than 2 g/L, very particularly preferably more than 5 g/L, further preferably more than 10 g/L, in particular more than 20 g/L every 2 to 14 days; preferably every 2 to 10 days, particularly preferably every 3 to 7 days.
- the administration can contain only glucose but also other nutrients such as phosphate, any nitrogen source, particularly preferably NO3 salts. Either the entire medium can be replaced or the nutrients can be added directly to the culture (continuous culture or fed-batch).
- acetate, sucrose, fructose, starch or an equivalent carbon source may be present in the culture medium as a carbon source.
- a carbon source is necessary because the light penetration of the medium is continuously reduced by the increasing cell density.
- the culture medium preferably comprises nitrogen, preferably in the form of NO 3 and/or NH 4 , in an amount of more than 10 mM, preferably more than 15 mM, particularly preferably more than 20 mM, very particularly preferably more than 30 mM, further preferably more than 40 mM, in particular more than 50 mM.
- a sufficient availability of a nitrogen source, particularly in the form of NO 3 and/or NH 4 is advantageously crucial for optimal protein production. If the nitrogen concentration is below a critical value, the cell density itself may remain unaffected, but the protein yield drops dramatically. In order to avoid losses in yield, the amount of nitrogen to achieve a certain cell density must be within a certain range.
- NH 4 and/or NO 3 can be present in any chemical form and bond.
- Nitrogen is added either initially and/or gradually to achieve the specified values. Nitrogen is preferably added initially and gradually.
- the initial N0 3 concentration of the culture medium is between 5 mM and 250 mM, preferably between 10 mM and 250 mM, particularly preferably between 20 mM and 250 mM, especially preferably between 50 mM and 250 mM.
- the successive NO 3 addition to the culture medium is between 5 mM and 250 mM, preferably between 10 mM and 250 mM, particularly preferably between 20 mM and 250 mM, especially preferably between 50 mM and 250 mM.
- NH 4 is used as a nitrogen source, continuous monitoring of the pH value and continuous buffering of the culture medium are preferred, since otherwise a drop in the pH value leads to a strong reduction in the vitality of the cell culture.
- the culture medium has an initial amount of micronutrients/trace elements and vitamins of 2 to 400 times, preferably 3 to 400 times, particularly preferably 4 to 400 times, very particularly preferably 5 to 400 times above the respective “normal” concentration.
- Normal concentrations for trace elements and vitamins have been described for the cultivation of diatoms and are known to those skilled in the art. They can vary from publication to publication.
- the reference values for "normal" concentrations within the scope of the present invention refer to the f/2 medium and are shown below: Table 1: Composition of the media: trace elements contained.
- Table 2 Trace elements added to the medium in increased concentrations.
- vitamins that are included in the culture medium at the indicated increased concentration are biotin (used as standard in a “normal” concentration of 2 pM), cyanocobalamin (used as standard in a “normal” concentration of 0.37 pM) and thiamine (used as standard in a “normal” concentration of 297 pM).
- the culture medium preferably has a pH of 6 to 9.5, preferably 6.5 to 9, particularly preferably 7 to 8.5.
- the culture medium is preferably buffered using Tris buffer, although other buffer-active substances known to the person skilled in the art may also be used. which have equivalent properties in the pH range mentioned, for example HEPES or MOPS buffers.
- the culture medium contains more than 2.5 mM Tris-HCl, pH 8, preferably more than 5 mM Tris-HCl, pH 8, particularly preferably more than 7.5 mM Tris-HCl, pH 8, very particularly preferably more than 10 mM Tris-HCl, pH 8.
- the culture medium has an oxygen saturation in the range of 40% to 100%, preferably in the range of 50% to 100%, particularly preferably in the range of 60% to 100%, very particularly preferably in the range of 70% to 100%, in particular in the range of 80% to 100%.
- the carbon source (for example in the form of glycerol, acetate, glucose, sucrose, fructose, starch) of the culture medium has a strong influence on the increase in biomass.
- the carbon source for example in the form of glycerol, acetate, glucose, sucrose, fructose, starch
- Oxygen can be added to the culture medium either from the air or as concentrated O2 or as a mixture containing O2 .
- the decisive factor here is the saturation of the culture medium with O2.
- cultivation is carried out with air or O 2 or a mixture containing O 2. This type of aeration ensures that the culture medium remains supplied with oxygen.
- the initial aeration is at least 1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly preferably at least 4 L * min -1 * L -1 culture medium.
- the aeration with air is preferably gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
- the initial aeration is at least 0.1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 0.2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 0.3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly preferably at least 0.4 L * min -1 * L -1 culture medium.
- the aeration with O 2 and/or air is preferably gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
- a gas mixture containing air or another gas mixture with CO 2 is preferably used to aerate the culture medium.
- the initial aeration when aerating with air is also at least 1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly particularly preferably at least 4 L * min -1 * L -1 culture medium.
- the aeration with air is gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
- the CO 2 content of the initial aeration is at least 0.1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 0.2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 0.3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly preferably at least 0.4 L * min -1 * L -1 culture medium.
- the aeration with CO 2 is preferably gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
- Another essential parameter for optimized cultivation in terms of biomass and heterologous protein production is the type (regarding the spectrum used) and intensity of the light exposure.
- the culture medium is exposed during the cultivation according to step (b) to an illumination with an illumination intensity (light intensity) of 20 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , preferably of 40 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , particularly preferably of 60 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , very particularly preferably of 80 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , in particular of 100 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , measured in the interior of the culture medium, preferably in the middle of the culture medium.
- an illumination intensity light intensity
- the measurement of the light intensity is preferably carried out either with a PAR sensor or an ePAR sensor (Extended Photosynthetically Active Radiation), both of which allow the measurement of the total photon flux intensity, whereby the measuring range of the ePAR sensors (400 nm to 750 nm) in the spectrum exceeds that of PAR sensors (400 nm to 700 nm).
- the measurement of the light intensity can be carried out with another suitable sensor that detects light intensity and spectrum.
- the senor used for measuring light is aligned at an angle of 90° to the light source.
- the sensor is located at a distance relative to the vessel wall closest to the light source of 0.3 to 0.5 times the diameter of the cultivation vessel.
- a successive increase in the exposure intensity by 20 - 400 pmol *nr 2 * s -1 preferably from 40 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , particularly preferably from 60 - 400 pmol *rrr 2 * s -1 , most preferably 80 - 400 pmol *m -2 * s -1 , in particular 100 - 400 pmol *m -2 * s -1 , measured (as described herein) in the interior of the culture medium, preferably in the middle of the culture medium.
- the heterologously produced proteins are extracted according to the invention.
- the disrupted cells can contain a large number of low molecular weight substances that can represent a disruptive factor for the subsequent processes. These substances include, for example, pigments, i.e. colorants that are visible to the naked eye. It has been found that after cooling the disrupted cells, in particular the disrupted diatom cells, the pigments can be separated, which can be done using common separation methods such as centrifugation or filtration. For this purpose, the following temperatures are set in the separation methods: preferably a maximum of 4 °C, particularly preferably a maximum of 2 °C and very particularly preferably a maximum of 0 °C. Furthermore, the pH value of the disruption buffer is preferably between pH 2 - 12 and particularly preferably between pH 4 - 10.
- the extraction of the heterologously produced proteins is also carried out by methods known to the person skilled in the art.
- Fig. 1 A schematic overview of the relationship between individual invention objects
- Fig. 2A the repetition of two promoters
- Fig. 2B a vector according to the invention with repetitively inserted expression cassettes
- Fig. 3 a diagram showing the formation of fluorescence as a function of the copy number of the promoter used in a nucleic acid sequence according to the invention or a vector according to the invention;
- Fig. 4A a diagram showing the distribution of signal intensities depending on the number of expression cassettes in a vector according to the invention
- Fig. 4B a diagram of the number of transgenic colonies and the proportion of fluorescent clones as a function of the number of expression cassettes in a vector according to the invention
- Fig. 5A a diagram showing the distribution of signal intensities depending on the type of vector modification with respect to a replicon
- Fig. 5B Evidence of the formation of a replicon in Phaeos
- Fig. 6A the result of three gel electrophoreses comparing the proteolytic degradation depending on the hinge region used;
- Fig. 6B the amino acid sequence of the hinge region according to the invention.
- Fig. 7 a diagram showing the dependence of the HASP1 mod promoter on phosphate consumption or repression of the HASP1 mod promoter by regular phosphate addition;
- Fig. 8A a diagram showing the dependence between cell density and measured GFP signal
- Fig. 8B a graph of the responses of seven independent clones to phosphate deficiency compared to a graph of the same clones under phosphate addition
- Fig. 9 a diagram of the phosphate deficiency-dependent activation of the HASP1 mod promoter according to the invention
- Fig. 10 a diagram showing the shortening of the harvest cycle by phosphate addition
- Fig. 11 an embodiment of a vector according to the invention.
- Fig. 12 a graph comparing the tGFP signal intensities of independent clones at three different time points in 96-well plates with the reference in 100 ml flasks.;
- Fig. 13A Microscopic image of fusiform cells of P. tricornutunr
- Fig. 13B Microscopic image of oval cells of P. tricornutunr
- Fig. 13C/D Diagrams of the correlation of optical density and cell number in fusiform cells (C) and oval cells (D) of P. tricornutunr,
- Fig. 13E a diagram showing the correlation between expected and measured optical density as a function of cell density
- Fig. 14 a diagram showing the correlation between ELISA signals and GFP signals following a screening method according to the invention
- Fig. 15A a microscopic image of P. tricornutum-ZeWerr
- Fig. 15B a diagram showing the proportion of different cell types depending on the culture age
- Fig. 15C a representation of viability and division rate of cells of a preculture of P. tricornutum at different times during the cultivation;
- Fig. 15D a diagram showing the growth of the main culture depending on the age of the previous culture
- Fig. 16A a diagram showing the relationship between protein production, culture age and amount of nitrogen source
- Fig. 16B a diagram showing the relationship between cell density, culture age and amount of nitrogen source
- Fig. 16C a diagram showing the relationship between protein production, culture age and amount of urea source
- Fig. 16D a diagram showing the relationship between cell density, culture age and amount of urea source
- Fig. 17 a diagram showing the dependence of cell growth on phosphate concentration
- Fig. 18 a diagram showing the dependence of absolute biomass on the available concentration of trace elements and vitamins
- Fig. 19 a diagram showing the dependence of the increase in cell number on ventilation
- Fig. 20 the result of gel electrophoresis after digestion, separation of pigments and purification of antibodies in IgG format from P. tricornutunr,
- Fig. 21 Correlation between fluorescence and expression rate in 10 independent clones.
- Fig. 22 A diagram comparing the binding affinity of two diatom antibodies (formats) with those of the same sequence from human cell culture (Expi 293F ).
- Figure 1 shows a schematic overview of the relationship between individual invention subjects. All of the sub-steps shown (individually or in combination) lead to an improvement/optimization of the heterologous production of proteins, in particular antibodies, in particular in the diatom Phaeodactylum tricornutum.
- sequence optimization (1) of a nucleic acid sequence according to the invention is first carried out.
- This can include, for example, codon optimization and/or the use of particularly protease-resistant genetic elements (as described herein), such as hinge regions derived from equine IgGs (immunoglobulin G).
- nucleic acid sequence according to the invention is then introduced into a vector according to the invention (or an isolated nucleic acid according to the invention) (2), whereby individual genetic elements and/or complete expression cassettes are used repetitively. Furthermore, special inducible promoters are used, in particular a promoter element from the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1.
- the heterologously produced proteins are expressed in the endoplasmic reticulum of the cells, which leads to protection of the proteins from proteases and successful glycosylation, thereby increasing the yield and maintaining the functionality of the proteins.
- the transformation (3) of the vector according to the invention (or the nucleic acid according to the invention) into target cells takes place, preferably into photosynthetically active cells, in particular cells of a unicellular plant or viridiplantae, preferably cells of Phaeodactylum tricornutum.
- the transformation can take place ballistically or by means of electroporation in a suitable medium.
- a screening method (4) according to the invention for selecting cells with an increased expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention.
- a screening can be carried out using reporter genes for high-performance producers, i.e. for cells with an increased expression rate.
- the correlation between the expression of the reporter genes and the expression strength of the proteins to be produced can be determined. Multiwell plates are preferably used both for the screening method and for culture monitoring.
- a method according to the invention for producing recombinant proteins, preferably recombinant antibodies, (5) on the basis of the cells with an increased expression rate determined in the screening method (4) can be carried out.
- recombinant proteins are produced in a culture medium that is tailored to the genetic elements used, in particular to the promoters used.
- the cultivation conditions such as minimum light intensities and ventilation quantities, are also adapted (as defined herein).
- FIG. 2A shows the repetition of two HASP1 promoters.
- Figure 2B shows an example of an embodiment of a vector according to the invention (6) in which an expression cassette (9) was used repetitively, here in the form of a triple cassette for the production of antibodies in the scFv-Fc format.
- this repetitive use of the expression cassette (9) leads to a significant increase in the yield and the number of clones or the proportion of clones that show detectable production, thereby minimizing the overall process effort.
- the expression cassette (9) has a promoter element (9.1), a first transcription unit (9.2) which codes for a protein to be produced recombinantly, and a second transcription unit (9.3) which codes for the reporter gene tGFP, wherein the individual genetic elements (9.1, 9.2, 9.3) in Figure 2B are shown as an example on one expression cassette (9), but are also present in the other expression cassettes (9).
- Figure 3 shows a diagram of the formation of fluorescence as a function of the
- Figure 3 shows the distribution of the medians of the GFP signals (fluorescence signals of the green fluorescent protein normalized using ODeoo) depending on the promoter used (9.1), whereby the HASP1 mod promoter was used either in a single version (left) or in a double version (right). It can be seen that the repetitive (here double) use of the HASP1 m ° d promoter leads to an amplification of the measured GFP signals.
- Figure 4A shows a diagram of the distribution of the signal intensities depending on the number of expression cassettes (9) in a vector according to the invention (6). It can be seen that an increased number of expression cassettes (9) in the vector (6) leads to an increase in the fluorescence signal (measured as a normalized tGFP signal, note Iog2 scaling), which is due to the increased expression of the reporter gene.
- Figure 4B shows a diagram of the number of transgenic colonies and the proportion of fluorescent clones depending on the number of expression cassettes (9) in a vector according to the invention (6) (this is an Iog2 scale). It is clear that an increased number of expression cassettes (9) increases both the number of transgenic clones and the proportion of clones with a detectable fluorescence signal, with the fluorescent signal being a direct measure of protein production/antibody production.
- Figure 5A illustrates the increase in the yield of heterologously produced protein depending on the use of replicative viral units.
- This is a diagram showing the distribution of signal intensities depending on the type of vector modification in relation to a replicon, whereby in the example shown, the replicon from the weed dwarf virus (WDV) was used.
- WDV weed dwarf virus
- the use of the replicon (on the right in the diagram) leads to a significant increase in the fluorescence signal (measured as a normalized tGFP signal, note Iog2 scaling) compared to vectors not modified in this way (on the left in the diagram) and thus to an increase in the yield of heterologously produced proteins. This is based on the fact that the replicon enables independent division of the transformed DNA.
- Figure 5B shows a schematic representation of the repModi vector (vector modified with so-called replicon) and putative replicon and the analysis of some clones from the repModi approach.
- Top of the figure Schematic representation of the repModi vector and of the putative replicon with the corresponding primer position for detection and sequencing.
- Bottom of the figure PCR analysis of the control and the clones D6, E2, E12, F8 for antibodies and replicon formation.
- the primer pair R1/R2 was used to detect a replicon (480 bp) formation and the primer pair AK1/AK2 was used to detect the antibody sequence (390 bp). Black arrows in the figure bottom left point to the respective amplicons at the correct height.
- the repModi vector (in Fig. 5B repModi) was equipped with genetic elements from the weed dwarf virus (WDV).
- the vector After the recombination event, the vector consists of a LIR element, the RepA, the SIR element and the antibody cassette, the backbone and a LIR element are removed. Such a unit is able to replicate independently in the host organism.
- primer pair R1/R2 was designed to detect the recombination event (480 bp) and the primer pair AK1/AK2 a small part of the antibody cassette (390 bp). In the case of recombination, the distance between primers R1 and R2 is reduced from 3720 bp to 480 bp.
- Figure 6A shows the result of different gel electrophoresis to compare the proteolytic degradation depending on the hinge region used.
- the lanes labelled with M always show the same size marker.
- Different IgGs are applied in the different lanes: Lane 1: equine lgG6, lane 2: equine scFv-Fc, lane 3: murine lgG1 and lane 4: human lgG1.
- the filled arrows indicate the non-proteolytically cleaved heavy chain (HC), the hatched arrows indicate the light chains (LC).
- This band is missing in lane 2 because in the scFv-Fc format the LC is covalently bound to the other regions of the scFv-Fc and is therefore not separated in SDS-PAGE. Therefore, the upper band in lane 2 has also traveled less far than those in all other lanes.
- protease-resistant elements here a protease-resistant hinge region, significantly reduces the proteolysis of antibodies of different formats and from different species produced in P. tricornutum, both in vivo and in vitro.
- Figure 6B shows the amino acid sequence of the equine hinge region from eqlgG6 according to the invention.
- the described effect of reducing proteolysis by the hinge region also applies to genetic elements in which this amino acid sequence has been changed by up to 30%.
- Figure 7 shows a diagram of the dependence of the HASP1 mod promoter on phosphate consumption (dark gray curve) and repression of the HASP1 mod promoter by regular phosphate addition (light gray curve).
- the GFP signal is a direct measure of promoter activity and protein production.
- Several independent clones showed this phosphate dependence.
- One of the clones is shown here as a representative. It can be seen that the HASP1 mod promoter is inhibited by phosphate and triggered by phosphate deficiency.
- “Phosphate” here means all phosphate salts and phosphate-containing organic compounds and all chemical forms of phosphate. It should be noted that phosphate concentrations of over 360 pM are particularly suitable for regulating the promoter.
- Such high concentrations not only allow the expression rate of the HASP1 mod promoter to be inhibited very efficiently and over a longer period of time, but also allow a higher cell density to be achieved before a strong increase in expression occurs due to the consumption of phosphate.
- the HASP1 mod promoter thus provides the ideal control to achieve high cell densities without expression of the controlled gene, before expression is massively increased by the degradation of phosphate.
- its expression strength can be controlled very finely and the maximum possible expression rates are very high.
- Figure 8A shows a diagram of the relationship between cell density and measured GFP signal in three different cell cultures (dark gray, medium gray, light gray).
- the dashed line shows the expected GFP signal (assuming unrestricted linear behavior) and the solid line shows the measured GFP signal. It can be seen that the measured signal deviates from the expected signal. The reason for this is the increasing cell density.
- the relationship between cell density and signal strength is shown in a certain range linear. If signals are measured above a critical cell density, an appropriate correction must be made. In particular, this deviation means that when using a nutrient deficiency-dependent promoter (e.g. HASP1 mod , alkaline phosphatase) or a nutrient-triggered promoter (e.g.
- a nutrient deficiency-dependent promoter e.g. HASP1 mod , alkaline phosphatase
- a nutrient-triggered promoter e.g.
- the nutrient concentration of the cell culture must be carefully chosen for studies at the molecular level (e.g. testing of additional regulatory sequences as well as for cultivation studies).
- the deficiency must arise before the cell density exceeds the critical value, otherwise a comparison between the clones is not possible.
- it When using nutrient deficiency-triggered promoters, it must also be ensured that only clones that show a similar number of cells are compared and global peaks of the individual signal time series must be used to evaluate production. If the critical cell density is exceeded, there is no linear relationship between the number of cells and the signal intensity. Since the underlying effects depend predominantly on the cell density, the measurement can be corrected using a standard.
- Figure 8B shows a graph of the responses of seven independent clones to phosphate starvation (left) compared to a graph of the same clones with phosphate added (right).
- the wild type is shown as a graph marked with in both graphs. Without the addition of phosphate (left graph), the tGFP signals of all transgenic clones increased. With the addition of phosphate (right graph), the tGFP signals decreased to a low level.
- FIG. 9 A diagram of the phosphate deficiency-dependent activation of the H AS P1 mod promoter according to the invention is shown in Figure 9.
- the strength of the GFP signal is illustrated as a function of the culture age using four different cultures. The four cultures were cultivated in culture media with different phosphate concentrations, with 36 pM representing the lowest and 360 pM the highest phosphate concentration.
- the GFP signal is a direct measure of the activation of the promoter and protein production. As the phosphate concentration increases, the peak of the GFP signal shifts, since the phosphate deficiency occurs at a later time or at a higher cell density.
- the peak While in a medium with the lowest amount of phosphate the peak occurs after about 16 days (36 pM), this peak occurs at higher concentrations on about day 24 (72 pM), day 29 (140 pM) or the peak is not reached (360 pM). When this peak is reached depends on the initial phosphate concentration, the growth rate of the cells and the absolute number of cells. Although the peak of the culture with the highest phosphate concentration is not reached, the yield is still highest here because the cell density is many times higher than the cell density due to the increased phosphate availability. other crops. The amount of phosphate can be used to precisely control both the yield and the “harvest time”.
- Figure 10 shows a diagram of the shortening of the harvest cycle by adding phosphate when using a phosphate deficiency-triggered promoter.
- peak production is reached earlier if the amount of phosphate in the medium is kept at a constant "low” level or if phosphate is added at certain intervals. This effect occurs because a lower phosphate content (than the maximum desired phosphate content) in the culture medium causes the cells to "expect" a phosphate deficiency at an earlier point in time (than when the maximum desired amount of phosphate was initially added), and therefore all phosphate-dependent promoters are regulated accordingly (such as HASP1 mod ).
- HASP1 mod promoter continues to have an effect for some time, whereby the protein of interest linked to the HASP1 mod promoter (e.g. an antibody) is already produced.
- the above-mentioned process can thus be continued by leaving the cells “in the belief” that a phosphate deficiency is occurring. Whether and when this deficiency occurs depends on the desired duration of cultivation and is monitored by the person responsible. In the example shown, phosphate is added in the form of NaH 2 PO 4 at certain intervals.
- FIG 11 shows an example of an embodiment of a vector (6) according to the invention for the transformation of P. tricornutum. Only elements that are important for P. tricornutum are shown.
- This construct leads to the production of an antibody in the so-called scFv-Fc format in the transformed diatom (the individual elements of which are: a variable heavy chain VH (9.21), which is linked to a variable light chain VL (9.22) by means of a linker.
- VH variable heavy chain
- VL variable light chain
- This is located in front of the constant regions, here a human intermediate sequence, the hinge region (9.23) and an equine constant region (CH2 and CH3) (9.24).
- This region is linked via a proteolytically cleavable flag tag to a reporter gene (9.3), here turboGFP, which in turn is fused to a Strep tag.
- a reporter gene 9.3
- turboGFP which in turn is fused to a Strep tag.
- Another genetic construct under the control of a constitutive fcpB promoter is a selection marker (9.5), here the Zeocin resistance gene.
- Figure 12 illustrates a comparison of the tGFP signal intensities of independent clones at three different time points in 96-well plates with the reference in 100 ml flasks.
- tGFP signals In order to establish an evaluation of the tGFP signals in a multiwell plate, it was checked at which time the tGFP signals in the multiwell plate were closest to the "final/actual" tGFP signal.
- the tGFP signals of 29 independent clones were measured at several time points in a 96-well plate and then the tGFP signals of the same cultures in 100 ml flasks were determined.
- SDS-PAGE showed that the tGFP signals in 100 ml flasks correlate with the actual amount of protein.
- Figure 12 shows the development of the tGFP signals in the 96-well plates at 4 different time points after inoculation of the culture (day 1, day 4, day 6, day 8).
- the corresponding R 2 values are given in the legend.
- the R 2 values are 0.1; 0.86; 0.93 and 0.93 for the corresponding time points 1, 4, 6 and 8.
- the R 2 value rose to 0.86 and increased to 0.93 on day 6. From day 6 to day 8, there was no change in the correlation measurable by the R 2 value.
- Figures 13A and 13B show microscopic images of different cell types in the P. tricornutum culture, with Figure 13A showing fusiform cells and Figure 13B showing oval cells. Both morphological types are present in each culture, but the ratio between the proportions can vary between > 0 and ⁇ 1. When determining the cell number of Phaeodactylum using optical density, the morphology of the cells must be taken into account to avoid erroneous correlation. The appropriate factor depends on the device.
- Figures 13C and 13D show diagrams for the correlation of the optical density (OD) and the cell number in fusiform cells (C) and oval cells (D) of P. tricornutum. From the diagram shown in Figure 13E for the correlation between expected and measured optical density as a function of cell density, it is clear that the cells must not exceed a certain cell number in order to obtain a linear relationship or reliable, linear measurement results.
- the range in which the cell number must lie depends on the cell size, type and measuring instrument and must therefore be determined empirically, e.g. via dilution series. Different wavelengths can be used to determine the cell number in a Phaeodactylum tricornutum culture, which are preferably 600 - 800 nm. The measurement is particularly preferably carried out at a wavelength of 600-750 nm.
- Figure 14 shows a diagram of the correlation between ELISA signals and GFP signals following a screening method according to the invention.
- GFP signals here represent the amount of protein. This correlation with an R 2 value of 0.92 shows that the high-throughput method used can be used to lyse the cells in the ELISA procedure.
- Figure 15A shows a microscopic image of P. tricomutum cells, where the cells are present either as a single cell (11.1), as a cell chain of two cells (11.2) or as multiple cell chains (11.3).
- the optimal time for transferring the pre-culture to the main culture is a time at which the ratio of single cells to double cell chains is between
- FIG. 15B A diagram of the proportion of different cell forms as a function of culture age is shown in Figure 15B.
- “1x” denotes the proportion of single cells (11.1), “2x” the proportion of cell chains made up of two cells (11.2) and “>2x” the proportion of multiple cell chains (11.3).
- Figure 15C shows a representation of vitality and division rate of cells from a preculture of
- Figure 15D shows a diagram of the growth of the main culture depending on the age of the pre-culture.
- Figures 15B, 15C and 15D make it clear that the time at which the pre-culture should be transferred to the main culture plays an important role.
- the proportion of living cells must be high and a certain division activity of the pre-culture must not be undercut in order to enable the optimal increase in biomass. Higher biomass leads to a higher yield in the main culture.
- the proportion of living cells Fig. 15C
- the ratio between duplicate and single cells can be used, or the division rate must be above a certain threshold value (Fig. 15A and 15B).
- Figure 16A shows a diagram of the relationship between protein production, culture age and amount of nitrogen source
- Figure 16B shows a diagram of the relationship between cell density, culture age and amount of nitrogen source.
- the information on the nitrogen sources is given in mM. While the cell density is only minimally influenced by the nitrogen concentration (Fig. 16B), the amount of protein produced depends very strongly on the amount of nitrogen source (Fig. 16A).
- the GFP signal is a direct measure of the amount of heterologously expressed protein. Sufficient availability of a nitrogen source is crucial for optimal Protein production (especially NO 3 and NH 4 ). If this is below a critical value, the cell density itself may remain unaffected, but the protein yield drops dramatically. To avoid losses in yield, the amount of nitrogen to achieve a certain cell density must be within a certain range (e.g. NH 4 or NO 3 in any chemical form and bond).
- Figure 16C shows a diagram showing the relationship between protein production, culture age and amount of urea source
- Figure 16D shows a diagram showing the relationship between cell density, culture age and amount of urea source.
- the information on the urea sources is given in mM.
- the amount of nitrogen also influences protein production.
- urea is harmful to the culture above a certain concentration, as the culture dies after a certain time at a concentration of 10 mM urea. The initial concentration of urea is therefore limited to >10 mM.
- Figure 17 shows a diagram showing the dependence of cell growth on phosphate concentration. A certain amount of phosphate is required to achieve a certain maximum cell density. The different phosphate concentrations are given in pM. This clearly shows the fine balance between activation of the HASP1 mod promoter and achieving a high cell density (compare with Figure 9).
- Figure 18 shows a diagram showing the dependence of absolute biomass on the available concentration of trace elements and vitamins.
- vitamins and trace elements are used at a concentration as described in the f/2 medium (“standard medium”).
- vitamins (V) and trace elements (S) were used in an x-fold amount compared to the standard medium: 5 times the amount, 40 times the amount, 80 times the amount and 160 times the amount. It can be seen that even an extreme increase in concentration does not lead to a significant reduction in biomass.
- FIG. 19 A diagram showing the dependence of the increase in cell number on the aeration of the culture medium is shown in Figure 19.
- Increased aeration with 3 L/min (upper line) showed a significantly faster increase in biomass compared to the control (aeration with 1 L/min, lower line). This shows that a sufficient supply of gases such as CO2 and O2 must be ensured.
- the flow of light through the medium decreases significantly at low cell densities, which impairs photosynthesis. comes to a standstill. From this point on, the cell increasingly relies on the uptake of external, organic C sources such as glycerol or glucose and thus requires more and more O 2 .
- Figure 20 shows the result of gel electrophoresis after digestion and purification of antibodies in IgG format from P. tricornutum.
- Figure 20A shows the Coomassie-stained SDS-PAGE
- Figure 20B the corresponding immunostaining. The supernatant is applied to the lanes marked with "Ü”, the lanes marked with "PP” show pellets containing pigment. The pigment could be separated from the recombinant antibody without suffering a significant loss of yield. Interference from the pigment in the further process is reduced to a minimum.
- Immunostaining was carried out with mouse anti-Strep antibody and rabbit anti-mouse IgG-AP, which is why only the heavy chain is detected in the immunostaining, since the light chain does not contain a Strep tag.
- the crude lysate of diatoms was cooled. After centrifugation or filtration, 2 fractions were formed.
- the fraction “Ü” was the soluble supernatant and the fraction “PP” was the pigment-containing pellet. It is crucial that the pigment could be separated and that the majority of the antibody remained in the soluble supernatant.
- Figures 21A-D show the correlation between fluorescence and expression rate in 9 of a total of 30 independent clones.
- Figure 21A shows tGFP fluorescence units (Turbo-Green Fluorescent Protein, tGFP) for the 9 clones.
- Figure 21B shows corresponding protein extracts separated by Coomassie-stained SDS-PAGE, with the numbers above the lanes representing different, independent clones (black arrow marks the heavy chain of the antibody).
- Figure 21C shows the immunostaining of the expressed antibodies in the corresponding samples, the labeling of which corresponds to that in Figure 21B (black arrow marks the heavy chain of the antibody).
- Figure 21 D shows a strong correlation between the GFP signal from 21 A and the pixel intensity of the heavy chain from 21 B with an R 2 value of 0.94 and Figure 21 E shows the corresponding bar graph in which the values of tGFP signal and SDS band strength (antibody band, measured densitometrically in the Bio-Doc (Bio-Rad)) are plotted side by side.
- the product produced by the production process according to the invention is therefore not only cheaper to produce, but the production process has a number of advantages over conventional processes:
- the antibodies produced have the same avidity as the counterpart from Expi 293F cells (Error! Reference source could not be found. 22).
- the process presented here is sustainable, animal-free and - depending on the origin of the antibody sequence to be produced - even vegan. In comparison to antibody sera from animals, the antibodies presented here are permanently available. Production can be increased very easily and the products are free of human pathogens.
- Figure 22 shows a diagram comparing the binding affinity of two diatom antibodies (formats) (light gray, graphs with triangles) with those with the same sequence from human cell culture (Expi293F) (dark gray, graphs with squares).
- IgG or scFv-Fc antibodies of different formats
- equine interleukin 31 were analyzed at increasing antibody concentrations.
- the embodiment shows the production of an antibody using the method according to the invention.
- This antibody in IgG format is directed against equine interleukin 31 and was produced with more than 160 mg of purified eqlgG * L -1 cell culture within a 14-day culture period.
- the codon usage is adapted to P. tricornutum.
- the starting sequence comes from a human scFv bank and was codon-optimized before use in the diatoms.
- the required genetic elements typically the variable light chain (V L ) and the variable heavy chain (V H ) were synthesized by IDT-DNA (Coralville, Iowa) so that they fit optimally into the created vectors (Fig. 2B). Interfering restriction sites were also removed or modified.
- a variant of the vectors according to the invention for the production of antibodies in scFv-Fc format is shown in Fig. 2B.
- variable light chain (kappa or lambda format (V LK or V L A)) and the variable heavy chain (V H ) can be used.
- the constant regions of both chains come from the horse.
- Constructs were also generated that contain constant antibody regions from other host organisms (e.g. mouse or human).
- Other variants of the vectors according to the invention have been produced and successfully used for the heterologous production of other formats such as Fab or scFv-Fc.
- the example shown in Fig. 2B contains the finished vector construct and, in addition to the elements to be introduced into P. tricornutum, also bacterial genetic elements that are used for cloning in E. coli. (colE1 origin and gentamycin resistance gene).
- the gene of interest was inserted in three copies in the construct. After the ballistic or electroporation-based transformation of P. tricornutum, the clones obtained must not only be checked for the uptake of the antibody genes, but also the rapid identification of clones that express the introduced antibody gene particularly strongly is a central innovation of this invention.
- the underlying screening method according to the invention enables the correlation of the fluorescence caused by tGFP (Turbo-Green Fluorescent Protein), which is measured in a special microtiter plate reader, with the later expected amount of antibody formed (Figure 21 shows the correlation between fluorescence and expression rate in 9 independent clones).
- the diatoms can be harvested and digested. Purification follows the classic method, i.e. after lysis and centrifugation and/or ultrafiltration, purification is carried out either via protein A, protein G or via the tag sequences used, for example the 6xHis tag.
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Abstract
Description
NUKLEINSÄURESEQUENZ, VEKTOR, SCREENING-VERFAHREN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON REKOMBINANTEN ANTIKÖRPERN NUCLEIC ACID SEQUENCE, VECTOR, SCREENING METHODS AND METHODS FOR THE PRODUCTION OF RECOMBINANT ANTIBODIES
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL FIELD
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nukleinsäuresequenz mit einer erhöhten Expressionsrate zur Produktion von rekombinanten Proteinen, sowie einen Vektor oder eine isolierte Nukleinsäure zur heterologen Expression von Proteinen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Aminosäuresequenz, eine Zelle, sowie ein Screening-Verfahren zur Auswahl von Zellen mit einer erhöhten Expressionsrate und ein Verfahren zur Herstellung von rekombinanten Antikörpern. The present invention relates to a nucleic acid sequence with an increased expression rate for the production of recombinant proteins, as well as a vector or an isolated nucleic acid for the heterologous expression of proteins. Furthermore, the present invention relates to a corresponding amino acid sequence, a cell, as well as a screening method for selecting cells with an increased expression rate and a method for producing recombinant antibodies.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Ein Problem gängiger Immunoassays, die sich der Verwendung von Antikörpern bedienen, besteht darin, dass die Antikörper tierischen Ursprungs sind. So erfolgt die Produktion von Antikörpern entweder in Tieren oder in tierischen Zellkulturen. Dabei kommen vor allem CHO- (Eileiterzellen des chinesischen Hamsters) und HEK-293T-Zellen A problem with common immunoassays that use antibodies is that the antibodies are of animal origin. Antibodies are produced either in animals or in animal cell cultures. CHO (Chinese hamster oviduct cells) and HEK-293T cells are used in particular.
(menschliche embryonale Nierenzellen) zum Einsatz. Diese Zellkultur-basierte Produktion ist sehr kostenintensiv, daher werden vorhandene Kapazitäten vor allem bei der Produktion hochpreisiger, therapeutischer Antikörper eingesetzt. Im Bereich der Diagnostik eingesetzte Antikörper weisen viel niedrigere Margen auf und werden daher immer noch häufig in Tieren hergestellt. Solche in Tieren produzierten Antikörper besitzen neben dem damit verbundenen Tierleid auch die geringe Zuverlässigkeit der Bindungseigenschaften, die limitierte Verfügbarkeit sowie die Gefahr der Kontamination mit Humanpathogenen. (human embryonic kidney cells) are used. This cell culture-based production is very cost-intensive, so existing capacities are mainly used to produce high-priced therapeutic antibodies. Antibodies used in diagnostics have much lower margins and are therefore still often produced in animals. In addition to the associated animal suffering, such antibodies produced in animals also have low reliability of binding properties, limited availability and the risk of contamination with human pathogens.
Die Alternativen für die Herstellung von Antikörpern ebenso wie von anderen komplexen Proteinen sind recht eingeschränkt. Bakterien wie Escherichia coli können die notwendigen posttranslationalen Modifikationen an den Antikörpern nicht durchzuführen, außerdem sind die Produktionsraten extrem niedrig. Ähnliches gilt auch für Hefe- bzw. P/c/7/a-basierte Produktionssysteme. Auch hier können die Antikörper durch die Wirtszellen selten korrekt gefaltet werden und die Produktionsraten sind ähnlich niedrig wie in Bakterien. Transgene Pflanzen werden seit vielen Jahren als alternative Produzenten diskutiert, aber auch hier erlauben die sehr niedrigen Produktionsraten keine wirtschaftliche Verwertung. Auch die Produktion von Antikörpern in Phaeodactylum tricomutum, einer Mikroalge, wurde bereits beschrieben. So offenbart bspw. die EP 2 671 950 A1 die Expression und Sekretion von rekombinanten, vollständig assemblierten Proteinkomplexen durch Mikroalgen. Aus der EP 2 660 323 A1 ist die Produktion von sekretierten therapeutischen Antikörpern in der Mikroalge Phaeodactylum tricornutum bekannt. Auch unter Einsatz dieser Expressionssysteme konnten keine Produktionsraten erzielt werden, die eine wirtschaftliche Produktion erlauben. The alternatives for producing antibodies and other complex proteins are quite limited. Bacteria such as Escherichia coli cannot carry out the necessary post-translational modifications to the antibodies, and production rates are extremely low. The same applies to yeast or P/c/7/a-based production systems. Here, too, the antibodies can rarely be folded correctly by the host cells and production rates are similarly low to those in bacteria. Transgenic plants have been discussed as alternative producers for many years, but here too the very low production rates do not allow for commercial exploitation. The production of antibodies in Phaeodactylum tricomutum, a microalgae, has also already been described. For example, EP 2 671 950 A1 discloses the expression and secretion of recombinant, fully assembled protein complexes by microalgae. EP 2 660 323 A1 discloses the production of secreted therapeutic antibodies in the microalgae Phaeodactylum tricornutum. Even using these expression systems, it was not possible to achieve production rates that would allow for economic production.
Um eine Überexpression eines bestimmten Proteins in Phaeodactylum tricornutum herbeizuführen und damit die Produktivität eines rekombinanten Proteins signifikant zu erhöhen, wird in der WO 2021/002630 A1 die Verwendung des Promotors HASP1 beschrieben. Weiterhin offenbart werden ein Signalpeptid HASP1-SP, ein Expressionsvektor, der HASP1 und HASP1-SP umfasst, eine Transformante, in die der Expressionsvektor in eine Wirtszelle eingeführt wurde, sowie Verfahren zur Herstellung, Expression und Erhöhung des Expressionsniveaus eines Proteins von Interesse in einer Wirtszelle. Auch hinsichtlich dieses Verfahrens lässt sich die Produktionsrate noch weiter steigern. In order to induce overexpression of a specific protein in Phaeodactylum tricornutum and thus significantly increase the productivity of a recombinant protein, WO 2021/002630 A1 describes the use of the promoter HASP1. Furthermore, a signal peptide HASP1-SP, an expression vector comprising HASP1 and HASP1-SP, a transformant into which the expression vector has been introduced into a host cell, and methods for producing, expressing and increasing the expression level of a protein of interest in a host cell are disclosed. With this method, too, the production rate can be increased even further.
AUFGABE TASK
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, eine Nukleinsäuresequenz, einen Vektor, eine Aminosäuresequenz, eine Zelle, sowie ein Screening- und ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, das Expressionsniveau und damit die Produktionsrate rekombinanter Proteine gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren und genetischen Komponenten weiter zu erhöhen. The present invention is therefore based on the technical problem of providing a nucleic acid sequence, a vector, an amino acid sequence, a cell, as well as a screening and a production method which allow the expression level and thus the production rate of recombinant proteins to be further increased compared to the methods and genetic components known in the prior art.
LÖSUNG SOLUTION
Die Aufgabe wird durch eine Nukleinsäuresequenz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie einen Vektor oder eine isolierte Nukleinsäure, eine Aminosäuresequenz, eine Zelle, ein Screening-Verfahren und ein Verfahren zur Herstellung von rekombinanten Antikörpern mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche erfüllt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Nukleinsäuresequenz mit einer erhöhten Expressionsrate zur Produktion von rekombinanten Proteinen, aufweisend zumindest eine Expressionskassette zur Expression eines oder mehrerer Peptide, gelöst. Dabei weist die Expressionskassette erfindungsgemäß wenigstens ein Promotorelement und wenigstens eine erste Transkriptionseinheit, die für ein Protein codiert, auf, wobei das Promotorelement aus der Nukleinsäuresequenz von SEQ ID NO: 1 oder einer Nukleinsäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO: 1 besteht. The object is achieved by a nucleic acid sequence having the features of claim 1, as well as a vector or an isolated nucleic acid, an amino acid sequence, a cell, a screening method and a method for producing recombinant antibodies having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims, the description and the embodiments. The object is achieved in particular by a nucleic acid sequence with an increased expression rate for the production of recombinant proteins, comprising at least one expression cassette for the expression of one or more peptides. According to the invention, the expression cassette has at least one promoter element and at least one first transcription unit which codes for a protein, wherein the promoter element consists of the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1 or a nucleic acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 1.
Der Begriff „Homologie“ bezeichnet im Sinne der Erfindung die Ähnlichkeit zwischen Nukleotid-Sequenzen der DNA bzw. RNA und/oder zwischen Aminosäuresequenzen von Proteinen. For the purposes of the invention, the term “homology” refers to the similarity between nucleotide sequences of DNA or RNA and/or between amino acid sequences of proteins.
Vorteilhafterweise stellt die SEQ ID NO:1 einen im Folgenden als HASP1mod bezeichneten Promotor dar, der sich als besonders geeignet für die regulierte Proteinproduktion herausgestellt hat. Dabei ist der HASP1 mod-Prornotor ein von dem natürlichen HASP1- Promotor abgeleitetes Promotorelement, wobei eine Teilsequenz des natürlichen HASP1- Promotors verdoppelt wurden ist. Advantageously, SEQ ID NO:1 represents a promoter, hereinafter referred to as HASP1 mod , which has proven to be particularly suitable for regulated protein production. The HASP1 mod promoter is a promoter element derived from the natural HASP1 promoter, whereby a partial sequence of the natural HASP1 promoter has been duplicated.
Die SEQ ID NO:1 lautet wie folgt, wobei der unterstrichene Anteil die Dopplung darstellt: SEQ ID NO:1 is as follows, where the underlined part represents the duplication:
5'-5'-
CATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGAGGCAC GCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGATTCTT TTGCTGTCATCAAGATTCACCGCCAAATCTTCAGGAACCTATCACGTCCACAGGCGATG TTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGAGCAA TTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCAATTAG GCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCTTTTCT ATGCTCATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGA GGCACGCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGA TTCTTTTG CTGTCATCAAG ATTCACCG CCAAATCTTCAG G AACCTATCACG TCCACAG GC GATGTTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGA GCAATTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCA ATTAGGCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCT TTTCTATGCTGCTGCGAATCTTGTACACCTTTGAGGCCGTAGATTCTGTCCGACGAAGC GATAATTATTGCAAAATACATGGACTCATTATTTTGATTCGATTTCTTTTTGGTATCCGAC TCGAAAAGATCCATCACGGCGAGC-3' Von der Erfindung umfasst sind dabei auch Nukleinsäuresequenzen, deren Promotorelement einzelne HASP1 -Sequenzabschnitte repetitiv aufweist, beispielsweise bezogen auf das Startcodon ATG zwischen -100 und -1 , zwischen -200 bis -101 , zwischen -300 bis -201 , zwischen -400 bis -301 und/oder zwischen -500 bis -400. Dabei können diese Abschnitte in beliebiger Konstellation und Kopienzahl kombiniert werden. So ergibt sich eine neue Sequenz, die weniger als 85 % Homologie zum nativen und HASP1 Promotor ergibt. CATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGAGGCAC GCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGATTCTT TTGCTGTCATCAAGATTCACCGCCAAATCTTCAGGAACCTATCACGTCCACAGGCGATG TTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGAGCAA TTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCAATTAG GCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCTTTTCT ATGCTCATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGA GGCACGCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGA TTCTTTTG CTGTCATCAAG ATTCACCG CCAAATCTTCAG G AACCTATCACG TCCACAG GC GATGTTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGA GCAATTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCA ATTAGGCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCT TTTCTATGCTGCTGCGAATCTTGTACACCTTTTGAGGCCGTAGATTCTGTCCGACGAAGC GATAATTATTGCAAAATACATGGACTCATTATTTTGATTCGATTTCTTTTTGGTATCCGAC TCGAAAAGATCCATCACGGCGAGC-3' The invention also encompasses nucleic acid sequences whose promoter element has individual HASP1 sequence sections repetitively, for example with respect to the start codon ATG between -100 and -1, between -200 to -101, between -300 to -201, between -400 to -301 and/or between -500 to -400. These sections can be combined in any constellation and copy number. This results in a new sequence that has less than 85% homology to the native and HASP1 promoter.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens eine Transkriptionseinheit ein Polynukleotid, welches für eine Aminosäuresequenz von SEQ ID NO: 2 oder eine Aminosäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO:2 codiert. According to a preferred embodiment of the present invention, at least one transcription unit comprises a polynucleotide which encodes an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
Die SEQ ID NO:2 stellt dabei eine Aminosäuresequenz der hinge-Region eines Antikörpers dar, welche aus equinen Immunglobulin-Sequenzen abgeleitet wurde und sich als besonders Protease-resistent herausgestellt hat. Die Verwendung dieser Protease-resistenten Hinge- Region reduziert maßgeblich die Proteolyse der hergestellten Antikörper verschiedener Formate und aus verschiedenen Spezies, sowohl in vivo als auch in vitro. SEQ ID NO:2 represents an amino acid sequence of the hinge region of an antibody, which was derived from equine immunoglobulin sequences and has been found to be particularly protease-resistant. The use of this protease-resistant hinge region significantly reduces the proteolysis of the antibodies produced in different formats and from different species, both in vivo and in vitro.
Die SEQ ID NO:2 lautet wie folgt: The SEQ ID NO:2 is as follows:
VIKEPCCCPKCP VIKEPCCCPKCP
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Aminosäure umfassend SEQ ID NO: 2 oder eine Aminosäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO: 2. The object is further achieved by an amino acid comprising SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence having a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
Ferner wird die Aufgabe durch einen Vektor oder eine isolierte Nukleinsäure, welche/r eine erfindungsgemäße Nukleinsäure in einfacher oder repetitiver Form umfasst, sowie durch eine Zelle umfassend einen erfindungsgemäßen Vektor oder eine erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure oder eine erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz oder eine erfindungsgemäße Aminosäuresequenz gelöst. Furthermore, the object is achieved by a vector or an isolated nucleic acid which comprises a nucleic acid according to the invention in simple or repetitive form, and by a cell comprising a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention or a nucleic acid sequence according to the invention or an amino acid sequence according to the invention.
Erfindungsgemäß ist die Zelle dabei eine photosynthetisch aktive Zelle, insbesondere eine Viridiplantae oder eine einzellige Pflanze, bevorzugt eine Kieselalge. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Screening-Verfahren zur Auswahl von Zellen mit einer erhöhten Expressionsrate einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz gelöst. Das Screening-Verfahren umfasst dabei die Schritte a) Bereitstellen von Zellen, welche mit einem erfindungsgemäßen Vektor oder einer erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäure und/oder mit einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz transformiert wurden, b) Vereinzelung und Überführung der Zellen in ein Kulturmedium, c) Anreichern des Kulturmediums mit einer Phosphatkonzentration im Bereich von 0,1 pM bis 200 pM, bevorzugt 0,5 pM bis 200 pM, besonders bevorzugt 1 pM bis 200 pM, ganz besonders bevorzugt 1 pM bis 35 pM, und d) Untersuchung der Zellen auf eine gewünschte Expressionsrate. According to the invention, the cell is a photosynthetically active cell, in particular a viridiplantae or a unicellular plant, preferably a diatom. The object is further achieved by a screening method for selecting cells with an increased expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention. The screening method comprises the steps a) providing cells which have been transformed with a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention and/or with a nucleic acid sequence according to the invention, b) isolating and transferring the cells into a culture medium, c) enriching the culture medium with a phosphate concentration in the range of 0.1 pM to 200 pM, preferably 0.5 pM to 200 pM, particularly preferably 1 pM to 200 pM, very particularly preferably 1 pM to 35 pM, and d) examining the cells for a desired expression rate.
Vorteilhafterweise ermöglicht es das erfindungsgemäße Screening-Verfahren nicht nur, produzierende Zelllinien zu finden, sondern zu einem möglichst frühen Zeitpunkt des Verfahrens die Zelllinien zu identifizieren, welche die höchsten Proteinausbeuten erbringen. Advantageously, the screening method according to the invention not only makes it possible to find producing cell lines, but also to identify the cell lines that produce the highest protein yields at the earliest possible stage of the process.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von rekombinanten Antikörpern unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Vektors oder einer erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäure oder einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen von Zellen mit einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz, bevorzugt ermittelt durch ein erfindungsgemäßes Screening-Verfahren, b) Kultivieren der transformierten Zellen in einem Kulturmedium, wobei das Kultivieren zunächst in einer Vorkultur und anschließend in einer Hauptkultur erfolgt und wobei ein Anpassen der Kulturbedingungen dahingehend erfolgt, dass eine Maximierung der Ausbeute heterolog produzierter Proteine erreicht wird, und c) Extrahieren der heterolog produzierten Proteine. Furthermore, the object is achieved by a method for producing recombinant antibodies using a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention or a nucleic acid sequence according to the invention, wherein the method comprises the following steps: a) providing cells with a nucleic acid sequence according to the invention, preferably determined by a screening method according to the invention, b) culturing the transformed cells in a culture medium, wherein the cultivation is initially carried out in a pre-culture and then in a main culture and wherein the culture conditions are adapted in such a way that the yield of heterologously produced proteins is maximized, and c) extracting the heterologously produced proteins.
Es kann zweckdienlich sein, dass das Kulturmedium Phosphat in einer Menge von 20 pM bis 300 pM, bevorzugt von 20 pM bis 400 pM, besonders bevorzugt von 20 pM bis 500 pM aufweist. ALLGEMEINE VORTEILE It may be useful for the culture medium to contain phosphate in an amount of from 20 pM to 300 pM, preferably from 20 pM to 400 pM, particularly preferably from 20 pM to 500 pM. GENERAL BENEFITS
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und dafür notwendige Komponenten, welches erstmalig eine effiziente und vegane Produktion von rekombinanten Proteinen in Kieselalgen, beispielsweise in Phaeodactylum tricornutum, ermöglicht. Unter veganer Produktion wird dabei eine Produktion verstanden, welche sowohl auf den Einsatz von Tieren oder tierischen Zellen als auch von Stoffen, die aus Tieren gewonnen werden, verzichtet. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist vor allem auf die heterologe Expression von Antikörpern verschiedener Formate ausgerichtet, kann jedoch auch für andere Proteine, bevorzugt aus Tier und Mensch, genutzt werden. Im Unterschied zu bereits beschriebenen Verfahren erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren erstmals Produktionsmengen von mindestens 50 mg rekombinantem Protein * L-1 Kultur. Die somit erreichten Mengen liegen damit mindestens 20x höher als die bis zum heutigen Zeitpunkt beschriebenen und wurden bisher von keinem stabil transformierten, pflanzlichen oder Sar-basiertem Produktionssystem erreicht. Darüber hinaus erfüllt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die Vorgaben für eine komplett vegane Produktion, solange die DNA-Sequenzen der zu produzierenden Proteine nicht aus Tieren stammen, sondern beispielsweise aus rekombinanten (humanen) Antikörperbanken. The invention describes a method and the components required for it, which for the first time enables efficient and vegan production of recombinant proteins in diatoms, for example in Phaeodactylum tricornutum. Vegan production is understood to mean production that does not use animals or animal cells or substances obtained from animals. The production method according to the invention is primarily aimed at the heterologous expression of antibodies of various formats, but can also be used for other proteins, preferably from animals and humans. In contrast to methods already described, the method according to the invention allows for the first time production quantities of at least 50 mg recombinant protein * L -1 culture. The quantities thus achieved are at least 20x higher than those described to date and have not yet been achieved by any stably transformed, plant or Sar-based production system. In addition, the production method according to the invention meets the requirements for completely vegan production, as long as the DNA sequences of the proteins to be produced do not come from animals, but for example from recombinant (human) antibody banks.
Ein weiterer Vorteil gegenüber der Herstellung von polyklonalen Antiseren liegt in der gleichbleibenden Qualität und der Reproduzierbarkeit der hergestellten Antikörper, da bspw. die antikörperproduzierenden Tiere nach einer gewissen Zeit sterben und Antikörper aus einem anderen Tier andere Eigenschaften aufweisen, d.h., die Qualität der auf dem herkömmlichen Weg erzeugten Antikörper ist stark schwankend. Darüber hinaus handelt es sich bei Antikörpern und Hilfsproteinen, die aus einer Kieselalge, einzelligen Pflanze oder Viridiplantae gewonnen werden um exakt definierte Antikörper, d.h. um Antikörper, deren Aminosäuresequenz vordefiniert und gleichbleibend ist. Another advantage over the production of polyclonal antisera is the consistent quality and reproducibility of the antibodies produced, since, for example, the animals producing the antibodies die after a certain time and antibodies from another animal have different properties, i.e. the quality of the antibodies produced using the conventional method varies greatly. In addition, antibodies and auxiliary proteins obtained from a diatom, unicellular plant or viridiplantae are precisely defined antibodies, i.e. antibodies whose amino acid sequence is predefined and consistent.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die rekombinanten Antikörper durch Expression aus der Kieselalge (Diatomeen), der Grünalge (Chlorobionta) oder einer Samenpflanze gewonnen, wobei vorteilhafterweise sehr hohe Ausbeuten erreicht werden, beispielsweise für die Expression aus Samenpflanzen Ausbeuten von mehr als 20 mg Antikörper pro Liter Kultur (bei Einzelzellen) bzw. pro 100 g Frischgewicht. Besonders bevorzugt werden die rekombinanten Antikörper aus der Kieselalge oder der Grünalge, insbesondere in der Kieselalge, wie bspw. Phaeodactylum tricornutum, gewonnen. Nukleinsäuresequenz According to a preferred embodiment of the invention, the recombinant antibodies are obtained by expression from the diatom (diatoms), the green algae (Chlorobionta) or a seed plant, whereby very high yields are advantageously achieved, for example for expression from seed plants yields of more than 20 mg of antibodies per liter of culture (in the case of single cells) or per 100 g of fresh weight. The recombinant antibodies are particularly preferably obtained from the diatom or the green alga, in particular in the diatom, such as Phaeodactylum tricornutum. nucleic acid sequence
Die Erfindung betrifft zum einen eine Nukleinsäuresequenz mit einer erhöhten Expressionsrate zur Produktion von rekombinanten Proteinen, aufweisend zumindest eine Expressionskassette zur Expression eines Proteins, wobei die Expressionskassette wenigstens ein Promotorelement, und wenigstens eine erste Transkriptionseinheit, die für wenigstens ein Peptid, bevorzugt für einen Antikörper codiert, aufweist und wobei das Promotorelement aus der Nukleinsäuresequenz von SEQ ID NO: 1 oder einer Nukleinsäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO: 1 besteht. The invention relates on the one hand to a nucleic acid sequence with an increased expression rate for the production of recombinant proteins, comprising at least one expression cassette for the expression of a protein, wherein the expression cassette has at least one promoter element and at least one first transcription unit which encodes at least one peptide, preferably an antibody, and wherein the promoter element consists of the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1 or a nucleic acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 1.
Der Begriff „Homologie“ bezeichnet im Sinne der Erfindung die Ähnlichkeit zwischen Nukleotid-Sequenzen der DNA bzw. RNA und/oder zwischen Aminosäuresequenzen von Proteinen. For the purposes of the invention, the term “homology” refers to the similarity between nucleotide sequences of DNA or RNA and/or between amino acid sequences of proteins.
Eine Expressionskassette im Sinne der Erfindung besteht zumindest aus einem regulierenden Promotorelement, einem 5‘-UTR (untranslatierte Region am 5‘-Ende), einer Codon-bestimmenden Sequenz (CDS, welche in ein Peptid translatiert wird), einem 3’UTR (untranslatierte Region am 3‘-Ende) sowie einem Terminator, welcher als Stop-Codon den Abbruch der Translation herbeiführt. Die CDS kann verschiedene Unterelemente enthalten, wie Signalpeptide, welche Antikörper oder Antigen in ein bestimmtes Zellkompartiment dirigieren, Tag-Sequenzen, wie Strep-Tag oder ßx His-Tag, die primär zur Aufreinigung oder Detektion des Peptids dienen oder Fluoreszenzmarker wie GFP (Green Fluorescent Protein) etc., die primär der Detektion über ihre Fluoreszenz dienen. An expression cassette in the sense of the invention consists of at least one regulatory promoter element, a 5'-UTR (untranslated region at the 5' end), a codon-determining sequence (CDS, which is translated into a peptide), a 3'UTR (untranslated region at the 3' end) and a terminator, which acts as a stop codon and causes the termination of translation. The CDS can contain various subelements, such as signal peptides, which direct antibodies or antigens to a specific cell compartment, tag sequences such as Strep-Tag or ßx His-Tag, which primarily serve to purify or detect the peptide, or fluorescent markers such as GFP (Green Fluorescent Protein) etc., which primarily serve to detect via their fluorescence.
Der Begriff „Promotor“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine Polynukleotidsequenz, die stromaufwärts eines Gens lokalisiert ist und die Transkription eines funktionsfähigen Gens reguliert. Der Promotor bildet eine Erkennungs- und Bindestelle für eine RNA-Polymerase, welche die Transkription des Gens einleitet. The term "promoter" in the sense of the present invention refers to a polynucleotide sequence that is located upstream of a gene and regulates the transcription of a functional gene. The promoter forms a recognition and binding site for an RNA polymerase, which initiates the transcription of the gene.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Promotorelements herausgestellt, welches aus dem HASP1 -Promotor (Highly Abundant Secreted Protein aus P. tricorn ut um) abgeleitet wurde und im Folgenden als HASP1mod bezeichnet wird. Die Nukleinsäuresequenz von HASP1mod ist unter der SEQ ID NO:1 aufgeführt und lautet wie folgt: 5'-The use of a promoter element derived from the HASP1 promoter (Highly Abundant Secreted Protein from P. tricorn ut um) has proven to be particularly advantageous and is referred to below as HASP1 mod . The nucleic acid sequence of HASP1 mod is listed under SEQ ID NO:1 and is as follows: 5'-
CATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGAGGCAC GCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGATTCTT TTGCTGTCATCAAGATTCACCGCCAAATCTTCAGGAACCTATCACGTCCACAGGCGATG TTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGAGCAA TTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCAATTAG GCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCTTTTCT ATGCTCATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGA GGCACGCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGA TTCTTTTG CTGTCATCAAG ATTCACCG CCAAATCTTCAG G AACCTATCACG TCCACAG GC GATGTTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGA GCAATTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCA ATTAGGCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCTCATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGAGGCAC GCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGATTCTT TTGCTGTCATCAAGATTCACCGCCAAATCTTCAGGAACCTATCACGTCCACAGGCGATG TTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGAGCAA TTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCAATTAG GCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCTTTTCT ATGCTCATACAGTGAATGTAACTTTCGAATTGACAGTATTAGTAGTCGTATTGACAGTGA GGCACGCCCCTCAATGTGCGAGGTGGAAAATATACCAGCATGACAATGAATCTTGGAGA TTCTTTTG CTGTCATCAAG ATTCACCG CCAAATCTTCAG G AACCTATCACG TCCACAG GC GATGTTAATTCTTGAGTCGTCAAAACAAAGTCCTGTCCTACCTGTAGAAGTTGACAGCGA GCAATTGTATGCAAACTTCTGACTTTGTTATAATAACATTAAAGGTAATTAAGTATCTTCA ATTAGGCATTTTGTCACTGTCAGTCCGTTCCGACAATATAGGTAGATTTGGAATGAATCT
TTTCTATGCTGCTGCGAATCTTGTACACCTTTGAGGCCGTAGATTCTGTCCGACGAAGC GATAATTATTGCAAAATACATGGACTCATTATTTTGATTCGATTTCTTTTTGGTATCCGAC TCGAAAAGATCCATCACGGCGAGC-3' TTTCTATGCTGCTGCGAATCTTGTACACCTTTTGAGGCCGTAGATTCTGTCCGACGAAGC GATAATTATTGCAAAATACATGGACTCATTATTTTGATTCGATTTCTTTTTGGTATCCGAC TCGAAAAGATCCATCACGGCGAGC-3'
Von der Erfindung umfasst sind dabei auch Nukleinsäuresequenzen, deren Promotorelement einzelne HASP1 -Sequenzabschnitte repetitiv aufweist, beispielsweise bezogen auf das Startcodon ATG zwischen -100 und -1 , zwischen -200 bis -101 , zwischen -300 bis -201 , zwischen -400 bis -301 und/oder zwischen -500 bis -400. Dabei können diese Abschnitte in beliebiger Konstellation und Kopienzahl kombiniert werden. So ergibt sich eine neue Sequenz, die weniger als 85 % Homologie zum nativen und HASP1 mod Promotor ergibt. The invention also encompasses nucleic acid sequences whose promoter element has individual HASP1 sequence sections repetitively, for example with respect to the start codon ATG between -100 and -1, between -200 to -101, between -300 to -201, between -400 to -301 and/or between -500 to -400. These sections can be combined in any constellation and copy number. This results in a new sequence that has less than 85% homology to the native and HASP1 mod promoter.
Gemäß einer Ausbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Promotorelement aus einer Nukleinsäuresequenz besteht, in welcher bis zu 30 % der Basen, insbesondere in den proximalen Promotorbereichen, abweichen. Letztere können entweder ebenfalls aus P. tricornutum oder auch aus anderen Organismen, inklusive solchen aus Menschen oder Wirbeltieren stammen. Diese Modifikation ist eine weitere Ursache für die hohe Performance des entwickelten Expressionssystems. According to one embodiment of the invention, the promoter element can consist of a nucleic acid sequence in which up to 30% of the bases differ, particularly in the proximal promoter regions. The latter can also originate from P. tricornutum or from other organisms, including those from humans or vertebrates. This modification is another reason for the high performance of the developed expression system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Expressionskassette weiterhin wenigstens eine zweite Transkriptionseinheit auf, die für ein Reporterprotein codiert. Diese zweite Transkriptionseinheit wird hierin auch als Reportergen bezeichnet. Als Reportergen wird vorzugsweise ein Gen verwendet, welches normalerweise nicht in eukaryotischen Zellen, bevorzugt in photosynthetisch aktiven Zellen, insbesondere in einzelligen Pflanzen oder Viridiplantae, vorkommt. Das Reportergen dient in erster Linie dazu, die Aktivität des Promotors, unter den es eingeführt wurde und/oder die Expression der ersten Transkriptionseinheit, mit weicher es funktionell verbunden ist, anzuzeigen bzw. nachzuweisen. Beispielsweise kann als Reporterprotein ein Reporterenzym, beispielsweise ein Biolumineszenz-Enzym, ein fluoreszentes Reporterprotein, wie beispielsweise GFP (Grün Fluoreszierendes Protein), oder ein detektierbares Antigen verwendet werden. According to a preferred embodiment, the expression cassette further comprises at least one second transcription unit which encodes a reporter protein. This second transcription unit is also referred to herein as a reporter gene. The reporter gene used is preferably a gene which does not normally occur in eukaryotic cells, preferably in photosynthetically active cells, in particular in unicellular plants or viridiplantae. The reporter gene primarily serves to indicate the activity of the promoter under which it was introduced and/or the expression of the first transcription unit with which it is functionally linked. For example, a reporter enzyme, such as a bioluminescent enzyme, a fluorescent reporter protein, such as GFP (green fluorescent protein), or a detectable antigen can be used as a reporter protein.
Als Reporter werden somit Proteine bezeichnet, die direkt oder indirekt ein detektierbares Signal generieren. Dieses Signal kann z. B. eine Fluoreszenz sein (z. B. tGFP (turbo Grün Fluoreszierendes Protein), GFP (Grün Fluoreszierendes Protein), BFP (Blau Fluoreszierendes Protein), YFP (Gelb Fluoreszierendes Protein), CFP (Cyan Fluoreszierendes Protein), DsRed (Discosoma sp. rot fluoreszierendes Protein)), eine Lumineszenz (z. B. Luciferase), eine Färbung durch Chromoproteine (z. B. meffBlue, aeBlue, cjBlue, amilGFP, fwYellow, amajLime, scOrange, amilCP gfasPurple, eforRed, asPink (asCP), meffRed, tsPurple und spisPink, sowie mCherry, eine Farbreaktion (z. B. ß- Glucoronidase, ß-Galatosidase) oder die Umsetzung eines Substrats in ein Produkt, wodurch sich das Absorptionsspektrum der jeweiligen Lösung ändert. Reporters are proteins that directly or indirectly generate a detectable signal. This signal can, for example, B. be a fluorescence (e.g. tGFP (turbo green fluorescent protein), GFP (green fluorescent protein), BFP (blue fluorescent protein), YFP (yellow fluorescent protein), CFP (cyan fluorescent protein), DsRed (Discosoma sp. red fluorescent protein)), a luminescence (e.g. luciferase), a coloration by chromoproteins (e.g. meffBlue, aeBlue, cjBlue, amilGFP, fwYellow, amajLime, scOrange, amilCP gfasPurple, eforRed, asPink (asCP), meffRed, tsPurple and spisPink, as well as mCherry), a color reaction (e.g. ß-glucoronidase, ß-galatosidase) or the conversion of a substrate into a product, which changes the absorption spectrum of the respective solution.
In Kombination mit einem Nährstoffmangel-getriggerten oder einem Nährstoff-getriggerten Promotor kann ein Reportergen genutzt werden, um eine Optimierung der Kulturbedingungen zu vereinfachen und/oder die Zellvitalität oder Nährstoffverfügbarkeit in einer Zellkultur zu kontrollieren. Das ermöglicht eine in-time Analyse der kultivierten Zellen. Die Stärke des Signals korreliert dabei mit der Verfügbarkeit bzw. des Mangels des zu untersuchenden Nährstoffes. Es hat sich herausgestellt, dass der HASP1mod-Prornotor (gemäß SEQ ID NO:1) durch Phosphat inhibiert wird und durch Phosphatmangel getriggert wird. Hierbei sind mit „Phosphat“, alle Phosphat-Salze und phosphathaltigen organischen Verbindungen und alle chemischen Formen von Phosphor gemeint. In combination with a nutrient deficiency-triggered or a nutrient-triggered promoter, a reporter gene can be used to simplify optimization of culture conditions and/or to control cell vitality or nutrient availability in a cell culture. This enables in-time analysis of the cultured cells. The strength of the signal correlates with the availability or lack of the nutrient under investigation. It has been found that the HASP1 mod promoter (according to SEQ ID NO:1) is inhibited by phosphate and is triggered by phosphate deficiency. Here, "phosphate" refers to all phosphate salts and phosphate-containing organic compounds and all chemical forms of phosphorus.
Phosphatkonzentrationen von über 360 pM sind besonders für die Regulation des Phosphate concentrations of over 360 pM are particularly important for the regulation of
H AS P1mod- Pro motors geeignet. Durch solch hohe Konzentrationen kann die Expressionsrate des HASP1 mod-Prornotors nicht nur sehr effizient und über einen längeren Zeitraum gehemmt, sondern auch eine höhere Zelldichte erreicht werden, bevor es - durch Verbrauch von Phosphat - zu einer starken Expressionssteigerung kommt. Somit stellt der HASP1mod- Promotor die ideale Steuerung bereit, einerseits hohe Zelldichten ohne Expression des kontrollierten Gens zu erreichen, bevor die Expression durch Verbrauch von Phosphat massiv gesteigert wird. Andererseits ist seine Expressionsstärke sehr fein steuerbar und sind die maximal möglichen Expressionsraten sehr hoch. HASP1 mod - promoter is suitable. Such high concentrations not only allow the expression rate of the HASP1 mod promoter to be inhibited very efficiently and over a longer period of time, but also allow a higher cell density to be achieved before a strong increase in expression occurs due to the consumption of phosphate. The HASP1 mod - promoter thus provides the ideal control to achieve high cell densities without expression of the controlled gene, before expression is massively increased due to the consumption of phosphate. On the other hand, its expression strength can be controlled very finely and the maximum possible expression rates are very high.
Vorzugsweise weist die Expressionskassette weiterhin wenigstens einen Sequenzbereich auf, der für einen Selektionsmarker, vorzugsweise ein Resistenzgen, codiert. Als Resistenzgen werden dabei Gene bezeichnet, die für Faktoren codieren, welche die Zelle gegenüber bestimmten Stoffen, beispielsweise gegenüber Antibiotika und/oder Pflanzenpathogene und/oder Schwermetallen, widerstandsfähig machen. Resistenzgene werden üblicherweise als Selektionsmarker für den Nachweis einer erfolgten Transformation eines Vektors in eine Zelle eingesetzt. Preferably, the expression cassette further comprises at least one sequence region which encodes a selection marker, preferably a resistance gene. Resistance genes are genes that encode factors that make the cell resistant to certain substances, such as antibiotics and/or plant pathogens and/or heavy metals. Resistance genes are usually used as selection markers to detect whether a vector has been transformed into a cell.
Beispiele für bevorzugte Resistenzgene sind das Zeocin-Resistenzgen (Zeocin ist der allgemein bekannte Handelsname für Phleomycin D1), das Nourseothricin-Resistenzgen, das Blasticidin-Resistenzgen und das Chloramphenicol-Resistenzgen. Examples of preferred resistance genes are the zeocin resistance gene (zeocin is the commonly known trade name for phleomycin D1), the nourseothricin resistance gene, the blasticidin resistance gene and the chloramphenicol resistance gene.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Resistenzgen an die zweite Transkriptionseinheit, welche für ein Reporterprotein codiert, gekoppelt vorliegt. It is particularly advantageous if the resistance gene is coupled to the second transcription unit, which encodes a reporter protein.
Es kann vorgesehen sein, dass Resistenzgen über genetische Kopplung in einer polycistronischen mRNA an das Reportergen gekoppelt ist. Dem Fachmann ist bekannt, dass unter polycistronischer mRNA eine mRNA verstanden wird, die von mehreren hintereinanderliegenden genetischen Einheiten auf der Nukleinsäuresequenz der DNA codiert wird und die demzufolge mehrere offene Leserahmen (open reading frames, ORFs) aufweist. It can be provided that the resistance gene is linked to the reporter gene via genetic coupling in a polycistronic mRNA. The person skilled in the art knows that polycistronic mRNA is understood to mean an mRNA that is encoded by several consecutive genetic units on the nucleic acid sequence of the DNA and which therefore has several open reading frames (ORFs).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt die zweite Transkriptionseinheit fusioniert an der ersten Transkriptionseinheit vor, wobei eine Abtrennung bei oder unmittelbar nach der Translation erfolgt, beispielsweise verursacht durch P2 Peptide (z. B. P2A, P2B, P2T) oder IRES-Elemente (interne Ribosom-Eintrittsstelle). Sowohl Vertreter von P2 Peptiden als auch von IRES-Elementen konnten als aktiv in P. tricornutum nachgewiesen werden. In a further advantageous embodiment, the second transcription unit is fused to the first transcription unit, with separation occurring during or immediately after translation, for example caused by P2 peptides (e.g. P2A, P2B, P2T) or IRES elements (internal ribosome entry site). Representatives of both P2 peptides and IRES elements have been shown to be active in P. tricornutum.
Eine weitere Möglichkeit der Kopplung des Reporterproteins liegt in der direkten Kopplung auf Proteinebene an das zu detektierende Protein, vorzugsweise an den zu detektierenden Antikörper. Another possibility for coupling the reporter protein is direct coupling at the protein level to the protein to be detected, preferably to the antibody to be detected.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind einzelne genetische Elemente, bevorzugt das Promotorelement und/oder die erste Transkriptionseinheit und/oder eine komplette Expressionskassette repetitiv vorhanden. Durch die repetitive Verwendung, also die sich mehrfach wiederholende Nutzung, genetischer Elemente, insbesondere regulatorischer Elemente, wie beispielsweise dem Promotorelement, kann eine Steigerung der Expressionsrate der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz erreicht werden. Insbesondere werden die betreffenden genetischen Elemente und/oder die betreffende Expressionskassette bei einer repetitiven Verwendung wenigstens in doppelter Ausführung, bevorzugt wenigstens in dreifacher Ausführung, vorzugsweise unmittelbar hintereinander eingesetzt. According to a preferred embodiment, individual genetic elements, preferably the promoter element and/or the first transcription unit and/or a complete expression cassette, are repetitively present. The repetitive use, i.e. the repeated use, of genetic elements, in particular regulatory elements such as the promoter element, can increase the expression rate of the nucleic acid sequence according to the invention. In particular, the genetic elements and/or the expression cassette in question are used at least twice, preferably at least three times, preferably immediately one after the other, in the case of repetitive use.
Die repetitive Verwendung von Transkriptionseinheiten, insbesondere der ersten Transkriptionseinheit, welche für ein zu produzierendes rekombinantes Protein, insbesondere einen Antikörper, codiert, führt zu einer deutlichen Steigerung der Ausbeute sowie der Anzahl an Klonen bzw. dem Anteil an Klonen, die eine detektierbare Produktion zeigen. Dies minimiert den Prozessaufwand. Dabei werden mehrere Kopien der genetischen Information bzw. der Transkriptionseinheit des zu produzierenden Proteins (oder Antikörpers) auf einem Plasmid bzw. Vektor kloniert. Diese Transkriptionseinheiten flankieren dabei vorzugsweise ein Resistenzgen. Dabei wird der Positionseffekt ausgenutzt, d. h., bei einer Integration ins Genom an einem „günstigen“ Lokus liegt das sogenannte gene of interest (GOI) in mehrfacher Kopienzahl vor und sorgt für eine gesteigerte Transkript- Menge, wodurch letztendlich die Ausbeute an rekombinantem Protein erhöht wird. The repetitive use of transcription units, in particular the first transcription unit, which codes for a recombinant protein to be produced, in particular an antibody, leads to a significant increase in the yield and the number of clones or the proportion of clones that show detectable production. This minimizes the process effort. Several copies of the genetic information or the transcription unit of the protein (or antibody) to be produced are cloned on a plasmid or vector. These transcription units preferably flank a resistance gene. The position effect is exploited, i.e. when integrated into the genome at a "favorable" locus, the so-called gene of interest (GOI) is present in multiple copies and ensures an increased amount of transcript, which ultimately increases the yield of recombinant protein.
Vorzugsweise ist bei einem repetitiven Vorhandensein einer Transkriptionseinheit oder bei einem Vorhandensein mehrerer unterschiedlicher Transkriptionseinheiten das Resistenzgen besonders „eng“ an die Transkriptionseinheiten gekoppelt angeordnet. Insbesondere wird unter einer „engen“ Kopplung verstanden, dass die genetische Verbindung zwischen Transkriptionseinheit und Resistenzgen nicht durch eine genetische Rekombination (über interne oder von außen zugeführte Rekombinasen getrennt wird. Preferably, in the case of a repetitive presence of a transcription unit or in the case of the presence of several different transcription units, the resistance gene is arranged particularly "closely" coupled to the transcription units. In particular, "close" coupling means that the genetic connection between the transcription unit and the resistance gene is not severed by genetic recombination (via internal or externally supplied recombinases).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Nukleinsäure für die Verwendung in einem bestimmten Wirtsorganismus, beispielsweise in Kieselalgen, bevorzugt in P. tricornutum, codonoptimiert According to a preferred embodiment, the nucleic acid according to the invention is codon-optimized for use in a specific host organism, for example in diatoms, preferably in P. tricornutum
Eine Sequenz einer Nukleinsäure ist insbesondere codonoptimiert, wenn die Codons optimal auf die Häufigkeit der entsprechenden t-RNAs angepasst sind, so dass die effiziente Translation nicht durch fehlende mit der entsprechenden Aminosäure beladene tRNAs gehemmt wird. Weiterhin wird als eine Optimierung betrachtet, dass bestimmte Erkennungsstellen von Restriktionsenzymen, welche die Klonierungsvorgänge erschweren können, beseitigt worden sind. Die Erfindung umfasst daher auch eine Nukleinsäure, die für einen Antikörper codiert, wobei die Sequenz der Nukleinsäure für die Expression in einer Kieselalge, einzelligen Pflanze oder Viridiplantae, insbesondere in einer Kieselalge codonoptimiert ist. A sequence of a nucleic acid is codon-optimized in particular when the codons are optimally adapted to the frequency of the corresponding tRNAs, so that efficient translation is not inhibited by missing tRNAs loaded with the corresponding amino acid. Furthermore, it is considered an optimization that certain recognition sites of restriction enzymes, which can complicate the cloning process, have been eliminated. The invention therefore also encompasses a nucleic acid encoding an antibody, wherein the sequence of the nucleic acid is codon-optimized for expression in a diatom, unicellular plant or viridiplantae, in particular in a diatom.
Die Erfinder haben zudem herausgefunden, dass bei der Codonoptimierung der Sequenz der Nukleinsäure das Profil der Aminosäurensequenz aus der Ursprungssequenz berücksichtigt werden kann. Hierdurch wird insbesondere die korrekte Faltung des Antikörpers im Vergleich zum nativen Pendant des Antikörpers verbessert, was zu einer erhöhten Stabilität des Antikörpers und einer erhöhten biologischen Aktivität des in dem Wirtsorganismus (wie hierin definiert) exprimierten Antikörpers führt. The inventors have also discovered that the profile of the amino acid sequence from the original sequence can be taken into account during codon optimization of the sequence of the nucleic acid. This improves in particular the correct folding of the antibody compared to the native counterpart of the antibody, which leads to increased stability of the antibody and increased biological activity of the antibody expressed in the host organism (as defined herein).
Darüber hinaus hat eine codonoptimierte Sequenz einer Nukleinsäure den Vorteil, dass die Expressionsrate in dem Wirtsorganismus gegenüber einer nicht codonoptimierten Sequenz einer Nukleinsäure zumindest um den Faktor 10, vorzugsweise zumindest um den Faktor 20, besonders bevorzugt zumindest um den Faktor 30, ganz besonders bevorzugt zumindest um den Faktor 40 erhöht ist. Beispielsweise kann dadurch die Produktionsrate in der Kieselalge von herkömmlicherweise maximal 3 mg Antikörper pro Liter Kultur auf 160 mg Antikörper pro Liter Kultur erhöht werden. In addition, a codon-optimized sequence of a nucleic acid has the advantage that the expression rate in the host organism is increased by at least a factor of 10, preferably at least a factor of 20, particularly preferably at least a factor of 30, very particularly preferably at least a factor of 40 compared to a non-codon-optimized sequence of a nucleic acid. For example, the production rate in the diatom can thereby be increased from the conventional maximum of 3 mg of antibodies per liter of culture to 160 mg of antibodies per liter of culture.
Zudem hat eine für die Expression in einem Wirtsorganismus (wie hierin definiert) codonoptimierte Sequenz einer Nukleinsäure den Vorteil, dass die Faltung des Antikörpers entsprechen dem nativen Pendant des Antikörpers verbessert ist, was zu einer erhöhten Stabilität des Antikörpers und einer erhöhten biologischen Aktivität des in dem Wirtsorganismus exprimierten Antikörpers führt. In addition, a sequence of a nucleic acid codon-optimized for expression in a host organism (as defined herein) has the advantage that the folding of the antibody is improved in accordance with the native counterpart of the antibody, which leads to increased stability of the antibody and increased biological activity of the antibody expressed in the host organism.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz wenigstens eine replikative virale Einheit, bevorzugt ein Replikon aus dem Weed Dwarf Virus (WDV), auf. Derartige virale Elemente ermöglichen eine unabhängige Vervielfältigung der transformierten DNA in Form von DNA bzw. RNA. Dadurch erhöht sich die Kopienzahl transformierter DNA bzw. RNA, wodurch z. B. die Transkript- Menge (mRNA) ansteigt und mehr Protein entsteht. Weiterhin kann eine erhöhte Kopienzahl der einzubringenden Transkriptionseinheit zur Folge haben, dass diese DNA mehrfach ins Genom integriert wird, was die Chance einer Integration an einem „günstigen“ Lokus erhöht. According to a preferred embodiment, the nucleic acid sequence according to the invention has at least one replicative viral unit, preferably a replicon from the weed dwarf virus (WDV). Such viral elements enable independent replication of the transformed DNA in the form of DNA or RNA. This increases the copy number of transformed DNA or RNA, which, for example, increases the amount of transcript (mRNA) and produces more protein. Furthermore, an increased copy number of the transcription unit to be introduced can result in this DNA being integrated into the genome several times, which increases the chance of integration at a "favorable" locus.
Weiterhin bevorzugt weist die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz wenigstens einen Sequenzbereich auf, der für ein Retentionssignal, bevorzugt für die Aminosäuresequenz KDEL und/oder HDEL, codiert. Dabei sorgt die Ausstattung heterolog zu exprimierender Proteine mit einem Retentionssignal dafür, dass das exprimierte Protein im Endoplasmatischen Retikulum verbleibt. Beispiele für solche Retentionssignale sind die Aminosäuresequenzen KDEL und HDEL. Normalerweise wird nur die schwere Kette mit einer solchen Sequenz ausgestattet. Bei einer Produktion von Antikörpern in der Kieselalge wird jedoch nicht nur die schwere Kette mit einem solchen Signal ausgestattet, sondern auch die leichte Kette. Dadurch soll der mögliche Transport der leichten Kette in den Golgi- Apparat verhindert und der Zusammenbau beider Moleküle gefördert werden. Zudem sorgt ein Verbleib der exprimierten Proteine im Endoplasmatischen Retikulum für einen Schutz vor Proteasen und für eine erfolgreiche Glykosylierung, wodurch die Ausbeute gesteigert und die Funktionalität beibehalten wird. Furthermore, the nucleic acid sequence according to the invention preferably has at least one sequence region which is responsible for a retention signal, preferably for the amino acid sequence KDEL and/or HDEL. Equipping heterologously expressed proteins with a retention signal ensures that the expressed protein remains in the endoplasmic reticulum. Examples of such retention signals are the amino acid sequences KDEL and HDEL. Normally only the heavy chain is equipped with such a sequence. When antibodies are produced in the diatom, however, not only the heavy chain is equipped with such a signal, but also the light chain. This is intended to prevent the possible transport of the light chain into the Golgi apparatus and to promote the assembly of both molecules. In addition, keeping the expressed proteins in the endoplasmic reticulum ensures protection against proteases and successful glycosylation, which increases the yield and maintains functionality.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Transkriptionseinheit ein Polynukleotid, welches für eine Aminosäuresequenz von SEQ ID NO: 2 oder eine Aminosäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO:2 codiert. According to a preferred embodiment of the present invention, the first transcription unit comprises a polynucleotide which encodes an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence with a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
Die SEQ ID NO:2 stellt dabei eine Aminosäuresequenz der hinge-Region eines Antikörpers dar, welche aus equinen Immunglobulin-Sequenzen abgeleitet wurde und sich als besonders Protease-resistent herausgestellt hat. Die Verwendung dieser Protease-resistenten Hinge- Region reduziert maßgeblich die Proteolyse der in P. tricornutum hergestellten Antikörper verschiedener Formate und aus verschiedenen Spezies, sowohl in vivo als auch in vitro. SEQ ID NO:2 represents an amino acid sequence of the hinge region of an antibody, which was derived from equine immunoglobulin sequences and has been found to be particularly protease-resistant. The use of this protease-resistant hinge region significantly reduces the proteolysis of antibodies of different formats and from different species produced in P. tricornutum, both in vivo and in vitro.
Die SEQ ID NO:2 lautet wie folgt: The SEQ ID NO:2 is as follows:
VIKEPCCCPKCP VIKEPCCCPKCP
Vektor oder isolierte Nukleinsäure vector or isolated nucleic acid
Ein erfindungsgemäßer Vektor oder eine erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure zur heterologen Expression von Proteinen, bevorzugt von Antikörpern weist wenigstens eine erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz in einfacher oder repetitiver Form auf. A vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention for the heterologous expression of proteins, preferably of antibodies, has at least one nucleic acid sequence according to the invention in simple or repetitive form.
Auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz wird hiermit ausdrücklich verwiesen. Bevorzugt beträgt die Anzahl an Transkriptionskassetten im Vektor oder in der isolierten Nukleinsäure mehr als 1 und besonders bevorzugt mehr als 2. Der erfindungsgemäße Vektor oder die erfindungsgemäße Nukleinsäure weist somit wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenzen auf. Dabei codieren die so regulierten Transkriptionskassetten bevorzugt ein Protein, besonders bevorzugt einen Antikörper (mit anderen Worten: mehrere Transkriptionskassetten codieren alle ein und dasselbe Protein bzw. ein und denselben Antikörper), wobei das Protein, bevorzugt der Antikörper eine Sequenzidentität von wenigstens 50 %, besonders bevorzugt wenigstens 60 %, ganz besonders bevorzugt wenigstens 70 %, insbesondere wenigstens 80 % auf der Aminosäure-Ebene aufweist. Reference is hereby expressly made to the description of the nucleic acid sequence according to the invention. The number of transcription cassettes in the vector or in the isolated nucleic acid is preferably more than 1 and particularly preferably more than 2. The vector according to the invention or the nucleic acid according to the invention thus has at least two, preferably at least three nucleic acid sequences according to the invention. The transcription cassettes regulated in this way preferably encode a protein, particularly preferably an antibody (in other words: several transcription cassettes all encode one and the same protein or one and the same antibody), the protein, preferably the antibody, having a sequence identity of at least 50%, particularly preferably at least 60%, very particularly preferably at least 70%, in particular at least 80% at the amino acid level.
Dabei besteht eine Transkriptionskassette (wie hierin beschrieben) wenigstens aus einem regulierenden Promotorelement, einem 5‘-UTR, einer Codon-bestimmenden Sequenz (CDS, welche in ein Peptid translatiert wird), einem 3’UTR sowie einem Terminator. Die CDS kann verschiedene Unterelemente enthalten, wie Signalpeptide, welche Antikörper oder Antigen in ein bestimmtes Zellkompartiment dirigieren, Tag-Sequenzen, wie Strep-Tag oder 6x His-Tag, die primär zur Aufreinigung oder Detektion des Peptids dienen oder Fluoreszenzmarker wie GFP (Green Fluorescent Protein) etc., die primär der Detektion über ihre Fluoreszenz dienen. A transcription cassette (as described herein) consists of at least one regulatory promoter element, a 5'-UTR, a codon-determining sequence (CDS, which is translated into a peptide), a 3'UTR and a terminator. The CDS can contain various subelements, such as signal peptides, which direct antibodies or antigens to a specific cell compartment, tag sequences, such as Strep-Tag or 6x His-Tag, which primarily serve to purify or detect the peptide, or fluorescent markers such as GFP (Green Fluorescent Protein) etc., which primarily serve to detect via their fluorescence.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Vektor oder die erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei, besonders bevorzugt wenigstens vier Expressionskassetten in repetitiver Form auf. Preferably, the vector according to the invention or the isolated nucleic acid according to the invention has at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four expression cassettes in repetitive form.
Dabei können die Expressionskassetten eines Vektors oder einer isolierten Nukleinsäure zueinander identisch sein oder eine Identität von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 % zueinander aufweisen. Es können weiterhin eine oder mehrere von einer ersten Expressionskassette abweichende zweite und/oder weitere Expressionskassetten in dem erfindungsgemäßen Vektor oder der erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäure angeordnet sein. The expression cassettes of a vector or of an isolated nucleic acid can be identical to one another or have an identity of at least 70%, preferably at least 80%, to one another. Furthermore, one or more second and/or further expression cassettes differing from a first expression cassette can be arranged in the vector according to the invention or the isolated nucleic acid according to the invention.
Durch die repetitive Verwendung, also die sich mehrfach wiederholende Nutzung, einer oder mehrerer Expressionskassetten, kann eine Steigerung der Expressionsrate der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz erreicht werden. Ebenso steigt die Anzahl an Produzenten mit höherer Produktionsmenge, die Anzahl an transgenen Klonen, sowie der Anteil an Klonen mit detektierbarem Signal. Das Signal des Reporterproteins ist dabei ein direktes Maß für die Proteinproduktion/Antikörperprodukten. Insbesondere werden die betreffenden Expressionskassetten bei einer repetitiven Verwendung wenigstens in doppelter Ausführung, bevorzugt wenigstens in dreifacher Ausführung, vorzugsweise unmittelbar hintereinander eingesetzt. By repetitive use, i.e. repeated use, of one or more expression cassettes, an increase in the expression rate of the nucleic acid sequence according to the invention can be achieved. The number of producers with higher production quantities, the number of transgenic clones and the proportion of clones with a detectable signal also increase. The signal of the reporter protein is a direct measure of protein production/antibody products. In particular, the expression cassettes in question are used in repeated use at least in duplicate, preferably at least in triplicate, preferably immediately one after the other.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Vektor oder die erfindungsgemäße Nukleinsäure weiterhin wenigstens einen Sequenzbereich auf, der für einen Selektionsmarker, vorzugsweise ein Resistenzgen (wie hierin beschrieben), codiert. According to a preferred embodiment, the vector or nucleic acid according to the invention further comprises at least one sequence region which encodes a selection marker, preferably a resistance gene (as described herein).
Aminosäuresequenz amino acid sequence
Die Erfindung betrifft auch eine Aminosäuresequenz, umfassend SEQ ID NO: 2 oder eine Aminosäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO: 2. The invention also relates to an amino acid sequence comprising SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence having a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
Die erfindungsgemäße Aminosäuresequenz bildet eine besonders Protease-resistente Gelenkregion (Hinge-Region) in einem rekombinanten Antikörper aus. Vorteilhafterweise ist der resultierende rekombinante Antikörper derart modifiziert, dass dieser gegenüber kieselalgen-, human-, pflanzen- oder mikroalgenspezifischen Proteasen eine erhöhte Stabilität aufweist. Hierdurch kann die Stabilität des Antikörpers in dem Wirtsorganismus, in welchem der Antikörper exprimiert wird, und somit auch die Expressionsrate erhöht werden. The amino acid sequence according to the invention forms a particularly protease-resistant hinge region in a recombinant antibody. The resulting recombinant antibody is advantageously modified in such a way that it has increased stability against diatom-, human-, plant- or microalgae-specific proteases. This can increase the stability of the antibody in the host organism in which the antibody is expressed and thus also the expression rate.
Der Begriff „Antikörper“ bezeichnet hierin ein Immunglobulin (Ig) oder ein Derivat eines Immunglobulins, wie es vom erworbenen Immunsystem von Wirbeltieren produziert wird. Beispiele für natürlich vorkommende Antikörper sind die Antikörper der Klasse M (IgM), G (IgG), A (IgA), und E (IgE) , insbesondere aus Säugern wie Mensch, Kaninchen, Maus, Ratte, Kamel, Lama, Ziege und/oder Pferd. Weiterhin sind auch künstliche Formate, die auf solchen Proteinen beruhen sind eingeschlossen, Beispiele sind hier scFvs (single chain variable Fragments), oder scFv-Fc (single chain variable Fragments fused to a crystalline Fragment). The term "antibody" refers herein to an immunoglobulin (Ig) or a derivative of an immunoglobulin as produced by the acquired immune system of vertebrates. Examples of naturally occurring antibodies are antibodies of class M (IgM), G (IgG), A (IgA), and E (IgE), in particular from mammals such as humans, rabbits, mice, rats, camels, llamas, goats, and/or horses. Furthermore, artificial formats based on such proteins are also included, examples of which are scFvs (single chain variable fragments), or scFv-Fc (single chain variable fragments fused to a crystalline fragment).
Ein „nativer Antikörper“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein natürlicher Antikörper, wie dieser in einem Individuum, wie hierin definiert, insbesondere einem Vertebraten, besonders bevorzugt einem Säugetier, ganz besonders bevorzugt einem Primaten, insbesondere einem Menschen, vorzufinden ist. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Aminosäuresequenz eine Cyste in- reiche Aminosäuresequenz die mindestens 20 Cysteine, vorzugsweise mindestens 15 Cysteine, besonders bevorzugt mindestens 12 Cysteine enthält. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht die Aminosäuresequenz in der Gelenkregion aus (a) der Sequenz VIKEPCCCPKCP oder (b) einer um maximal 30 %, insbesondere um maximal 20 %, besonders bevorzugt um maximal 15 % von dieser Aminosäuresequenz abweichenden Sequenzidentität oder (c) einer Aminosäuresequenz, die gegenüber der Variante gemäß (a) lediglich einen Aminosäureaustausch aufweist. A “native antibody” in the sense of the present invention is a natural antibody as is found in an individual as defined herein, in particular a vertebrate, particularly preferably a mammal, most preferably a primate, in particular a human. Preferably, the amino acid sequence according to the invention is a cysteine-rich amino acid sequence which contains at least 20 cysteines, preferably at least 15 cysteines, particularly preferably at least 12 cysteines. According to a particularly preferred embodiment, the amino acid sequence in the hinge region comprises or consists of (a) the sequence VIKEPCCCPKCP or (b) a sequence identity which differs from this amino acid sequence by a maximum of 30%, in particular by a maximum of 20%, particularly preferably by a maximum of 15%, or (c) an amino acid sequence which has only one amino acid exchange compared to the variant according to (a).
Ebenfalls erfindungsgemäß ist eine Nukleinsäuresequenz, codierend für eine Aminosäuresequenz umfassend SEQ ID NO: 2 oder für eine Aminosäuresequenz mit einer Homologie von zumindest 70 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, ganz besonders bevorzugt zumindest 95 %, weiter bevorzugt zumindest 99 % zur SEQ ID NO: 2. Also according to the invention is a nucleic acid sequence coding for an amino acid sequence comprising SEQ ID NO: 2 or for an amino acid sequence having a homology of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95%, further preferably at least 99% to SEQ ID NO: 2.
Zelle cell
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Zelle umfassend einen erfindungsgemäßen Vektor oder eine erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure (wie hierin beschrieben) oder eine erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz (wie hierin beschrieben), wobei die Zelle eine photosynthetisch aktive Zelle, insbesondere eine einzellige Pflanze oder Viridiplantae, bevorzugt eine Kieselalge ist. The invention further relates to a cell comprising a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention (as described herein) or a nucleic acid sequence according to the invention (as described herein), wherein the cell is a photosynthetically active cell, in particular a unicellular plant or viridiplantae, preferably a diatom.
Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung photosynthetisch aktiver Zellen zumindest ein Großteil bis hin zu dem ganzen Verfahren zur Herstellung rekombinanter Proteine in nicht tierischen Organismen erfolgen und somit den Vorgaben einer veganen Produktion entsprechen. Advantageously, by using photosynthetically active cells, at least a large part or even the entire process for producing recombinant proteins can be carried out in non-animal organisms and thus meet the requirements of vegan production.
Screening-Verfahren screening procedures
Ein erfindungsgemäßes Screening-Verfahren zur Auswahl von Zellen mit einer erhöhten Expressionsrate einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz (wie hierin beschrieben) umfasst die Schritte: a) Bereitstellen von Zellen, welche mit einem erfindungsgemäßen Vektor oder einer erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäure und/oder mit einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz transformiert wurden, b) Vereinzelung und Überführung der Zellen in ein Kulturmedium, c) Anreichern des Kulturmediums mit einer Phosphatkonzentration im Bereich von 0,1 pM bis 200 pM, bevorzugt 0,5 pM bis 200 pM, besonders bevorzugt 1 pM bis 200 pM, ganz besonders bevorzugt 1 pM bis 20 pM. d) Untersuchung der Zellen auf eine gewünschte Expressionsrate. A screening method according to the invention for selecting cells with an increased expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention (as described herein) comprises the steps: a) providing cells which have been transformed with a vector according to the invention or an isolated nucleic acid according to the invention and/or with a nucleic acid sequence according to the invention, b) isolating and transferring the cells into a culture medium, c) enriching the culture medium with a phosphate concentration in the range of 0.1 pM to 200 pM, preferably 0.5 pM to 200 pM, particularly preferably 1 pM to 200 pM, most particularly preferably 1 pM to 20 pM. d) examining the cells for a desired expression rate.
Zum Transformieren der Zellen mit dem erfindungsgemäßen genetischen Material kommen gängige Verfahren, wie beispielsweise ballistische Verfahren oder Elektroportion zum Einsatz. Während bei der ballistischen Transformation DNA-beschichtete Nanopartikel auf die Zellen geschossen werden, werden bei der Elektroporation Zellen kurzzeitig mit einem elektrischen Schock im Bereich von 2000 V bis 2500 V behandelt, wodurch die Zellmembran für die DNA durchlässig wird. Common methods such as ballistic methods or electroporation are used to transform the cells with the genetic material according to the invention. While DNA-coated nanoparticles are shot at the cells in ballistic transformation, cells are briefly treated with an electric shock in the range of 2000 V to 2500 V in electroporation, which makes the cell membrane permeable to the DNA.
Anschließend müssen die Zellen, welche das Transgen aufgenommen haben, identifiziert und selektiert werden. Das erfolgt typischerweise über die Selektion gegenüber einem Selektionsstoff, welcher mit einem in den Expressionskassetten enthaltenen Selektionsmarker zusammenwirkt. The cells that have taken up the transgene must then be identified and selected. This is typically done by selecting against a selection substance that interacts with a selection marker contained in the expression cassettes.
Bevorzugt werden als Selektionsmarker Resistenzgene (wie hierin beschrieben) eingesetzt. Die Zellen werden im Anschluss an die Transformation auf eine Selektionsplatte und/oder in ein Selektionsmedium überführt, wobei die Selektionsplatte bzw. das Selektionsmedium den jeweiligen Selektionsstoff in einer ausreichenden Konzentration enthält. Dem Fachmann ist dabei bekannt, in welcher Konzentration er den Selektionsstoff einsetzen muss. Resistance genes (as described herein) are preferably used as selection markers. Following transformation, the cells are transferred to a selection plate and/or to a selection medium, with the selection plate or the selection medium containing the respective selection substance in a sufficient concentration. The person skilled in the art knows the concentration in which the selection substance must be used.
Als selektierende Reagenzien werden in einer bevorzugten Ausführungsform Zeocin (Phleomycin D1) und/oder Blasticidin eingesetzt. In a preferred embodiment, Zeocin (phleomycin D1) and/or blasticidin are used as selective reagents.
Nur Zellen, in welchen ein erfolgreicher Gentransfer stattgefunden hat, weisen (neben dem gene of interest) auch das jeweilige Resistenzgen auf und besitzen somit eine Resistenz gegen den Selektionsstoff, was sie befähigt, auf oder in einem den entsprechenden Selektionsstoff enthaltenden Medium zu überleben. Der Fachmann spricht hierbei von positiver Selektion. Only cells in which a successful gene transfer has taken place have (in addition to the gene of interest) the respective resistance gene and thus have resistance to the selection substance, which enables them to survive on or in a medium containing the corresponding selection substance. Experts refer to this as positive selection.
Die Selektion erfolgt dabei vorzugsweise auf einem festen Nährmedium, bevorzugt auf einer Agar-Platte, insbesondere auf einer Agar-Platte mit einer Agarkonzentration von weniger als 1 ,5 %, bevorzugt von weniger als 1 %. Vorteilhafterweise reduziert sich die Wachstumsdauer der Zellen auf Agarplatten mit einer derart verringerten Agarkonzentration, im Vergleich zu einer standardmäßig verwendeten Agarkonzentration von 1 ,5 %, deutlich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Selektion auf einem Festmedium bzw. festen Nährmedium, welches 0,5 % bis 1 % Agar, bevorzugt 0,6 % bis 1 % Agar, besonders bevorzugt 0,7 % bis 1 % Agar, ganz besonders bevorzugt 0,8 % bis 1 % Agar enthält. Ein derartiges Festmedium wird vorteilhafterweise auch für die Stammerhaltung der verwendeten Zellen, sowohl transformierter als auch nicht transformierter Zellen, verwendet. The selection is preferably carried out on a solid nutrient medium, preferably on an agar plate, in particular on an agar plate with an agar concentration of less than 1.5%, preferably less than 1%. Advantageously, the growth time of the cells on agar plates with such a reduced agar concentration is reduced, compared to a standard agar concentration of 1.5%. According to a preferred embodiment, the selection is carried out on a solid medium or solid nutrient medium which contains 0.5% to 1% agar, preferably 0.6% to 1% agar, particularly preferably 0.7% to 1% agar, very particularly preferably 0.8% to 1% agar. Such a solid medium is advantageously also used for the maintenance of the strains of the cells used, both transformed and non-transformed cells.
Eine zentrale Anforderung ist, nicht nur produzierende Zelllinien zu finden, sondern zu einem möglichst frühen Zeitpunkt des Selektionsverfahrens die Zelllinien zu identifizieren, welche die höchsten Proteinausbeuten erbringen. Um dies zu erreichen, werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Reporter-Proteine (wie hierin beschrieben) verwendet. Diese können entweder als Fusionsprotein oder dicistronisch (z. B. mittels IRES-Elements verknüpft) vorliegen. Die massiv parallele Fluoreszenz-basierte Detektion durch die Reporter-Proteine korreliert deutlich mit der Menge an rekombinanten Proteinen, die später von dieser Zelllinie produziert wird. Bei Verwendung von Nährstoff oder Nährstoffmangelgetriggerten Promotoren, wie beispielsweise dem hierin beschriebenen modifizierten HASP1 -Promotor HASP1mod, ist die Herstellung einer Korrelation zwischen Reportersignal und Proteinproduktion jedoch nicht direkt nach der Selektion möglich. Um eine aussagekräftige Korrelation herzustellen, müssen die Klone von der Selektionsplatte oder aus dem Selektionsmedium in ein flüssiges Medium überführt werden (z.B. in eine Multiwell- Platte). Anschließend müssen die Klone in einem bestimmten Zeitraum, optimalerweise zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen werden, um eine aussagekräftige Korrelation zu erreichen. Der Zeitpunkt der Auswertung richtet sich an der Konzentration des relevanten Nährstoffs (z.B. Phosphat im Fall von HASP1 mod). Die Konzentration muss dabei so eingestellt werden, dass die Zellen einen kritischen Wert nicht überschreiten und der Zeitraum bis zur Auswertung möglichst kurz ist und gleichzeitig der Realität möglichst nah kommt. So kann beispielsweise die Intensität der Fluoreszenz der Reporterproteine mit der Menge an gebildetem Antikörper korreliert werden. Diese Korrelation ist jedoch, wie nachfolgend dargestellt, nicht trivial und von vielen Faktoren abhängig (z. B. der Zellzahl). Das hier beschriebene Selektionsverfahren ist daher so konzipiert, dass mit minimalem Aufwand sehr verlässlich die Korrelation zwischen Fluoreszenz und Antikörperproduktion hergestellt werden kann. A central requirement is not only to find producing cell lines, but also to identify the cell lines that produce the highest protein yields as early as possible in the selection process. To achieve this, according to a preferred embodiment, reporter proteins (as described herein) are used. These can be present either as a fusion protein or dicistronic (e.g. linked by means of an IRES element). The massively parallel fluorescence-based detection by the reporter proteins correlates clearly with the amount of recombinant proteins that are later produced by this cell line. However, when using nutrient or nutrient deficiency-triggered promoters, such as the modified HASP1 promoter HASP1 mod described here, it is not possible to establish a correlation between reporter signal and protein production directly after selection. In order to establish a meaningful correlation, the clones must be transferred from the selection plate or from the selection medium to a liquid medium (e.g. into a multiwell plate). The clones must then be measured over a specific period of time, ideally at a specific time, in order to achieve a meaningful correlation. The time of the evaluation depends on the concentration of the relevant nutrient (e.g. phosphate in the case of HASP1 mod ). The concentration must be set so that the cells do not exceed a critical value and the time until evaluation is as short as possible and at the same time as close to reality as possible. For example, the intensity of the fluorescence of the reporter proteins can be correlated with the amount of antibody formed. However, as shown below, this correlation is not trivial and depends on many factors (e.g. the number of cells). The selection process described here is therefore designed so that the correlation between fluorescence and antibody production can be established very reliably with minimal effort.
Die vorselektierten Zellen werden gemäß Schritt (b) vereinzelt und in ein Kulturmedium überführt. Als Kulturmedium kann beispielsweise ein modifiziertes f/2-Medium verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt die Überführung zumindest eine Multiwell-Platte von wenigstens 6- Well, bevorzugt wenigstens 12- Well, besonders bevorzugt wenigstens 24- Well, ganz besonders bevorzugt wenigstens 48-Well, weiter bevorzugt wenigstens 96-Well, insbesondere wenigstens 384-Well. Dabei werden die entstandenen Klone vereinzelt. The preselected cells are separated according to step (b) and transferred to a culture medium. A modified f/2 medium can be used as a culture medium, for example. Preferably, the transfer takes place at least one multiwell plate of at least 6 wells, preferably at least 12 wells, particularly preferably at least 24 wells, very particularly preferably at least 48 wells, further preferably at least 96 wells, in particular at least 384 wells. The resulting clones are separated.
Die Nutzung von Multiwell-Platten stellt eine Hochdurchsatz-Methode dar, die den nötigen Aufwand und die Kosten der Selektion z. B. expressionsstarker Klone signifikant reduziert, da hierdurch eine simultane Messung von bis zu 384 unabhängigen Klonen ermöglicht wird. The use of multiwell plates represents a high-throughput method that significantly reduces the effort and costs required for selecting, for example, clones with high expression levels, as this enables simultaneous measurement of up to 384 independent clones.
Dabei enthält das Medium eine Phosphatkonzentration von 0,1 pM bis 50 pM, bevorzugt 0,25 pM bis 35 pM, besonders bevorzugt 0,5 pM bis 30 pM ganz besonders bevorzugt 0,75 pM bis 25 pM, insbesondere 0,1 pM bis 20 pM, weiterhin insbesondere 1 pM bis 20 pM, gemäß Schritt (c) führt vorteilhafterweise dazu, dass der hierin beschriebene Phosphatmangel-getriggerte modifizierte Promotor HASP1 mod aufgrund der geringen Phosphatkonzentration des Mediums mit einer erhöhten Aktivität reagiert und die somit getriggerte Proteinproduktion zu einem früheren Zeitpunkt ausgewertet kann, als bei höheren Phosphatkonzentrationen. Eine daraus resultierende verstärkte Produktion des Reporterproteins kann einfach ausgelesen werden. The medium contains a phosphate concentration of 0.1 pM to 50 pM, preferably 0.25 pM to 35 pM, particularly preferably 0.5 pM to 30 pM, most preferably 0.75 pM to 25 pM, in particular 0.1 pM to 20 pM, furthermore in particular 1 pM to 20 pM, according to step (c) advantageously leads to the phosphate deficiency-triggered modified promoter HASP1 mod described herein reacting with increased activity due to the low phosphate concentration of the medium and the protein production thus triggered can be evaluated at an earlier point in time than at higher phosphate concentrations. The resulting increased production of the reporter protein can be easily read out.
Hierbei sind mit „Phosphat“, alle Phosphat-Salze und phosphathaltigen organischen Verbindungen und alle chemischen Formen von Phosphor gemeint. Here, “phosphate” refers to all phosphate salts and phosphate-containing organic compounds and all chemical forms of phosphorus.
Bei der Auswertung von Reporter-Signalen können die Klone zwar direkt nach der Vereinzelung und Überführung der Zellen in ein Kulturmedium analysiert werden, jedoch ist die Zellzahl zu diesem Zeitpunkt gering, wodurch die Messungenauigkeit erhöht wird. Um dieses Problem zu adressieren, werden die Zellen bis zu einer optimalen Zelldichte in dem Kulturmedium, bevorzugt in einer Multiwell-Platte, kultiviert. Dabei muss, vor allem bei Arbeiten mit Nährstoffmangel-getriggerten Promotoren, berücksichtigt werden, dass die initiale Nährstoffkonzentration einen wesentlichen Einfluss auf die zu erwartende Zelldichte im Verlauf der Kultivierung und damit auch auf den Auswertungszeitpunkt hat. Dieser wird durch mehrere Faktoren beeinflusst: Um verlässliche Reportersignale zu erhalten, darf die Zelldichte nicht zu hoch sein, denn oberhalb einer bestimmten Zelldichte ist die Signalstärke des Reporters nicht mehr proportional zur Zellzahl. Zwar wäre ein qualitativer Vergleich unter Umständen möglich, für eine quantitative Aussage jedoch nicht zulässig. When evaluating reporter signals, the clones can be analyzed directly after the cells have been isolated and transferred to a culture medium, but the number of cells is low at this point, which increases the measurement inaccuracy. To address this problem, the cells are cultured in the culture medium, preferably in a multiwell plate, to an optimal cell density. It must be taken into account, especially when working with nutrient deficiency-triggered promoters, that the initial nutrient concentration has a significant influence on the expected cell density during the course of the cultivation and thus also on the time of evaluation. This is influenced by several factors: In order to obtain reliable reporter signals, the cell density must not be too high, because above a certain cell density the signal strength of the reporter is no longer proportional to the number of cells. Although a qualitative comparison might be possible under certain circumstances, it is not permissible for a quantitative statement.
Vorteilhafterweise erfolgt die Untersuchung der Zellen auf eine Expressionsrate derAdvantageously, the cells are examined for an expression rate of the
Nukleinsäuresequenz zu mehreren Zeitpunkten der Kultivierung der Zellen. Insbesondere bei Verwendung des hierin beschriebenen Phosphatmangel-getriggerten HASP1 mod-Promotors in Kombination mit einem fluoreszierenden Reporter-Protein besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Zellmenge und der Signalintensität mehr, sobald eine kritische Zelldichte überschritten wurde. Der Phosphatmangel muss somit entstehen, bevor die Zelldichte den kritischen Wert überschreitet, ansonsten ist ein Vergleich zwischen den Klonen nicht möglich. Bei Verwendung von Nährstoffmangel-getriggerten Promotoren muss zudem beachtet werden, dass nur Klone miteinander verglichen werden, die eine ähnliche Zellzahl zeigen und es müssen globale Peaks der einzelnen Signalzeitreihe zur Bewertung der Produktion herangezogen werden. Nucleic acid sequence at several times during cell cultivation. In particular, Using the phosphate deficiency-triggered HASP1 mod promoter described here in combination with a fluorescent reporter protein, there is no longer a linear relationship between the number of cells and the signal intensity once a critical cell density has been exceeded. The phosphate deficiency must therefore occur before the cell density exceeds the critical value, otherwise a comparison between the clones is not possible. When using nutrient deficiency-triggered promoters, it must also be ensured that only clones that show a similar number of cells are compared with each other and global peaks of the individual signal time series must be used to evaluate production.
Der Fachmann weiß, wie er die Zellzahl bestimmen kann. Eine geeignete Methode ist die Bestimmung der optischen Dichte (OD), beispielsweise mittels Absorptionsmessung, wobei ein Lichtstrahl in das Medium geleitet und der Lichtverlust mit einem Detektor gemessen wird. Bis zu einer bestimmten Zelldichte weist die optische Dichte dabei einen im Wesentlichen linearen Anstieg auf. The expert knows how to determine the number of cells. A suitable method is to determine the optical density (OD), for example by means of absorption measurement, where a light beam is directed into the medium and the light loss is measured with a detector. Up to a certain cell density, the optical density shows an essentially linear increase.
Für die photometrische Messung (sowohl zur Bestimmung der Zelldichte als auch zur Untersuchung der Zellen auf eine Expressionsrate der Nukleinsäuresequenz, insbesondere durch die Bestimmung der Aktivität des Reporterproteins, beispielsweise über Fluoreszenzmessungen) wird die Multiwell-Platte vorzugsweise mit jeweils 30 % bis 70 %, bevorzugt von 45 % bis 55 % des Gesamtvolumens jedes einzelnen Wells mit dem Kulturmedium gefüllt. In diesem Bereich ist die Messungenauigkeit am höchsten, wobei 50 % Füllvolumen sowohl für eine Kultivierung der Zellen im Multiwell-Format als auch für eine fehlertolerantere Messung (z. B. bei Volumenabweichungen durch Verdunstung im Laufe der Kultivierung oder durch Pipettierfehler) geeignet ist. Vorzugsweise werden daher bei der Überführung der vorselektierten Zellen gemäß Schritt (b) die Wells der Multiwell-Platte zu einem Volumen von jeweils 30 % bis 70 %, bevorzugt von 45 % bis 55 % des Gesamtvolumens jedes einzelnen Wells mit dem Kulturmedium gefüllt. Zum Auslesen der Parameter kann ein Mikroplattenlesegerät verwendet werden. For the photometric measurement (both for determining the cell density and for examining the cells for an expression rate of the nucleic acid sequence, in particular by determining the activity of the reporter protein, for example via fluorescence measurements), the multiwell plate is preferably filled with the culture medium to a volume of 30% to 70%, preferably 45% to 55% of the total volume of each individual well. The measurement inaccuracy is highest in this range, with 50% filling volume being suitable both for culturing the cells in the multiwell format and for a more error-tolerant measurement (e.g. in the case of volume deviations due to evaporation during cultivation or due to pipetting errors). Therefore, when transferring the preselected cells according to step (b), the wells of the multiwell plate are preferably filled with the culture medium to a volume of 30% to 70%, preferably 45% to 55% of the total volume of each individual well. A microplate reader can be used to read the parameters.
Zur Bestimmung der Zellzahl in einer Phaeodactylum tricornutum -Kultur können unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, welche bevorzugt bei 600 - 800 nm liegen. Besonders bevorzugt wird die Messung bei einer Wellenlänge von 600 - 750 nm durchgeführt. To determine the number of cells in a Phaeodactylum tricornutum culture, different wavelengths can be used, which are preferably between 600 and 800 nm. The measurement is particularly preferably carried out at a wavelength of 600 to 750 nm.
Sowohl bei Fluoreszenzmessungen als auch bei Messungen der optischen Dichte dürfen die Zellen eine gewisse Zellzahl nicht überschreiten, um einen linearen Zusammenhang bzw. verlässliche, lineare Messergebnisse zu erhalten. Der Bereich, in dem die Zellzahl liegen muss, ist von der Zellgröße und -art abhängig und wird vorzugsweise empirisch, z. B. über Verdünnungsreihen, bestimmt. Für Kieselalgen liegt die Zellzahl, bei der die Untersuchung gemäß Schritt (d) bevorzugt durchgeführt wird bei 0,1 Millionen Zellen * mL-1 bis 120 Millionen Zellen * mL-1, bevorzugt bei 0,25 Millionen Zellen * mL-1 bis zumindest 100 Millionen Zellen * mL-1, besonders bevorzugt bei 0,5 Millionen Zellen * mL-1 bis 100 Millionen Zellen * mL-1 ganz besonders bevorzugt bei 1 Millionen Zellen * mL-1 bis 90 Millionen Zellen * mL-1, weiter bevorzugt bei 2 Millionen Zellen * mL-1 bis 80 Millionen Zellen * mL-1, noch weiter bevorzugt bei 3 Millionen Zellen * mL-1 bis 70 Millionen Zellen * mL1, insbesondere bei 4 Millionen Zellen * mL-1 bis 60 Millionen Zellen * mL-1. In both fluorescence measurements and optical density measurements, the number of cells must not exceed a certain number in order to establish a linear relationship. to obtain reliable, linear measurement results. The range in which the cell number must lie depends on the cell size and type and is preferably determined empirically, e.g. using dilution series. For diatoms, the cell number at which the examination according to step (d) is preferably carried out is 0.1 million cells * mL -1 to 120 million cells * mL -1 , preferably 0.25 million cells * mL -1 to at least 100 million cells * mL -1 , particularly preferably 0.5 million cells * mL -1 to 100 million cells * mL -1 , most particularly preferably 1 million cells * mL -1 to 90 million cells * mL -1 , further preferably 2 million cells * mL -1 to 80 million cells * mL -1 , even more preferably 3 million cells * mL -1 to 70 million cells * mL 1 , in particular 4 million cells * mL -1 to 60 million cells * mL -1 .
Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Zellzahl die Morphologie der jeweiligen Zellen, insbesondere in Bezug auf eine mögliche Einflussnahme auf die Messergebnisse der jeweils verwendeten Methode, beachtet. Beispielsweise kann bei der Bestimmung der Zellzahl von Phaeodactylum das Auftreten zweier unterschiedlicher Zellformen (fusiforme Zellen und ovale Zellen) zu einer fehlerhaften Korrelation zwischen Zellzahl und optischer Dichte führen. It is advantageous to take into account the morphology of the respective cells when determining the cell number, particularly with regard to a possible influence on the measurement results of the method used. For example, when determining the cell number of Phaeodactylum, the occurrence of two different cell shapes (fusiform cells and oval cells) can lead to an incorrect correlation between cell number and optical density.
Bevorzugt wird für die Untersuchung der Zellen auf eine Expressionsrate der Nukleinsäuresequenz gemäß Schritt (d) ein immunbiochemisches und/oder ein photometrisches Verfahren, bevorzugt ein Hochdurchsatz-Verfahren, durchgeführt. Als immunbiochemische Verfahren kommen beispielsweise ELISA, SDS-PAGE oder Dot Blot infrage. Als photometrische Verfahren können beispielsweise die photometrische Bestimmung der Zelldichte und/oder des Chlorophyllgehalts und/oder von Fluoreszenzproteinen und/oder von Chromoproteinen und/oder von Farbreaktionen und/oder einer Lumineszenz infrage kommen. Alle infrage kommenden Verfahren können auch ergänzend und/oder aufeinander aufbauend bzw. alternativ zueinander angewandt werden. Preferably, an immunobiochemical and/or photometric method, preferably a high-throughput method, is carried out to examine the cells for an expression rate of the nucleic acid sequence according to step (d). Examples of immunobiochemical methods that can be used are ELISA, SDS-PAGE or dot blot. Examples of photometric methods that can be used are the photometric determination of cell density and/or chlorophyll content and/or fluorescent proteins and/or chromoproteins and/or color reactions and/or luminescence. All of the methods that can be used can also be used in addition to and/or on the basis of one another or as an alternative to one another.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Untersuchung gemäß Schritt (d) nach einem Zeitraum von 1 bis 21 Tagen, bevorzugt von 1 ,5 bis 21 Tagen, besonders bevorzugt von 2 bis 14 Tagen nach der Durchführung von Schritt (c). Es hat sich gezeigt, dass nach diesem Zeitraum die optimale Zelldichte zur Durchführung der Untersuchung gemäß Schritt (d) zu erwarten ist. According to a preferred embodiment, the examination according to step (d) is carried out after a period of 1 to 21 days, preferably from 1.5 to 21 days, particularly preferably from 2 to 14 days after the implementation of step (c). It has been shown that the optimal cell density for carrying out the examination according to step (d) can be expected after this period.
Vorzugsweise werden in dem erfindungsgemäßen Screening-Verfahren wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 10, besonders bevorzugt wenigstens 30, ganz besonders bevorzugt wenigstens 60, weiter bevorzugt wenigstens 96 unterschiedliche Klone untersucht, um Zellen mit einer erhöhten, bevorzugt mit der höchsten Expressionsrate einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz zu ermitteln. Preferably, in the screening method according to the invention, at least 5, preferably at least 10, particularly preferably at least 30, very particularly preferably at least 60, further preferably at least 96 different clones are examined in order to identify cells with an increased, preferably with the highest expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention.
Im Anschluss an das erfindungsgemäße Screening-Verfahren können ergänzend weitere Untersuchungen der als am stärksten exprimierenden Zellen, wie beispielsweise ELISA oder SDS-PAGE durchgeführt werden, um zu bestimmen ob und welche Antikörper in welcher Qualität und mit welchen Bindungseigenschaften produziert werden. Following the screening method according to the invention, additional investigations of the cells that express the most strongly, such as ELISA or SDS-PAGE, can be carried out to determine whether and which antibodies are produced, in which quality and with which binding properties.
Der Aufschluss von Zellen in einem Multiwell-Format (insbesondere 2 - 384 Well) erfolgt bevorzugt durch einen Puffer (z. B. PBS, HEPES, Tris-HCI, CHES, CAPSO, AMP, CAPS, CABS), der Detergenzien enthält oder mittels einer gegenüber dem physiologischen Zustand erhöhten Temperatur oder einer Kombination aus Detergenzien und einer gegenüber dem physiologischen Zustand erhöhten Temperatur. The disruption of cells in a multiwell format (especially 2 - 384 well) is preferably carried out using a buffer (e.g. PBS, HEPES, Tris-HCl, CHES, CAPSO, AMP, CAPS, CABS) containing detergents or by means of a temperature increased compared to the physiological state or a combination of detergents and a temperature increased compared to the physiological state.
Dabei beträgt die Temperatur bevorzugt mehr als 40 °C, besonders bevorzugt: mehr als 50 °C und ganz besonders bevorzugt wenigstens 60 °C. Dabei werden vorzugweise Inkubationszeiten zwischen 0,5 h und 72 h genutzt. The temperature is preferably more than 40 °C, particularly preferably more than 50 °C and most preferably at least 60 °C. Incubation times of between 0.5 h and 72 h are preferably used.
Geeignete Detergenzien sind dem Fachmann bekannt. Bespiele hierfür sind Tween20, Triton X 100, Natriumdodecylsulfat (SDS), Digitonin oder Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB). Das jeweilige Detergens wird in einer Endkonzentration bevorzugt zwischen 0,1 % und 10 %, besonders bevorzugt zwischen 0,2 % und 10 %, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 % und 10 %, weiter bevorzugt zwischen 0,4 % und 10 %, insbesondere zwischen 0,5 % und 10 % eingesetzt. Suitable detergents are known to the person skilled in the art. Examples of these are Tween20, Triton X 100, sodium dodecyl sulfate (SDS), digitonin or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). The respective detergent is used in a final concentration preferably between 0.1% and 10%, particularly preferably between 0.2% and 10%, very particularly preferably between 0.3% and 10%, further preferably between 0.4% and 10%, in particular between 0.5% and 10%.
Eine Zentrifugation nach dem Aufschluss der Zellen führt zu qualitativ besseren Ergebnissen bei der Analyse der Aufreinigung, z. B. mittels ELISA oder SDS-PAGE. Centrifugation after cell disruption leads to better quality results when analyzing the purification, e.g. by ELISA or SDS-PAGE.
Das aufgeschlossene Material kann für das Screening im ELISA-Verfahren mittels Multiwell- Platten, aber auch - nach Zugabe von sog. SDS-PAGE-Ladepuffer und Erhitzen auf 80 °C bis 100 °C - in der SDS-PAGE direkt eingesetzt werden. Solche Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Allerdings führt die hier beschriebene Sedimentierung der Feststoffe und Pigmente zu qualitativ besseren Ergebnissen in ELISA und SDS-PAGE und spielt eine zentrale Rolle bei der Analyse der Aufreinigungsschritte. Herstellung-Verfahren The digested material can be used for screening in the ELISA method using multiwell plates, but also - after adding so-called SDS-PAGE loading buffer and heating to 80 °C to 100 °C - directly in SDS-PAGE. Such methods are well known to those skilled in the art. However, the sedimentation of the solids and pigments described here leads to better quality results in ELISA and SDS-PAGE and plays a central role in the analysis of the purification steps. manufacturing process
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von rekombinanten Antikörpern unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Vektors und/oder einer erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäure und/oder einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz weist die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen von Zellen mit einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz, bevorzugt ermittelt durch ein erfindungsgemäßes Screening-Verfahren, b) Kultivieren der transformierten Zellen in einem Kulturmedium, wobei das Kultivieren zunächst in einer Vorkultur und anschließend in einer Hauptkultur erfolgt und wobei ein Anpassen der Kulturbedingungen dahingehend erfolgt, dass eine Maximierung der Ausbeute heterolog produzierter Proteine erreicht wird, und c) Extrahieren der heterolog produzierten Proteine. The method according to the invention for producing recombinant antibodies using a vector according to the invention and/or an isolated nucleic acid according to the invention and/or a nucleic acid sequence according to the invention comprises the following steps: a) providing cells with a nucleic acid sequence according to the invention, preferably determined by a screening method according to the invention, b) culturing the transformed cells in a culture medium, wherein the cultivation is initially carried out in a pre-culture and then in a main culture and wherein the culture conditions are adapted in such a way that the yield of heterologously produced proteins is maximized, and c) extracting the heterologously produced proteins.
Dabei kann das Bereitstellen der Zellen gemäß Schritt (a) auch das Transformieren der Zellen (wie hierin beschrieben) durch geeignete Methoden wie beispielsweise die ballistische Transformation oder die Elektroporation, umfassen. The provision of the cells according to step (a) may also comprise transforming the cells (as described herein) by suitable methods such as ballistic transformation or electroporation.
Bei dem Kultivieren der transformierten Zellen gemäß Schritt (b) steht die Optimierung auf hohe Ausbeuten heterolog produzierter Proteine, insbesondere in geschlossenen Kultvierungssystemen, im Vordergrund. When culturing the transformed cells according to step (b), the focus is on optimizing high yields of heterologously produced proteins, especially in closed cultivation systems.
Das Kultivieren kann dabei im Batch-Format, sprich unter den statischen Bedingungen eines gleichbleibenden Kulturmediums, oder im Fed-Batch-Format, sprich unter regelmäßiger Zugabe von frischem Medium, erfolgen, wobei der Fachmann weiß, mit welcher Kultur er die höchste Ausbeute erreichen kann. Cultivation can be carried out in batch format, i.e. under the static conditions of a constant culture medium, or in fed-batch format, i.e. with regular addition of fresh medium, whereby the expert knows which culture can achieve the highest yield.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es unterschiedliche Kultivierungsweisen, wie Batch, Fed-Batch und die kontinuierliche Kultivierungsmethode gibt und dass sich die Erfindung auf alle Kulturweisen bezieht, insbesondere jedoch auf die Batch-Kultivierung, bei der alle Nährstoffkonzentrationen nur zu Beginn der Kultivierung eingestellt werden. It is pointed out at this point that there are different cultivation methods, such as batch, fed-batch and the continuous cultivation method, and that the invention relates to all cultivation methods, but in particular to batch cultivation, in which all nutrient concentrations are only adjusted at the beginning of the cultivation.
Bei der Fed- Batch Kultivierung werden die Nährstoffe im Laufe der Kultivierung zugeführt. Dabei ist es entscheidend, dass die mehrfache Phosphatzugabe in einer Fed-Batch Kultivierung die Induktion des (hierin beschriebenen) Promotors beschleunigt und damit die Kultivierungsdauer senkt. Zudem kann Phosphat (unabhängig von der chemischen Form, in der das Phosphat vorliegt), besonders zum Ende der Kultivierung, in geringen Mengen dazugegeben werden, um eine komplette Erschöpfung des Phosphats zu vermeiden und damit die Ausbeute zu optimieren. In fed-batch cultivation, nutrients are added during the cultivation process. It is crucial that the multiple addition of phosphate in a fed-batch cultivation accelerates the induction of the promoter (described here) and thus reduces the cultivation time. In addition, phosphate (regardless of the chemical form, in in which the phosphate is present), especially at the end of the cultivation, in small quantities to avoid complete exhaustion of the phosphate and thus optimize the yield.
Die Erfindung wird nicht auf die Kulturabfolge (Vorkultur -> Hauptkultur) beschränkt. Die Kultivierung kann auch ohne vorhergehende Vorkultur durchgeführt werden. Erfindungsgemäß werden die Zellen während der Vorkultur auf eine bestimmte Zelldichte gebracht. Anschließend werden diese Zellen in die Hauptkultur überführt. Aus der Hauptkultur wird das gewünschte Produkt gewonnen. Die Vitalität und die Teilungsrate der Zellen in der Vorkultur ist dabei entscheidend für die Biomassezunahme in der Hauptkultur, je vitaler und teilungsaktiver die Zellen in der Vorkultur, desto höher die Zunahme der Biomasse. Höhere Biomasse führt zu einer höheren Ausbeute bei der Hauptkultur. The invention is not limited to the culture sequence (pre-culture -> main culture). The cultivation can also be carried out without prior pre-culture. According to the invention, the cells are brought to a certain cell density during the pre-culture. These cells are then transferred to the main culture. The desired product is obtained from the main culture. The vitality and division rate of the cells in the pre-culture is crucial for the increase in biomass in the main culture; the more vital and actively dividing the cells in the pre-culture, the higher the increase in biomass. Higher biomass leads to a higher yield in the main culture.
Bevorzugt werden die Zellen daher im Bereich einer gewissen Teilungsrate aus der Vorkultur in die Hauptkultur überführt und erfolgt demnach zur Bestimmung des optimalen Zeitpunktes zur Überführung der Vorkultur in die Hauptkultur eine Bestimmung der Teilungsrate der Zellen. Preferably, the cells are therefore transferred from the pre-culture to the main culture at a certain division rate and, accordingly, the division rate of the cells is determined to determine the optimal time for transferring the pre-culture to the main culture.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vorkultur gemäß Schritt (b) ohne eine externe Begasung des Kulturmediums. According to a preferred embodiment, the pre-culture according to step (b) is carried out without external gassing of the culture medium.
In dieser Ausführungsform wird die Vorkultur im Bereich einer gewissen Teilungsrate, bevorzugt nach einem Zeitraum von wenigstens 4 Tagen, besonders bevorzugt von wenigstens 7 Tagen, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 12 Tagen in die Hauptkultur überführt. Der Zeitraum bezieht sich dabei auf den Kulturstart. Das Fachpersonal weiß, wie die Teilungsrate bestimmt werden kann. In this embodiment, the pre-culture is transferred to the main culture in the range of a certain division rate, preferably after a period of at least 4 days, particularly preferably at least 7 days, very particularly preferably at least 12 days. The period refers to the start of the culture. The specialist personnel knows how the division rate can be determined.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vorkultur gemäß Schritt (b) unter externer Begasung des Kulturmediums. According to a further preferred embodiment, the pre-culture according to step (b) is carried out with external gassing of the culture medium.
In dieser weiteren Ausführungsform wird die Vorkultur im Bereich einer gewissen Teilungsrate, bevorzugt nach einem Zeitraum von wenigstens 4 Tagen, besonders bevorzugt von wenigstens 7 Tagen, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 12 Tagen in die Hauptkultur überführt. Der Zeitraum bezieht sich dabei auf den Kulturstart. In this further embodiment, the pre-culture is transferred to the main culture in the range of a certain division rate, preferably after a period of at least 4 days, particularly preferably of at least 7 days, very particularly preferably of at least 12 days. The period refers to the start of the culture.
Insbesondere ist der optimale Zeitpunkt zum Überführen der Vorkultur in die Hauptkultur von der Vitalität der Zellen abhängig. Die Vitalität ist wiederum von der Nährstoffzusammensetzung des Kulturmediums abhängig. Je niedriger das Nährstoffangebot, desto schneller wird der optimale Zeitpunkt der Vorkultur zum Überführen in die Hauptkultur überschritten. Besonders relevant für die Vorkultur sind folgende Konzentrationen an Phosphat: 37 pM - 5000 M Phosphat; besonders bevorzugt 40 pM - 5000 pM; ganz besonders bevorzugt 50 pM - 5000 pM. In particular, the optimal time to transfer the pre-culture into the main culture depends on the vitality of the cells. The vitality in turn depends on the nutrient composition of the culture medium. The lower the The more nutrients are available, the faster the optimal time for transferring the pre-culture to the main culture is exceeded. The following phosphate concentrations are particularly relevant for the pre-culture: 37 pM - 5000 M phosphate; particularly preferred 40 pM - 5000 pM; most particularly preferred 50 pM - 5000 pM.
Bei Phaeodactylum tricornutum kann alternativ zur Teilungsrate die Morphologie der Zellen, insbesondere das Verhältnis zwischen doppelt und einfach vorliegenden Zellen herangezogen werden oder die Menge an Chlorophyll pro Zelle oder ein anderes, die Zellmenge repräsentierendes Maß, wie z.B. die optische Dichte (OD). In Phaeodactylum tricornutum, an alternative to the division rate can be the morphology of the cells, in particular the ratio between duplicate and single cells, or the amount of chlorophyll per cell or another measure representing the number of cells, such as the optical density (OD).
Phaeodactylum-ZeWen können unterschiedliche Morphotypen annehmen, eine fusiforme und eine ovale Form. Dabei sind beide morphologische Typen in jeder Kultur vorhanden, wobei das Verhältnis zwischen den Anteilen zwischen > 0 und < 1 variieren kann. Ein Morphologie- Wechsel kann durch folgende Methode vollzogen werden: Phaeodactylum cells can take on different morphotypes, a fusiform and an oval shape. Both morphological types are present in every culture, whereby the ratio between the proportions can vary between > 0 and < 1. A morphology change can be achieved by the following method:
1. Ausbringen der Zellen auf einer Agarplatte und Selektion von Kolonien, 1. Spreading the cells on an agar plate and selecting colonies,
2. Anschließendes Durchführen einer „Limiting Dilution“, bei der einzelne Zellen Ausgangspunkt für neue Kolonien werden, die alle dem gleichen Morphotyp angehören. 2. Subsequently, a “limiting dilution” is carried out, in which individual cells become the starting point for new colonies, all of which belong to the same morphotype.
Alternativ kann die Anreicherung oder der Wechsel zu einer bestimmten Morphologie durch physikalische oder chemische Bedingungen gefördert oder induziert werden. Alternatively, the enrichment or switch to a particular morphology can be promoted or induced by physical or chemical conditions.
Es hat sich gezeigt, dass ein Morphologie-Wechsel die Transformationseffizienz deutlich erhöhen kann/erhöht. Hierbei erreichen die fusiformen Zellen eine höhere Transformationseffizienz als ovale Zellen. Des Weiteren kann der Morphologie-Wechsel in die optimale Zellform die Ausbeute von rekombinant produzierten Proteinen deutlich erhöhen. Ein weiterer Grund, der für einen Morphologie-Wechsel spricht, ist, dass durch dieses Verfahren das „Verklumpen“ von Zellen nach dem Morphologie- Wechsel deutlich reduziert werden kann. „Verklumpte“ Zellen stören den Kultivierungsprozess, den Überwachsungsprozess und die Extraktion der heterologen Proteine. It has been shown that a change in morphology can significantly increase transformation efficiency. Fusiform cells achieve a higher transformation efficiency than oval cells. Furthermore, the change in morphology to the optimal cell shape can significantly increase the yield of recombinantly produced proteins. Another reason in favor of a change in morphology is that this process can significantly reduce the "clumping" of cells after the change in morphology. "Clumped" cells disrupt the cultivation process, the overgrowth process and the extraction of heterologous proteins.
Für den optimalen Zeitpunkt der Überführung der Vorkultur in die Hauptkultur bei Phaeodactylum tricornutum liegt das Verhältnis von einfach vorliegenden Zellen zu wenigstens zweifachen Zellketten zwischen 0,1 und 10, bevorzugt zwischen 0,1 und 4, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 3. For the optimal time of transfer of the pre-culture into the main culture in Phaeodactylum tricornutum, the ratio of single cells to at least double cell chains is between 0.1 and 10, preferably between 0.1 and 4, particularly preferably between 0.1 and 3.
Des Weiteren kann für den optimalen Zeitpunkt der Überführung der Vorkultur in die Hauptkultur bei Phaeodactylum tricornutum die Teilungsrate herangezogen werden. Dabei liegt die optimale extrapolierte oder tatsächliche wöchentliche Teilungsrate log2 > 0,1 , bevorzugt log2 > 0,2, besonders bevorzugt log2>0,3, ganz besonders bevorzugt log2>0,5, des Weiteren bevorzugt zwischen log2>= 0,5 und 20, des Weiteren besonders bevorzugt log2>= 0,5 und 10, des Weiteren ganz besonders bevorzugt log2 >= 0,5 und 5. Furthermore, the division rate can be used to determine the optimal time for transferring the pre-culture into the main culture of Phaeodactylum tricornutum. the optimal extrapolated or actual weekly division rate is log 2 > 0.1, preferably log 2 > 0.2, particularly preferably log 2 > 0.3, most preferably log 2 > 0.5, further preferably between log 2 >= 0.5 and 20, further particularly preferably log 2 >= 0.5 and 10, further particularly preferably log 2 >= 0.5 and 5.
Vorteilhafterweise wird ein Kulturmedium verwendet, welches auf die erfindungsgemäßen genetischen Elemente, insbesondere die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz oder den erfindungsgemäßen Vektor oder die erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure hin angepasst ist. Advantageously, a culture medium is used which is adapted to the genetic elements according to the invention, in particular the nucleic acid sequence according to the invention or the vector according to the invention or the isolated nucleic acid according to the invention.
Insbesondere weist das Kulturmedium Phosphat in einer Menge von 20 pM bis 300 pM, bevorzugt von 20 pM bis 400 pM, besonders bevorzugt von 20 pM bis 500 pM auf. In particular, the culture medium comprises phosphate in an amount of 20 pM to 300 pM, preferably from 20 pM to 400 pM, particularly preferably from 20 pM to 500 pM.
Phosphat spielt nicht nur bei der Aktivierung des HASP1mod-Prornotors (wie hierin definiert) eine zentrale Rolle, sondern ist auch für das Erreichen höchster Zelldichten entscheidend. Es hat sich gezeigt, dass pro: Phosphate not only plays a central role in the activation of the HASP1 mod promoter (as defined herein), but is also crucial for achieving highest cell densities. It has been shown that pro:
8 -50 Millionen Zellen*!.'1: 20 pM - 500 pM Phosphat, 8 -50 million cells*!.' 1 : 20 pM - 500 pM phosphate,
Bevorzugt 12 -50 Millionen Zellen*!.'1: 20 pM - 400 pM Phosphat, besonders bevorzugt 15 -50 Millionen Zellen*!.'1: 20 pM - 300 pM Phosphat, im Medium benötigt werden. So kann die nötige Phosphatmenge berechnet werden, um die gewünschte Biomasse zu erreichen und eine vorzeitige Phosphat-Erschöpfung zu vermeiden. Preferably 12 -50 million cells*!.' 1 : 20 pM - 400 pM phosphate, particularly preferably 15 -50 million cells*!.' 1 : 20 pM - 300 pM phosphate, are required in the medium. In this way, the amount of phosphate required to achieve the desired biomass and avoid premature phosphate depletion can be calculated.
Hierbei ist zu erwähnen, dass Phosphatkonzentrationen von über 360 pM besonders für die Regulation des hierin beschriebenen HASP1mod-Prornotors geeignet sind. Durch solch hohe Konzentrationen kann die Expressionsrate des HASP1mod-Prornotors nicht nur sehr effizient und über einen längeren Zeitraum gehemmt, sondern auch eine höhere Zelldichte erreicht werden, bevor es - durch Verbrauch von Phosphat - zu einer starken Expressionssteigerung kommt. Somit stellt der H AS P1mod- Pro motor die ideale Steuerung bereit, einerseits hohe Zelldichten ohne Expression des kontrollierten Gens zu erreichen bevor die Expression durch Abbau von Phosphat massiv gesteigert wird. Andererseits ist seine Expressionsstärke sehr fein steuerbar und die maximal möglichen Expressionsraten sehr hoch. It should be noted that phosphate concentrations of over 360 pM are particularly suitable for the regulation of the HASP1 mod promoter described here. Such high concentrations not only inhibit the expression rate of the HASP1 mod promoter very efficiently and over a longer period of time, but also allow a higher cell density to be achieved before a strong increase in expression occurs due to the consumption of phosphate. The H AS P1 mod promoter thus provides the ideal control to achieve high cell densities without expression of the controlled gene before expression is massively increased by the degradation of phosphate. On the other hand, its expression strength can be controlled very finely and the maximum possible expression rates are very high.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kulturmedium als Kohlenstoffquelle Glycerin in einer Menge von mehr als 50 mM, bevorzugt mehr als 60 mM, besonders bevorzugt mehr als 70 mM, ganz besonders bevorzugt mehr als 80 mM, weiter bevorzugt mehr als 90 mM, insbesondere mehr als 100 mM auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das initiale Kulturmedium als Kohlenstoffquelle Glucose in einer Menge von mehr als 0,5 g/L, bevorzugt mehr als 1 g/L, besonders bevorzugt mehr als 2 g/L, ganz besonders bevorzugt mehr als 5 g/L, weiter bevorzugt mehr als 10 g/L, insbesondere mehr als 20 g/L auf. According to a preferred embodiment, the culture medium comprises glycerol as carbon source in an amount of more than 50 mM, preferably more than 60 mM, particularly preferably more than 70 mM, very particularly preferably more than 80 mM, further preferably more than 90 mM, in particular more than 100 mM. According to a further preferred embodiment, the initial culture medium comprises glucose as carbon source in an amount of more than 0.5 g/L, preferably more than 1 g/L, particularly preferably more than 2 g/L, very particularly preferably more than 5 g/L, further preferably more than 10 g/L, in particular more than 20 g/L.
Im Verlauf der gesamten, weiteren Kultivierung erfolgt eine Gabe von Glucose 0,5 g/L, bevorzugt mehr als 1 g/L, besonders bevorzugt mehr als 2 g/L, ganz besonders bevorzugt mehr als 5 g/L, weiter bevorzugt mehr als 10 g/L, insbesondere mehr als 20 g/L alle 2 bis 14 Tage; bevorzugt alle 2 bis 10 Tage, besonders bevorzugt alle 3 bis 7 Tage. Die Gabe kann nur Glucose beinhalten aber auch andere Nährstoffe wie Phosphat, beliebige Stickstoffquelle besonders bevorzugt Salze des NO3. Dabei kann entweder das komplette Medium ausgewechselt oder die Nährstoffe direkt zur Kultur zugegeben werden (kontinuierliche Kultur oder Fed-Batch). During the entire further cultivation, glucose is administered at 0.5 g/L, preferably more than 1 g/L, particularly preferably more than 2 g/L, very particularly preferably more than 5 g/L, further preferably more than 10 g/L, in particular more than 20 g/L every 2 to 14 days; preferably every 2 to 10 days, particularly preferably every 3 to 7 days. The administration can contain only glucose but also other nutrients such as phosphate, any nitrogen source, particularly preferably NO3 salts. Either the entire medium can be replaced or the nutrients can be added directly to the culture (continuous culture or fed-batch).
Alternativ kann als Kohlenstoffquelle Acetat, Saccharose, Fructose, Stärke oder eine gleichwertige Kohlenstoffquelle im Kulturmedium vorhanden sein. Alternatively, acetate, sucrose, fructose, starch or an equivalent carbon source may be present in the culture medium as a carbon source.
Eine Kohlenstoffquelle ist notwendig, da die Lichtdurchflutung des Mediums kontinuierlich durch die steigende Zelldichte reduziert wird. A carbon source is necessary because the light penetration of the medium is continuously reduced by the increasing cell density.
Trotz Kohlenstoffquelle ist das Wachstum durch das Lichtangebot begrenzt: Es hat sich herausgestellt, dass Licht-bedingt das Zellwachstum bei einer Zelldichte zwischen 30 Millionen Zellen*ml-1 Millionen und 400 Millionen Zellen*ml-1 signifikant abnimmt. Somit wird bei einer Zelldichte zwischen 35 Millionen Zellen*ml-1 und 350 Millionen Zellen*ml’1, bevorzugt bei einer Zelldichte zwischen 40 Millionen Zellen*ml-1 und 300 Millionen Zellen*ml_ 1, besonders bevorzugt bei einer Zelldichte zwischen 45 Millionen Zellen*ml-1 und 400 Millionen Zellen*ml-1 und insbesondere bevorzugt bei einer Zelldichte zwischen 55 Millionen Zellen*ml-1 und 200 Millionen Zellen*ml-1 entweder ein Licht-unabhängiges Zellwachstum oder eine kontinuierliche Verdünnung der Zellkultur oder ein Verfahren benötigt, welches eine Lichtdurchflutung des Mediums ermöglicht. Glycerin und oder Glucose haben sich in den hierin angegebenen Mengen für die Produktion einer hohen Biomasse mit gleichzeitiger hoher Produktion an heterologem Protein als besonders vorteilhaft erwiesen. Despite the carbon source, growth is limited by the light supply: It has been found that light-related cell growth decreases significantly at a cell density between 30 million cells*ml -1 million and 400 million cells*ml -1 . Thus, at a cell density between 35 million cells*ml -1 and 350 million cells*ml' 1 , preferably at a cell density between 40 million cells*ml -1 and 300 million cells*ml _ 1 , particularly preferably at a cell density between 45 million cells*ml -1 and 400 million cells*ml -1 and especially preferably at a cell density between 55 million cells*ml -1 and 200 million cells*ml -1 , either light-independent cell growth or continuous dilution of the cell culture or a process which allows light to penetrate the medium is required. Glycerol and/or glucose have proven to be particularly advantageous in the amounts stated here for the production of high biomass with simultaneous high production of heterologous protein.
Weiterhin bevorzugt weist das Kulturmedium Stickstoff, bevorzugt in Form von NO3 und/oder NH4, in einer Menge von mehr als 10 mM, bevorzugt mehr als 15 mM, besonders bevorzugt mehr als 20 mM, ganz besonders bevorzugt mehr als 30 mM, weiter bevorzugt mehr als 40 mM, insbesondere mehr als 50 mM auf. Dabei ist vorteilhafterweise eine ausreichende Verfügbarkeit einer Stickstoffquelle, insbesondere in Form von NO3 und/oder NH4, entscheidend für die optimale Proteinproduktion. Liegt die Stickstoffkonzentration unter einem kritischen Wert, so kann die Zelldichte selbst zwar unbeeinflusst bleiben, die Proteinausbeute sinkt jedoch dramatisch ab. Um Einbußen in der Ausbeute zu vermeiden, muss die Stickstoffmenge zum Erreichen einer bestimmten Zelldichte in einem bestimmten Bereich liegen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können dabei NH4 und/oder NO3 in jeglicher chemischen Form und Bindung vorliegen. Furthermore, the culture medium preferably comprises nitrogen, preferably in the form of NO 3 and/or NH 4 , in an amount of more than 10 mM, preferably more than 15 mM, particularly preferably more than 20 mM, very particularly preferably more than 30 mM, further preferably more than 40 mM, in particular more than 50 mM. In this case, a sufficient availability of a nitrogen source, particularly in the form of NO 3 and/or NH 4 , is advantageously crucial for optimal protein production. If the nitrogen concentration is below a critical value, the cell density itself may remain unaffected, but the protein yield drops dramatically. In order to avoid losses in yield, the amount of nitrogen to achieve a certain cell density must be within a certain range. Within the scope of the present invention, NH 4 and/or NO 3 can be present in any chemical form and bond.
Stickstoff wird dabei entweder initial und/oder sukzessive zugeführt, um die angegebenen Werte zu erreichen. Bevorzugt wird Stickstoff initial und sukzessive zugegeben. Nitrogen is added either initially and/or gradually to achieve the specified values. Nitrogen is preferably added initially and gradually.
Bevorzugt beträgt die initiale N03-Konzentration des Kulturmediums zwischen 5 mM und 250 mM, bevorzugt zwischen 10 mM und 250 mM, besonders bevorzugt zwischen 20 mM und 250 mM, insbesondere bevorzugt zwischen 50 mM und 250 mM. Preferably, the initial N0 3 concentration of the culture medium is between 5 mM and 250 mM, preferably between 10 mM and 250 mM, particularly preferably between 20 mM and 250 mM, especially preferably between 50 mM and 250 mM.
Bevorzugt beträgt die sukzessive NO3-Gabe zum Kulturmediums zwischen 5 mM und 250 mM, bevorzugt zwischen 10 mM und 250 mM, besonders bevorzugt zwischen 20 mM und 250 mM, insbesondere bevorzugt zwischen 50 mM und 250 mM. Preferably, the successive NO 3 addition to the culture medium is between 5 mM and 250 mM, preferably between 10 mM and 250 mM, particularly preferably between 20 mM and 250 mM, especially preferably between 50 mM and 250 mM.
Wird als Stickstoffquelle NH4 verwendet, so erfolgt vorzugsweise ein kontinuierliches Monitoring des pH-Wertes, sowie eine kontinuierliche Pufferung des Kulturmediums, da andernfalls ein Abfall des pH-Wertes zu einer starken Reduktion der Vitalität der Zellkultur führt. If NH 4 is used as a nitrogen source, continuous monitoring of the pH value and continuous buffering of the culture medium are preferred, since otherwise a drop in the pH value leads to a strong reduction in the vitality of the cell culture.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kulturmedium eine initiale Menge an Mikronährstoffen/Spurenelementen und Vitaminen von dem 2- bis 400-fachen, bevorzugt dem 3- bis 400-fachen, besonders bevorzugt dem 4- bis 400-fachen, ganz besonders bevorzugt von dem 5- bis 400-fachen über der jeweiligen „normalen“ Konzentration auf. According to a further advantageous embodiment, the culture medium has an initial amount of micronutrients/trace elements and vitamins of 2 to 400 times, preferably 3 to 400 times, particularly preferably 4 to 400 times, very particularly preferably 5 to 400 times above the respective “normal” concentration.
„Normale“ Konzentrationen für Spurenelemente und Vitamine wurden für die Kultivierung von Kieselalgen beschrieben und sind dem Fachmann bekannt. Sie können von Publikation zu Publikation abweichen. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegenden Referenzwerte für „normale“ Konzentrationen beziehen sich auf das f/2-Medium und sind im Folgenden dargestellt: Tabelle 1 : Zusammensetzung der Medien: enthaltene Spurenelemente. "Normal" concentrations for trace elements and vitamins have been described for the cultivation of diatoms and are known to those skilled in the art. They can vary from publication to publication. The reference values for "normal" concentrations within the scope of the present invention refer to the f/2 medium and are shown below: Table 1: Composition of the media: trace elements contained.
Tabelle 2: Spurenelemente, die in erhöhten Konzentrationen dem Medium zugesetzt werden.Table 2: Trace elements added to the medium in increased concentrations.
Hier sind die typischen Konzentrationen des f/2-Mediums (Guillard, 1975) aufgeführt. The typical concentrations of the f/2 medium (Guillard, 1975) are listed here.
Beispielhafte Vitamine, welche in der angegebenen erhöhten Konzentration im Kulturmedium enthalten sind, sind Biotin (standardmäßig in „normaler“ Konzentration von 2 pM eingesetzt), Cyanocobalamin (standardmäßig in „normaler“ Konzentration von 0,37 pM eingesetzt) und Thiamin (standardmäßig in „normaler“ Konzentration von 297 pM eingesetzt). Examples of vitamins that are included in the culture medium at the indicated increased concentration are biotin (used as standard in a “normal” concentration of 2 pM), cyanocobalamin (used as standard in a “normal” concentration of 0.37 pM) and thiamine (used as standard in a “normal” concentration of 297 pM).
Das Kulturmedium weist bevorzugt einen pH-Wert von 6 bis 9,5, bevorzugt von 6,5 bis 9, besonders bevorzugt von 7 bis 8,5 auf. Vorzugsweise wird das Kulturmedium mittels Tris- Puffer gepuffert, wobei auch andere, dem Fachmann bekannte pufferaktive Substanzen geeignet sind, welche im genannten pH-Bereich eine gleichwertige Eigenschaft besitzen, beispielsweise HEPES- oder MOPS- Puffer. The culture medium preferably has a pH of 6 to 9.5, preferably 6.5 to 9, particularly preferably 7 to 8.5. The culture medium is preferably buffered using Tris buffer, although other buffer-active substances known to the person skilled in the art may also be used. which have equivalent properties in the pH range mentioned, for example HEPES or MOPS buffers.
Insbesondere enthält das Kulturmedium mehr als 2,5 mM Tris-HCI, pH 8, bevorzugt mehr als 5 mM Tris-HCI, pH 8, besonders bevorzugt mehr als 7,5 mM Tris-HCI, pH 8, ganz besonders bevorzugt mehr als 10 mM Tris-HCI, pH 8. In particular, the culture medium contains more than 2.5 mM Tris-HCl, pH 8, preferably more than 5 mM Tris-HCl, pH 8, particularly preferably more than 7.5 mM Tris-HCl, pH 8, very particularly preferably more than 10 mM Tris-HCl, pH 8.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kulturmedium eine Sauerstoffsättigung im Bereich von 40 % bis 100 %, bevorzugt im Bereich von 50 % bis 100 %, besonders bevorzugt im Bereich von 60 % bis 100 %, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 70 % bis 100 %, insbesondere im Bereich von 80 % bis 100 %, auf. According to a preferred embodiment, the culture medium has an oxygen saturation in the range of 40% to 100%, preferably in the range of 50% to 100%, particularly preferably in the range of 60% to 100%, very particularly preferably in the range of 70% to 100%, in particular in the range of 80% to 100%.
Insbesondere bei höheren Zelldichten hat die Kohlenstoffquelle (beispielsweise in Form von Glycerin, Acetat, Glucose, Saccharose, Fructose, Stärke) des Kulturmediums einen starken Einfluss auf die Zunahme der Biomasse. Bei geringer Lichtverfügbarkeit wirkt nicht mehr das CO2, sondern O2 als Treiber des Zellwachstums. Sauerstoff kann dem Kulturmedium entweder aus der Luft oder als konzentriertes O2 oder als Gemisch, welches O2 enthält, zugeführt werden. Entscheidend ist dabei die Sättigung des Kulturmediums mit O2. Particularly at higher cell densities, the carbon source (for example in the form of glycerol, acetate, glucose, sucrose, fructose, starch) of the culture medium has a strong influence on the increase in biomass. When light availability is low, it is no longer CO2 but O2 that drives cell growth. Oxygen can be added to the culture medium either from the air or as concentrated O2 or as a mixture containing O2 . The decisive factor here is the saturation of the culture medium with O2.
Bei heterotrophen oder mixotrophen Bedingungen erfolgt die Kultivierung mit Luft oder O2 oder einem Gemisch, das O2 enthält. Diese Weise der Belüftung sorgt dafür, dass das Kulturmedium mit Sauerstoff versorgt bleibt. In heterotrophic or mixotrophic conditions, cultivation is carried out with air or O 2 or a mixture containing O 2. This type of aeration ensures that the culture medium remains supplied with oxygen.
Bei der Belüftung mit Luft liegt die initiale Belüftung bei wenigstens 1 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, bevorzugt bei wenigstens 2 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, besonders bevorzugt bei wenigstens 3 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, ganz besonders bevorzugt bei wenigstens 4 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. Es erfolgt vorzugsweise eine sukzessive Erhöhung der Belüftung mit Luft auf wenigstens 8 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. When aerating with air, the initial aeration is at least 1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly preferably at least 4 L * min -1 * L -1 culture medium. The aeration with air is preferably gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
Bei der Belüftung mit Sauerstoff liegt die initiale Belüftung bei wenigstens 0,1 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, bevorzugt bei wenigstens 0,2 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, besonders bevorzugt bei wenigstens 0,3 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, ganz besonders bevorzugt bei wenigstens 0,4 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. Es erfolgt vorzugsweise eine sukzessive Erhöhung der Belüftung mit O2 und/oder Luft auf wenigstens 8 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. Für die photoautotrophe Kultivierung wird zur Belüftung des Kulturmediums vorzugsweise ein Gasgemisch, welches Luft oder ein anderes Gasgemisch mit CO2 enthält, verwendet. Dabei liegt auch in diesem Anwendungsfall die initiale Belüftung bei der Belüftung mit Luft bei wenigstens 1 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, bevorzugt bei wenigstens 2 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, besonders bevorzugt bei wenigstens 3 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, ganz besonders bevorzugt bei wenigstens 4 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. Es erfolgt vorzugsweise eine sukzessive Erhöhung der Belüftung mit Luft auf wenigstens 8 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. When aerating with oxygen, the initial aeration is at least 0.1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 0.2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 0.3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly preferably at least 0.4 L * min -1 * L -1 culture medium. The aeration with O 2 and/or air is preferably gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium. For photoautotrophic cultivation, a gas mixture containing air or another gas mixture with CO 2 is preferably used to aerate the culture medium. In this application, the initial aeration when aerating with air is also at least 1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly particularly preferably at least 4 L * min -1 * L -1 culture medium. Preferably, the aeration with air is gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
Bei der Belüftung mit einem CO2 enthaltendem Gasgemisch liegt der CO2-Gehalt der initialen Belüftung bei wenigstens 0,1 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, bevorzugt bei wenigstens 0,2 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, besonders bevorzugt bei wenigstens 0,3 L * min-1 * L-1 Kulturmedium, ganz besonders bevorzugt bei wenigstens 0,4 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. Es erfolgt vorzugsweise eine sukzessive Erhöhung der Belüftung mit CO2 auf wenigstens 8 L * min-1 * L-1 Kulturmedium. When aerating with a gas mixture containing CO 2 , the CO 2 content of the initial aeration is at least 0.1 L * min -1 * L -1 culture medium, preferably at least 0.2 L * min -1 * L -1 culture medium, particularly preferably at least 0.3 L * min -1 * L -1 culture medium, very particularly preferably at least 0.4 L * min -1 * L -1 culture medium. The aeration with CO 2 is preferably gradually increased to at least 8 L * min -1 * L -1 culture medium.
Eine erhöhte Belüftung führt dabei zu einem deutlich schnelleren Zuwachs der Biomasse.Increased ventilation leads to a significantly faster growth of biomass.
Ein weiterer, wesentlicher Parameter für die optimierte Kultivierung in Bezug auf Biomasse und heterologer Proteinproduktion stellt die Art (bezüglich des verwendeten Spektrums) und Stärke der Belichtung dar. Another essential parameter for optimized cultivation in terms of biomass and heterologous protein production is the type (regarding the spectrum used) and intensity of the light exposure.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Kulturmedium während der Kultivierung gemäß Schritt (b) einer Belichtung mit einer Belichtungsstärke (Lichtintensität) von 20 - 400 pmol *nr2 * s-1, bevorzugt von 40 - 400 pmol *nr2 * s-1, besonders bevorzugt von 60 - 400 pmol *nr2 * s-1, ganz besonders bevorzugt von 80 - 400 pmol *nr2 * s-1, insbesondere von 100 - 400 pmol *nr2 * s-1 ausgesetzt, gemessen im Inneren des Kulturmediums, vorzugsweise mittig in dem Kulturmedium. According to a further preferred embodiment, the culture medium is exposed during the cultivation according to step (b) to an illumination with an illumination intensity (light intensity) of 20 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , preferably of 40 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , particularly preferably of 60 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , very particularly preferably of 80 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , in particular of 100 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , measured in the interior of the culture medium, preferably in the middle of the culture medium.
Die Messung der Belichtungsstärke erfolgt bevorzugt entweder mit einem PAR-Sensor oder einem ePAR-Sensor (Extended Photosynthetically Active Radiation), welche beide die Messung der Gesamtphotonenflussintensität erlauben, wobei der Messbereich der ePAR Sensoren (400 nm bis 750 nm) im Spektrum über den von PAR-Sensoren (400 nm bis 700 nm) hinausgeht. Alternativ kann die Messung der Belichtungsstärke mit einem anderen geeigneten Lichtintensität und Spektrum erfassenden Sensor erfolgen. The measurement of the light intensity is preferably carried out either with a PAR sensor or an ePAR sensor (Extended Photosynthetically Active Radiation), both of which allow the measurement of the total photon flux intensity, whereby the measuring range of the ePAR sensors (400 nm to 750 nm) in the spectrum exceeds that of PAR sensors (400 nm to 700 nm). Alternatively, the measurement of the light intensity can be carried out with another suitable sensor that detects light intensity and spectrum.
Vorzugsweise ist der verwendete Sensor zur Lichtmessung in einem Winkel von 90 ° zur Lichtquelle ausgerichtet. Dabei befindet sich der Sensor in einer Entfernung relativ zur Gefäßwand, die der Lichtquelle am nächsten steht von dem 0,3- bis 0,5-fachen des Durchmessers des Kultivierungsgefäßes. Preferably, the sensor used for measuring light is aligned at an angle of 90° to the light source. The sensor is located at a distance relative to the vessel wall closest to the light source of 0.3 to 0.5 times the diameter of the cultivation vessel.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine sukzessive Erhöhung der Belichtungsstärke um 20 - 400 pmol *nr2 * s-1, bevorzugt von 40 - 400 pmol *nr2 * s-1, besonders bevorzugt von 60 - 400 pmol *rrr2 * s-1, ganz besonders bevorzugt von 80 - 400 pmol *m-2 * s-1, insbesondere von 100 - 400 pmol *m-2 * s-1 erfolgt, gemessen (wie hierin beschrieben) im Inneren des Kulturmediums, vorzugsweise mittig in dem Kulturmedium. It can further be provided that a successive increase in the exposure intensity by 20 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , preferably from 40 - 400 pmol *nr 2 * s -1 , particularly preferably from 60 - 400 pmol *rrr 2 * s -1 , most preferably 80 - 400 pmol *m -2 * s -1 , in particular 100 - 400 pmol *m -2 * s -1 , measured (as described herein) in the interior of the culture medium, preferably in the middle of the culture medium.
Im Anschluss an das Kultivieren der transformierten Zellen erfolgt erfindungsgemäß die Extraktion der heterolog produzierten Proteine. Following the cultivation of the transformed cells, the heterologously produced proteins are extracted according to the invention.
Neben dem heterolog produzierten Protein bzw. den heterolog produzierten Proteinen, hierin auch bezeichnet als protein of interest, können die aufgeschlossenen Zellen eine Vielzahl von niedermolekularen Substanzen enthalten, welche für die nachfolgenden Prozesse einen Störfaktor darstellen können. Zu diesen Substanzen zählen beispielsweise Pigmente, also Farbmittel, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Es hat sich herausgestellt, dass nach dem Abkühlen der aufgeschlossenen Zellen, insbesondere der aufgeschlossenen Kieselalgenzellen, die Pigmente abgetrennt werden können, was durch gängige Abtrennungsverfahren wie beispielsweise Zentrifugation oder Filtration erfolgen kann. Dazu werden bei den Abtrennungsverfahren die folgenden Temperaturen eingestellt: bevorzugt maximal 4 °C, besonders bevorzugt maximal 2 °C und ganz besonders bevorzugt maximal 0 °C. Weiterhin liegt der pH-Wert des Aufschlusspuffers bevorzugt zwischen pH 2 - 12 und besonders bevorzugt zwischen pH 4 - 10. In addition to the heterologously produced protein or proteins, also referred to herein as protein of interest, the disrupted cells can contain a large number of low molecular weight substances that can represent a disruptive factor for the subsequent processes. These substances include, for example, pigments, i.e. colorants that are visible to the naked eye. It has been found that after cooling the disrupted cells, in particular the disrupted diatom cells, the pigments can be separated, which can be done using common separation methods such as centrifugation or filtration. For this purpose, the following temperatures are set in the separation methods: preferably a maximum of 4 °C, particularly preferably a maximum of 2 °C and very particularly preferably a maximum of 0 °C. Furthermore, the pH value of the disruption buffer is preferably between pH 2 - 12 and particularly preferably between pH 4 - 10.
Das Extrahieren der heterolog produzierten Proteine erfolgt darüber hinaus durch dem Fachmann bekannte Methoden. The extraction of the heterologously produced proteins is also carried out by methods known to the person skilled in the art.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EXAMPLES OF IMPLEMENTATION
Anhand folgender Figuren und Ausführungsbeispiele wird die vorliegende Erfindung näher erläutert, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken. The present invention is explained in more detail with reference to the following figures and embodiments, without limiting the invention to these.
Dabei zeigt This shows
Fig. 1 : Eine schematische Übersicht über den Zusammenhang einzelner Erfindungsgegenstände; Fig. 1: A schematic overview of the relationship between individual invention objects;
Fig. 2A: die Repetition von zwei Promotoren; Fig. 2A: the repetition of two promoters;
Fig. 2B: einen erfindungsgemäßen Vektor mit repetitiv eingesetzten Expressionskassetten; Fig. 2B: a vector according to the invention with repetitively inserted expression cassettes;
Fig. 3: ein Diagramm zur Ausbildung der Fluoreszenz in Abhängigkeit von der Kopienzahl des verwendeten Promotors in einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz oder einem erfindungsgemäßen Vektor; Fig. 3: a diagram showing the formation of fluorescence as a function of the copy number of the promoter used in a nucleic acid sequence according to the invention or a vector according to the invention;
Fig. 4A: ein Diagramm zur Verteilung der Signalintensitäten in Abhängigkeit von der Anzahl der Expressionskassetten in einem erfindungsgemäßen Vektor; Fig. 4A: a diagram showing the distribution of signal intensities depending on the number of expression cassettes in a vector according to the invention;
Fig. 4B: ein Diagramm zur Anzahl transgener Kolonien und dem Anteil fluoreszierender Klone in Abhängigkeit von der Anzahl der Expressionskassetten in einem erfindungsgemäßen Vektor; Fig. 4B: a diagram of the number of transgenic colonies and the proportion of fluorescent clones as a function of the number of expression cassettes in a vector according to the invention;
Fig. 5A: ein Diagramm zur Verteilung der Signalintensitäten in Abhängigkeit von der Art der Vektormodifikation im Bezug auf ein Replikon; Fig. 5A: a diagram showing the distribution of signal intensities depending on the type of vector modification with respect to a replicon;
Fig. 5B: einen Nachweis der Ausbildung eines Replikon in Phaeos; Fig. 5B: Evidence of the formation of a replicon in Phaeos;
Fig. 6A: das Resultat dreier Gelelektrophoresen zum Vergleich des proteolytischen Abbaus abhängig von der verwendeten Hinge-Region; Fig. 6A: the result of three gel electrophoreses comparing the proteolytic degradation depending on the hinge region used;
Fig. 6B: die erfindungsgemäße Aminosäuresequenz der Hinge-Region; Fig. 6B: the amino acid sequence of the hinge region according to the invention;
Fig. 7: ein Diagramm zur Abhängigkeit des HASP1 mod-Prornotors durch Phosphatverbrauch bzw. Repression des HASP1 mod-Prornotors durch regelmäßige Phosphatzugabe; Fig. 7: a diagram showing the dependence of the HASP1 mod promoter on phosphate consumption or repression of the HASP1 mod promoter by regular phosphate addition;
Fig. 8A: ein Diagramm zur Abhängigkeit zwischen Zelldichte und gemessenem GFP- Signal; Fig. 8A: a diagram showing the dependence between cell density and measured GFP signal;
Fig. 8B: ein Diagramm zu den Reaktionen sieben unabhängiger Klone auf einen Phosphatmangel im Vergleich zu einem Diagramm der gleichen Klone unter Phosphatzugabe; Fig. 9: ein Diagramm zur Phosphatmangel-abhängigen Aktivierung des erfindungsgemäßen HASP1 mod-Prornotors; Fig. 8B: a graph of the responses of seven independent clones to phosphate deficiency compared to a graph of the same clones under phosphate addition; Fig. 9: a diagram of the phosphate deficiency-dependent activation of the HASP1 mod promoter according to the invention;
Fig. 10: ein Diagramm zur Verkürzung des Erntezyklus durch Phosphatzugabe; Fig. 10: a diagram showing the shortening of the harvest cycle by phosphate addition;
Fig. 11 : eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vektors; Fig. 11: an embodiment of a vector according to the invention;
Fig. 12: ein Diagramm zum Vergleich der tGFP-Signal Intensitäten unabhängiger Klone zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten in 96-Well Platten mit der Referenz in 100 ml Kolben.; Fig. 12: a graph comparing the tGFP signal intensities of independent clones at three different time points in 96-well plates with the reference in 100 ml flasks.;
Fig. 13A: Mikroskopische Aufnahme von fusiformen Zellen von P. tricornutunr, Fig. 13A: Microscopic image of fusiform cells of P. tricornutunr,
Fig. 13B: Mikroskopische Aufnahme von ovalen Zellen von P. tricornutunr, Fig. 13B: Microscopic image of oval cells of P. tricornutunr,
Fig. 13C/D: Diagramme zur Korrelation der Optischen Dichte und der Zellzahl bei fusiformen Zellen (C) und ovalen Zellen (D) von P. tricornutunr, Fig. 13C/D: Diagrams of the correlation of optical density and cell number in fusiform cells (C) and oval cells (D) of P. tricornutunr,
Fig. 13E: ein Diagramm zur Korrelation zwischen erwarteter und gemessener Optischer Dichte in Abhängigkeit von der Zelldichte; Fig. 13E: a diagram showing the correlation between expected and measured optical density as a function of cell density;
Fig. 14: ein Diagramm zur Korrelation zwischen ELISA-Signalen und GFP-Signalen im Anschluss an ein erfindungsgemäßes Screening-Verfahren; Fig. 14: a diagram showing the correlation between ELISA signals and GFP signals following a screening method according to the invention;
Fig. 15A: eine mikroskopische Aufnahme von P. tricornutum-ZeWerr, Fig. 15A: a microscopic image of P. tricornutum-ZeWerr,
Fig. 15B: ein Diagramm zum Anteil an verschiedenen Zellformen in Abhängigkeit vom Kulturalter; Fig. 15B: a diagram showing the proportion of different cell types depending on the culture age;
Fig. 15C: eine Darstellung von Vitalität und Teilungsrate der Zellen einer Vorkultur von P. tricornutum zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Laufe der Kultivierung; Fig. 15C: a representation of viability and division rate of cells of a preculture of P. tricornutum at different times during the cultivation;
Fig. 15D: ein Diagramm zum Wachstum der Hauptkultur in Abhängigkeit vom Alter der Vorkultur; Fig. 15D: a diagram showing the growth of the main culture depending on the age of the previous culture;
Fig. 16A: ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Proteinproduktion, Kulturalter und Menge der Stickstoffquelle; Fig. 16A: a diagram showing the relationship between protein production, culture age and amount of nitrogen source;
Fig. 16B: ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Zelldichte, Kulturalter und Menge der Stickstoffquelle; Fig. 16B: a diagram showing the relationship between cell density, culture age and amount of nitrogen source;
Fig. 16C: ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Proteinproduktion, Kulturalter und Menge der Harnstoffquelle; Fig. 16C: a diagram showing the relationship between protein production, culture age and amount of urea source;
Fig. 16D: ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Zelldichte, Kulturalter und Menge der Harnstoffquelle; Fig. 16D: a diagram showing the relationship between cell density, culture age and amount of urea source;
Fig. 17: ein Diagramm zur Abhängigkeit des Zellwachstums von der Phosphatkonzentration; Fig. 18: ein Diagramm zur Abhängigkeit der absoluten Biomasse von der verfügbaren Konzentration an Spurenelementen und Vitaminen; Fig. 17: a diagram showing the dependence of cell growth on phosphate concentration; Fig. 18: a diagram showing the dependence of absolute biomass on the available concentration of trace elements and vitamins;
Fig. 19: ein Diagramm zur Abhängigkeit der Zunahme der Zellzahl von der Belüftung;Fig. 19: a diagram showing the dependence of the increase in cell number on ventilation;
Fig. 20: das Resultat von Gelelektrophoresen nach Aufschluss, Abtrennung von Pigmenten und Aufreinigung von Antikörpern im IgG-Format aus P. tricornutunr, Fig. 20: the result of gel electrophoresis after digestion, separation of pigments and purification of antibodies in IgG format from P. tricornutunr,
Fig. 21 : Korrelation zwischen Fluoreszenz und Expressionsrate in 10 unabhängigen Klonen; und Fig. 21 : Correlation between fluorescence and expression rate in 10 independent clones; and
Fig. 22: Ein Diagramm zum Vergleich der Bindungsaffinität zweier Kieselalgen Antikörper(formate) mit den sequenzgleichen aus humaner Zellkultur (Expi293F). Fig. 22: A diagram comparing the binding affinity of two diatom antibodies (formats) with those of the same sequence from human cell culture (Expi 293F ).
Die Figur 1 zeigt eine schematische Übersicht über den Zusammenhang einzelner Erfindungsgegenstände. Alle dargestellten Teilschritte (einzeln oder in Kombination) führen zu einer Verbesserung/Optimierung der heterologen Produktion von Proteinen, insbesondere von Antikörpern, insbesondere in der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum. Figure 1 shows a schematic overview of the relationship between individual invention subjects. All of the sub-steps shown (individually or in combination) lead to an improvement/optimization of the heterologous production of proteins, in particular antibodies, in particular in the diatom Phaeodactylum tricornutum.
Wie bereits im Einzelnen erläutert, erfolgt zunächst eine Sequenzoptimierung (1) einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz. Diese kann beispielsweise eine Codonoptimierung und/oder die Verwendung besonders Protease-resistenter genetischer Elemente (wie hierin beschrieben), wie beispielsweise Hinge-Regionen, die aus equinen IgGs (Immunoglobulin G) abgeleitet wurden, beinhalten. As already explained in detail, a sequence optimization (1) of a nucleic acid sequence according to the invention is first carried out. This can include, for example, codon optimization and/or the use of particularly protease-resistant genetic elements (as described herein), such as hinge regions derived from equine IgGs (immunoglobulin G).
Die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz wird anschließend in einen erfindungsgemäßen Vektor (oder eine erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure) eingebracht (2), wobei einzelne genetische Elemente und/oder komplette Expressionskassetten repetitiv verwendet werden. Des Weiteren werden spezielle induzierbare Promotoren verwendet, insbesondere ein Promotorelement aus der Nukleinsäuresequenz von SEQ ID NO: 1. The nucleic acid sequence according to the invention is then introduced into a vector according to the invention (or an isolated nucleic acid according to the invention) (2), whereby individual genetic elements and/or complete expression cassettes are used repetitively. Furthermore, special inducible promoters are used, in particular a promoter element from the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1.
Durch die Nutzung bestimmter Signalsequenzen (wie hierin beschrieben) erfolgt die Expression der heterolog zu produzierenden Proteine in das Endoplasmatische Retikulum der Zellen, was zu einem Schutz der Proteine vor Proteasen und zu einer erfolgreichen Glykosylierung führt, wodurch die Ausbeute gesteigert und die Funktionalität der Proteine beibehalten wird. By using specific signal sequences (as described herein), the heterologously produced proteins are expressed in the endoplasmic reticulum of the cells, which leads to protection of the proteins from proteases and successful glycosylation, thereby increasing the yield and maintaining the functionality of the proteins.
In einem nächsten Schritt erfolgt die Transformation (3) des erfindungsgemäßen Vektors (oder der erfindungsgemäßen Nukleinsäure) in Zielzellen, bevorzugt in photosynthetisch aktive Zellen, insbesondere Zellen einer einzelligen Pflanze oder Viridiplantae, bevorzugt Zellen von Phaeodactylum tricornutum. Die Transformation kann dabei ballistisch oder mittels Elektroporation in einem geeigneten Medium erfolgen. Im Anschluss erfolgt ein erfindungsgemäßes Screening-Verfahren (4) zur Auswahl von Zellen mit einer erhöhten Expressionsrate einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz. Dabei kann ein Screening mittels Reportergenen nach Hochleistungsproduzenten, sprich nach Zellen mit erhöhter Expressionsrate durchgeführt werden. Weiterhin kann die Korrelation zwischen der Expression der Reportergene und der Expressionsstärke der zu produzierenden Proteine ermittelt werden. Vorzugsweise werden sowohl für das Screening- Verfahren als auch für die Kulturüberwachung Multiwell-Platten verwendet. In a next step, the transformation (3) of the vector according to the invention (or the nucleic acid according to the invention) into target cells takes place, preferably into photosynthetically active cells, in particular cells of a unicellular plant or viridiplantae, preferably cells of Phaeodactylum tricornutum. The transformation can take place ballistically or by means of electroporation in a suitable medium. This is followed by a screening method (4) according to the invention for selecting cells with an increased expression rate of a nucleic acid sequence according to the invention. In this case, a screening can be carried out using reporter genes for high-performance producers, i.e. for cells with an increased expression rate. Furthermore, the correlation between the expression of the reporter genes and the expression strength of the proteins to be produced can be determined. Multiwell plates are preferably used both for the screening method and for culture monitoring.
Im Anschluss an das erfindungsgemäße Screening-Verfahren (4) kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von rekombinanten Proteinen, vorzugsweise rekombinanten Antikörpern, (5) auf Basis der im Screening-Verfahren (4) ermittelten Zellen mit erhöhter Expressionsrate erfolgen. Following the screening method (4) according to the invention, a method according to the invention for producing recombinant proteins, preferably recombinant antibodies, (5) on the basis of the cells with an increased expression rate determined in the screening method (4) can be carried out.
Die Herstellung rekombinanter Proteine erfolgt dabei erfindungsgemäß in einem Kulturmedium, welches auf die verwendeten genetischen Elemente, insbesondere auf die verwendeten Promotoren, abgestimmt ist. Auch die Kultivierungsbedingungen, wie beispielsweise Mindestlichtstärken und Belüftungsmengen, sind (wie hierin definiert) angepasst. According to the invention, recombinant proteins are produced in a culture medium that is tailored to the genetic elements used, in particular to the promoters used. The cultivation conditions, such as minimum light intensities and ventilation quantities, are also adapted (as defined herein).
Sowohl in Bezug auf die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz als auch in Bezug auf den erfindungsgemäßen Vektor (6) oder die erfindungsgemäße isolierte Nukleinsäure führt die Verwendung repetitiver genetischer Elemente zu einer enormen Steigerung der Expressionsraten in P. tricornutum. Figur 2A zeigt die Repetition von zwei HASP1- Promotoren. In Figur 2B ist beispielhaft eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vektors (6) dargestellt, in welchen eine Expressionskassette (9) repetitiv eingesetzt wurde, hier in Form einer dreifachen Kassette für die Produktion von Antikörpern im scFv-Fc- Format. Insbesondere führt diese repetitive Verwendung der Expressionskassette (9) zu einer deutlichen Steigerung der Ausbeute sowie der Anzahl an Klonen bzw. dem Anteil an Klonen, die eine detektierbare Produktion zeigen, wodurch insgesamt der Prozessaufwand minimiert wird. Die Expressionskassette (9) weist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Promotorelement (9.1), eine erste Transkriptionseinheit (9.2), welche für ein rekombinant zu erzeugendes Protein codiert, sowie eine zweite Transkriptionseinheit (9.3), welche für das Reportergen tGFP codiert, auf, wobei die einzelnen genetischen Elemente (9.1 , 9.2, 9.3) in Figur 2B beispielhaft an einer Expressionskassette (9) angetragen sind, jedoch in den anderen Expressionskassetten (9) ebenfalls vorliegen. Both in relation to the nucleic acid sequence according to the invention and in relation to the vector according to the invention (6) or the isolated nucleic acid according to the invention, the use of repetitive genetic elements leads to an enormous increase in the expression rates in P. tricornutum. Figure 2A shows the repetition of two HASP1 promoters. Figure 2B shows an example of an embodiment of a vector according to the invention (6) in which an expression cassette (9) was used repetitively, here in the form of a triple cassette for the production of antibodies in the scFv-Fc format. In particular, this repetitive use of the expression cassette (9) leads to a significant increase in the yield and the number of clones or the proportion of clones that show detectable production, thereby minimizing the overall process effort. In the embodiment shown, the expression cassette (9) has a promoter element (9.1), a first transcription unit (9.2) which codes for a protein to be produced recombinantly, and a second transcription unit (9.3) which codes for the reporter gene tGFP, wherein the individual genetic elements (9.1, 9.2, 9.3) in Figure 2B are shown as an example on one expression cassette (9), but are also present in the other expression cassettes (9).
In Figur 3 ist ein Diagramm zur Ausbildung der Fluoreszenz in Abhängigkeit von derFigure 3 shows a diagram of the formation of fluorescence as a function of the
Kopienzahl des verwendeten Promotors (9.1) in einer erfindungsgemäßenCopy number of the promoter used (9.1) in a
Nukleinsäuresequenz oder einem erfindungsgemäßen Vektor (6) oder einer erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäure dargestellt. Insbesondere ist in Figur 3 die Verteilung der Mediane der GFP-Signale (mittels ODeoo normalisierte Fluoreszenz-Signale des Green Fluorescent Protein) in Abhängigkeit von dem verwendeten Promotor (9.1) dargestellt, wobei der HASP1 mod-Prornotor entweder in einfacher Ausführung (links) oder in doppelter Ausführung (rechts) eingesetzt wurde. Es ist erkennbar, dass die repetitive (hier doppelte) Verwendung des HASP1m°d-Prornotors zu einer Verstärkung der gemessenen GFP-Signale führt. nucleic acid sequence or a vector according to the invention (6) or a isolated nucleic acid according to the invention. In particular, Figure 3 shows the distribution of the medians of the GFP signals (fluorescence signals of the green fluorescent protein normalized using ODeoo) depending on the promoter used (9.1), whereby the HASP1 mod promoter was used either in a single version (left) or in a double version (right). It can be seen that the repetitive (here double) use of the HASP1 m ° d promoter leads to an amplification of the measured GFP signals.
Figur 4A zeigt ein Diagramm zur Verteilung der Signalintensitäten in Abhängigkeit von der Anzahl der Expressionskassetten (9) in einem erfindungsgemäßen Vektor (6). Es ist zu erkennen, dass eine erhöhte Anzahl an Expressionskassetten (9) im Vektor (6) zu einer Verstärkung des Fluoreszenzsignals (gemessen als normalisiertes tGFP-Signal, beachte Iog2-Skalierung) führt, was auf die verstärkte Expression des Reportergens zurückzuführen ist. In Figur 4B ist ein Diagramm zur Anzahl transgener Kolonien und dem Anteil fluoreszierender Klone in Abhängigkeit von der Anzahl der Expressionskassetten (9) in einem erfindungsgemäßen Vektor (6) dargestellt (hierbei handelt es sich um eine Iog2- Skala). Es wird deutlich, dass eine erhöhte Anzahl an Expressionskassetten (9) sowohl die Anzahl an transgenen Klonen als auch den Anteil an Klonen mit detektierbarem Fluoreszenz-Signal erhöht, wobei das fluoreszierende Signal ein direktes Maß für die Proteinproduktion/ Antikörperproduktion ist. Figure 4A shows a diagram of the distribution of the signal intensities depending on the number of expression cassettes (9) in a vector according to the invention (6). It can be seen that an increased number of expression cassettes (9) in the vector (6) leads to an increase in the fluorescence signal (measured as a normalized tGFP signal, note Iog2 scaling), which is due to the increased expression of the reporter gene. Figure 4B shows a diagram of the number of transgenic colonies and the proportion of fluorescent clones depending on the number of expression cassettes (9) in a vector according to the invention (6) (this is an Iog2 scale). It is clear that an increased number of expression cassettes (9) increases both the number of transgenic clones and the proportion of clones with a detectable fluorescence signal, with the fluorescent signal being a direct measure of protein production/antibody production.
Figur 5A verdeutlicht die Steigerung der Ausbeute an heterolog produziertem Protein in Abhängigkeit von der Verwendung von replikativen, viralen Einheiten. Dargestellt ist ein Diagramm zur Verteilung der Signalintensitäten in Abhängigkeit von der Art der Vektormodifikation im Bezug auf ein Replikon, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Replikon aus dem Weed Dwarf Virus (WDV) verwendet wurde. Die Verwendung des Replikons (rechts im Diagramm) führt zu einer deutlichen Verstärkung des Fluoreszenzsignals (gemessen als normalisiertes tGFP-Signal, beachte Iog2-Skalierung) im Vergleich zu nicht derart modifizierten Vektoren (links im Diagramm) und somit zu einer Steigerung der Ausbeute heterolog produzierter Proteine. Dem zugrunde liegt, dass das Replikon eine unabhängige Teilung der transformierten DNA ermöglicht. Dadurch erhöht sich die Kopienzahl transformierter DNA, wodurch z. B. die Transkript-Menge (mRNA) ansteigt und mehr Protein entsteht. Weiterhin kann eine erhöhte Kopienzahl der einzubringenden Transkriptionseinheit (9.2) zur Folge haben, dass diese DNA mehrfach ins Genom integriert wird, was die Chance einer Integration an einem „günstigen“ Lokus erhöht. Figure 5A illustrates the increase in the yield of heterologously produced protein depending on the use of replicative viral units. This is a diagram showing the distribution of signal intensities depending on the type of vector modification in relation to a replicon, whereby in the example shown, the replicon from the weed dwarf virus (WDV) was used. The use of the replicon (on the right in the diagram) leads to a significant increase in the fluorescence signal (measured as a normalized tGFP signal, note Iog2 scaling) compared to vectors not modified in this way (on the left in the diagram) and thus to an increase in the yield of heterologously produced proteins. This is based on the fact that the replicon enables independent division of the transformed DNA. This increases the number of copies of transformed DNA, which, for example, increases the amount of transcript (mRNA) and produces more protein. Furthermore, an increased copy number of the transcription unit to be introduced (9.2) can result in this DNA being integrated multiple times into the genome, which increases the chance of integration at a “favorable” locus.
Figur 5B zeigt eine schematische Darstellung des repModi Vektor (mit sog. Replikon modifizierter Vektor) und putativen Replikon und die Analyse einiger Klone aus dem von repModi Ansatz. Oben in der Abbildung) Schematische Darstellung des repModi Vektors und des putativen Replikons mit entsprechender Primer-Position für Nachweis und Sequenzierung. Unten links in der Abbildung) PCR-Analyse der Kontrolle und der Klone D6, E2, E12, F8 auf Antikörper und Replikon Formierung. Unten rechts in der Abbildung) Sequenzierergebnis der Replikon Amplifikate der Klone E12 und F8. Marker (M): GeneRuler 1 kb Plus. Das Primerpaar R1/R2 diente dem Nachweis einer Replikon (480 bp) Formierung und das Primerpaar AK1/AK2 diente dem Nachweis der Antikörpersequenz (390 bp). Schwarze Pfeile in der Abbildung unten links zeigen auf die jeweiligen Amplifikate auf korrekter Höhe. Figure 5B shows a schematic representation of the repModi vector (vector modified with so-called replicon) and putative replicon and the analysis of some clones from the repModi approach. Top of the figure) Schematic representation of the repModi vector and of the putative replicon with the corresponding primer position for detection and sequencing. (Bottom left in the figure) PCR analysis of the control and the clones D6, E2, E12, F8 for antibodies and replicon formation. (Bottom right in the figure) Sequencing result of the replicon amplicons of the clones E12 and F8. Marker (M): GeneRuler 1 kb Plus. The primer pair R1/R2 was used to detect a replicon (480 bp) formation and the primer pair AK1/AK2 was used to detect the antibody sequence (390 bp). Black arrows in the figure bottom left point to the respective amplicons at the correct height.
Der repModi Vektor (in Fig. 5B repModi) wurde mit genetischen Elementen aus dem Weed Dwarft Virus (WDV) ausgestattet. Die Replikon formierende Einheiten (2x LIR, RepA und SIR) flankieren dabei die Antikörperkassette und sind an der Rekombination des Vektors beteiligt. Nach dem Rekombinationsereignis besteht der Vektor aus einem LIR-Element, dem RepA, dem SIR-Element und der Antikörperkassette, das Backbone und ein LIR-Element werden entfernt. Eine solche Einheit ist in der Lage, sich im Wirtsorganismus unabhängig zu Replizieren. The repModi vector (in Fig. 5B repModi) was equipped with genetic elements from the weed dwarf virus (WDV). The replicon forming units (2x LIR, RepA and SIR) flank the antibody cassette and are involved in the recombination of the vector. After the recombination event, the vector consists of a LIR element, the RepA, the SIR element and the antibody cassette, the backbone and a LIR element are removed. Such a unit is able to replicate independently in the host organism.
Um zu überprüfen, ob es zu diesem Rekombinationsereignis gekommen war, wurden entsprechende Primer synthetisiert. Das Primerpaar R1/R2 sollte dabei das Rekombinationsereignis nachweisen (480 bp) und das Primerpaar AK1/AK2 einen kleinen Teil der Antikörperkassette (390 bp). Im Falle einer Rekombination reduziert sich der Abstand zwischen Primer R1 und R2 von 3720 bp auf 480 bp. To check whether this recombination event had occurred, appropriate primers were synthesized. The primer pair R1/R2 was designed to detect the recombination event (480 bp) and the primer pair AK1/AK2 a small part of the antibody cassette (390 bp). In the case of recombination, the distance between primers R1 and R2 is reduced from 3720 bp to 480 bp.
In Figur 5B links unten sind die Resultate der PCR dargestellt. Als Kontrolle wurde ein Klon verwendet, der dieselbe Antikörpersequenz enthält wie die repModi Ansätze, jedoch in den noModi Vektor kloniert worden war. Mit dem Primerpaar AK1/AK2 konnten in allen Klonen eine Bande bei ca. 400 bp nachgewiesen werden. Mit dem Primerpaar R1/R2 konnte, bis auf die Kontrolle, in allen getesteten Klonen D6, E2, E12 und F8 eine Bande von ca. 500 bp nachgewiesen werden. Die Amplifikate der Klone E12 und F8 wurden anschließend sequenziert. Die Sequenzierung ergab eine Basenabfolge, wie sie bei einer Rekombination zu erwarten wäre (Figur 5B rechts unten). Das PCR-Ergebnis und die Sequenzierung deuten stark auf die Formierung eines Replikons hin. The results of the PCR are shown in Figure 5B, bottom left. A clone was used as a control that contains the same antibody sequence as the repModi approaches, but had been cloned into the noModi vector. With the primer pair AK1/AK2, a band at approx. 400 bp was detected in all clones. With the primer pair R1/R2, a band of approx. 500 bp was detected in all tested clones D6, E2, E12 and F8, except for the control. The amplicons of the clones E12 and F8 were then sequenced. The sequencing revealed a base sequence as would be expected in a recombination (Figure 5B, bottom right). The PCR result and the sequencing strongly indicate the formation of a replicon.
In Figur 6A ist das Resultat verschiedener Gelelektrophoresen zum Vergleich des proteolytischen Abbaus abhängig von der verwendeten Hinge-Region dargestellt. Figure 6A shows the result of different gel electrophoresis to compare the proteolytic degradation depending on the hinge region used.
Die mit M beschrifteten Spuren zeigen immer den gleichen Größenmarker. In den verschiedenen Bahnen sind verschiedene IgGs aufgetragen: Spur 1 : equines lgG6, Spur 2: equines scFv-Fc, Spur 3: murines lgG1 und Spur 4: humanes lgG1. Die ausgefüllten Pfeile weisen auf die nicht proteolytisch gespaltenen schweren Kette (HC), die schraffierten Pfeile auf die Leichten Ketten (LC). In Bahn 2 fehlt diese Bande, weil im scFv-Fc-Format die LC kovalent an die anderen Bereiche des scFv-Fc gebunden ist und daher im SDS-PAGE nicht abgetrennt wird. Daher ist die obere Bande in Bahn 2 auch weniger weit gelaufen als die in allen anderen Bahnen. Die nicht ausgefüllten Pfeile weisen auf die bei murinen und humanen IgGs auftretenden Spaltprodukte. Dabei ist zu erkennen, dass die Verwendung Protease-resistenter Elemente, hier einer Protease-resistenten Hinge-Region, maßgeblich die Proteolyse der in P. tricornutum hergestellten Antikörper verschiedener Formate und aus verschiedenen Spezies, sowohl in vivo als auch in vitro, reduziert. The lanes labelled with M always show the same size marker. Different IgGs are applied in the different lanes: Lane 1: equine lgG6, lane 2: equine scFv-Fc, lane 3: murine lgG1 and lane 4: human lgG1. The filled arrows indicate the non-proteolytically cleaved heavy chain (HC), the hatched arrows indicate the light chains (LC). This band is missing in lane 2 because in the scFv-Fc format the LC is covalently bound to the other regions of the scFv-Fc and is therefore not separated in SDS-PAGE. Therefore, the upper band in lane 2 has also traveled less far than those in all other lanes. The open arrows indicate the cleavage products that occur in murine and human IgGs. It can be seen that the use of protease-resistant elements, here a protease-resistant hinge region, significantly reduces the proteolysis of antibodies of different formats and from different species produced in P. tricornutum, both in vivo and in vitro.
Figur 6B zeigt die erfindungsgemäße Aminosäuresequenz der equinen Hinge-Region aus eqlgG6. Der beschriebene Effekt der Reduktion der Proteolyse durch die Hinge-Region trifft dabei auch auf solche genetischen Elemente zu, in denen diese Aminosäuresequenz um bis zu 30 % verändert wurde. Figure 6B shows the amino acid sequence of the equine hinge region from eqlgG6 according to the invention. The described effect of reducing proteolysis by the hinge region also applies to genetic elements in which this amino acid sequence has been changed by up to 30%.
In Figur 7 ist ein Diagramm zur Abhängigkeit des HASP1 mod Promotors durch Phosphatverbrauch (dunkelgraue Kurve) bzw. Repression des HASP1mod Promotors durch regelmäßige Phosphatzugabe (hellgraue Kurve) dargestellt. Das GFP-Signal ist ein direktes Maß für die Promotoraktivität bzw. Proteinproduktion. Mehrere unabhängige Klone zeigten diese Phosphat-Abhängigkeit. Repräsentativ wird einer der Klone hier dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der HASP1mod -Promotor durch Phosphat inhibiert wird und durch Phosphatmangel getriggert wird. Hierbei sind mit „Phosphat“, alle Phosphat-Salze und phosphathaltigen organischen Verbindungen und alle chemischen Formen von Phosphat gemeint. Es ist zu erwähnen, dass Phosphatkonzentrationen von über 360 pM besonders für die Regulation des Promotors geeignet sind. Durch solch hohe Konzentrationen kann die Expressionsrate des HASP1mod-Prornotors nicht nur sehr effizient und über einen längeren Zeitraum gehemmt, sondern auch eine höhere Zelldichte erreicht werden, bevor es - durch Verbrauch von Phosphat - zu einer starken Expressionssteigerung kommt. Somit stellt der HASP1mod-Prornotor die ideale Steuerung bereit, einerseits hohe Zelldichten ohne Expression des kontrollierten Gens zu erreichen, bevor die Expression durch Abbau von Phosphat massiv gesteigert wird. Andererseits ist seine Expressionsstärke sehr fein steuerbar und die maximal möglichen Expressionsraten sehr hoch. Figure 7 shows a diagram of the dependence of the HASP1 mod promoter on phosphate consumption (dark gray curve) and repression of the HASP1 mod promoter by regular phosphate addition (light gray curve). The GFP signal is a direct measure of promoter activity and protein production. Several independent clones showed this phosphate dependence. One of the clones is shown here as a representative. It can be seen that the HASP1 mod promoter is inhibited by phosphate and triggered by phosphate deficiency. "Phosphate" here means all phosphate salts and phosphate-containing organic compounds and all chemical forms of phosphate. It should be noted that phosphate concentrations of over 360 pM are particularly suitable for regulating the promoter. Such high concentrations not only allow the expression rate of the HASP1 mod promoter to be inhibited very efficiently and over a longer period of time, but also allow a higher cell density to be achieved before a strong increase in expression occurs due to the consumption of phosphate. The HASP1 mod promoter thus provides the ideal control to achieve high cell densities without expression of the controlled gene, before expression is massively increased by the degradation of phosphate. On the other hand, its expression strength can be controlled very finely and the maximum possible expression rates are very high.
Figur 8A zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit zwischen Zelldichte und gemessenem GFP- Signal in drei unterschiedlichen Zellkulturen (dunkelgrau, mittelgrau, hellgrau). Dabei ist jeweils in gestrichelter Linie das zu erwartende (bei uneingeschränkt linearem Verhalten), in durchgängiger Linie das gemessene GFP-Signal dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das gemessene Signal von dem erwarteten Signal abweicht. Der Grund dafür ist die steigende Zelldichte. Der Zusammenhang zwischen Zelldichte und Signalstärke ist in einem bestimmten Bereich linear. Werden Signale über einer kritischen Zelldichte gemessen, muss somit eine entsprechende Korrektur durchgeführt werden. Insbesondere führt diese Abweichung dazu, dass bei Verwendung eines Nährstoffmangel abhängigen Promotors (z. B. HASP1mod, alkalische Phosphatase) oder eines Nährstoff-getriggerten Promotors (z. B. Nitratreduktase) die Nährstoffkonzentration der Zellkultur für Studien auf molekularer Ebene (z. B. Testung von weiteren regulatorischen Sequenzen als auch für Kultivierungsstudien) überlegt gewählt werden muss. Der Mangel muss entstehen, bevor die Zelldichte den kritischen Wert überschreitet, ansonsten ist ein Vergleich zwischen den Klonen nicht möglich. Bei Verwendung von Nährstoffmangel-getriggerten Promotoren muss zudem beachtet werden, dass nur Klone miteinander verglichen werden, die eine ähnliche Zellzahl zeigen und es müssen globale Peaks der einzelnen Signalzeitreihe zur Bewertung der Produktion herangezogen werden. Sollte die kritische Zelldichte überschritten werden, besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Zellmenge und Signalintensität. Da die zugrundeliegenden Effekte überwiegend von der Zelldichte abhängen, kann die Messung mittels eines Standards korrigiert werden. Figure 8A shows a diagram of the relationship between cell density and measured GFP signal in three different cell cultures (dark gray, medium gray, light gray). The dashed line shows the expected GFP signal (assuming unrestricted linear behavior) and the solid line shows the measured GFP signal. It can be seen that the measured signal deviates from the expected signal. The reason for this is the increasing cell density. The relationship between cell density and signal strength is shown in a certain range linear. If signals are measured above a critical cell density, an appropriate correction must be made. In particular, this deviation means that when using a nutrient deficiency-dependent promoter (e.g. HASP1 mod , alkaline phosphatase) or a nutrient-triggered promoter (e.g. nitrate reductase), the nutrient concentration of the cell culture must be carefully chosen for studies at the molecular level (e.g. testing of additional regulatory sequences as well as for cultivation studies). The deficiency must arise before the cell density exceeds the critical value, otherwise a comparison between the clones is not possible. When using nutrient deficiency-triggered promoters, it must also be ensured that only clones that show a similar number of cells are compared and global peaks of the individual signal time series must be used to evaluate production. If the critical cell density is exceeded, there is no linear relationship between the number of cells and the signal intensity. Since the underlying effects depend predominantly on the cell density, the measurement can be corrected using a standard.
Figur 8B zeigt ein Diagramm zu den Reaktionen sieben unabhängiger Klone auf einen Phosphatmangel (links) im Vergleich zu einem Diagramm der gleichen Klone unter Phosphatzugabe (rechts). Der Wildtyp ist in beiden Diagrammen als Graph mit kenntlich gemacht veranschaulicht. Ohne Zugabe von Phosphat (linkes Diagramm) stiegen die tGFP- Signale aller transgener Klone an. Mit Zugabe von Phosphat (rechtes Diagramm) sanken die tGFP-Signale auf ein niedriges Niveau. Figure 8B shows a graph of the responses of seven independent clones to phosphate starvation (left) compared to a graph of the same clones with phosphate added (right). The wild type is shown as a graph marked with in both graphs. Without the addition of phosphate (left graph), the tGFP signals of all transgenic clones increased. With the addition of phosphate (right graph), the tGFP signals decreased to a low level.
Ein Diagramm zur Phosphatmangel-abhängigen Aktivierung des erfindungsgemäßen H AS P1mod- Pro motors ist in Figur 9 dargestellt. Verdeutlicht wird die Stärke des GFP-Signals in Abhängigkeit vom Kulturalter anhand von vier unterschiedlichen Kulturen. Die vier Kulturen wurden in Kulturmedien mit unterschiedlichen Phosphatkonzentrationen kultiviert, wobei 36 pM die geringste und 360 pM die höchste Phosphatkonzentration darstellte. Das GFP-Signal ist auch hier ein direktes Maß für die Aktivierung des Promotors und die Proteinproduktion. Mit Erhöhung der Phosphatkonzentration verschiebt sich der Peak des GFP-Signals, da der Phosphat-Mangel zu einer späteren Zeit entsteht, bzw. bei einer höheren Zelldichte. Während in einem Medium mit der niedrigsten Phosphatmenge der Peak nach ca. 16 Tage auftritt (36 pM), tritt dieser Peak bei höheren Konzentrationen an ca. Tag 24 (72 pM), Tag 29 (140 pM) auf bzw. wird der Peak nicht erreicht (360 pM). Wann dieser Peak erreicht wird, hängt von der initialen Phosphatkonzentration, der Wachstumsrate der Zellen und der absoluten Zellzahl ab. Zwar wird der Peak der Kultur mit der hier höchsten Phosphatkonzentration nicht erreicht, trotzdem ist die Ausbeute hier am höchsten, da die Zelldichte durch die erhöhte Phosphatverfügbarkeit um vielfaches höher ist als die Zelldichte übriger Kulturen. Über die Phosphatmenge lässt sich auf diese Weise sowohl die Ausbeute als auch der „Erntezeitpunkt“ genau kontrollieren. A diagram of the phosphate deficiency-dependent activation of the H AS P1 mod promoter according to the invention is shown in Figure 9. The strength of the GFP signal is illustrated as a function of the culture age using four different cultures. The four cultures were cultivated in culture media with different phosphate concentrations, with 36 pM representing the lowest and 360 pM the highest phosphate concentration. Here too, the GFP signal is a direct measure of the activation of the promoter and protein production. As the phosphate concentration increases, the peak of the GFP signal shifts, since the phosphate deficiency occurs at a later time or at a higher cell density. While in a medium with the lowest amount of phosphate the peak occurs after about 16 days (36 pM), this peak occurs at higher concentrations on about day 24 (72 pM), day 29 (140 pM) or the peak is not reached (360 pM). When this peak is reached depends on the initial phosphate concentration, the growth rate of the cells and the absolute number of cells. Although the peak of the culture with the highest phosphate concentration is not reached, the yield is still highest here because the cell density is many times higher than the cell density due to the increased phosphate availability. other crops. The amount of phosphate can be used to precisely control both the yield and the “harvest time”.
Figur 10 zeigt ein Diagramm zur Verkürzung des Erntezyklus durch Phosphatzugabe bei Verwendung eines Phosphatmangel-getriggerten Promotors. Im Vergleich zur Kontrolle wird der Peak der Produktion früher erreicht, wenn die Phosphatmenge im Medium auf einem konstant „niedrigen“ Niveau gehalten wird oder Phosphat in bestimmten Abständen zugeführt wird. Dieser Effekt entsteht, weil die Zellen durch einen niedrigeren Phosphatgehalt (als der maximal erwünschte Phosphatgehalt) im Kulturmedium einen zu einem früheren Zeitpunkt (als bei der initialen Zugabe der maximal erwünschten Phosphatmenge) einen Phosphatmangel "erwarten" und deshalb alle Phosphat-abhängigen Promotoren entsprechend reguliert werden (so wie z.B. den HASP1mod). Durch erneutes Hinzufügen von Phosphat tritt der "erwartete" Mangel zwar nicht ein (oder nicht in dem "erwarteten" Ausmaß), die durch die "Erwartung" erfolgte Aktivierung des z. B. HASP1mod Promoters wirkt jedoch noch einige Zeit nach, wodurch bereits das mit dem HASP1mod Promotor verknüpfte Protein of Interest (z.B. ein Antikörper) produziert wird. So kann der o.g. Prozess fortgesetzt werden, in dem die Zellen "in dem Glauben" gelassen werden, dass ein Phosphatmangel eintritt. Ob und wann dieser Mangel eintrifft, ist von der gewünschten Dauer der Kultivierung abhängig und wird durch die zuständige Person kontrolliert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird Phosphat in Form von NaH2PO4 in bestimmten Abständen zugeführt. Figure 10 shows a diagram of the shortening of the harvest cycle by adding phosphate when using a phosphate deficiency-triggered promoter. Compared to the control, peak production is reached earlier if the amount of phosphate in the medium is kept at a constant "low" level or if phosphate is added at certain intervals. This effect occurs because a lower phosphate content (than the maximum desired phosphate content) in the culture medium causes the cells to "expect" a phosphate deficiency at an earlier point in time (than when the maximum desired amount of phosphate was initially added), and therefore all phosphate-dependent promoters are regulated accordingly (such as HASP1 mod ). By adding phosphate again, the "expected" deficiency does not occur (or not to the "expected" extent), but the activation of the promoter caused by the "expectation" is restored. B. HASP1 mod promoter, however, continues to have an effect for some time, whereby the protein of interest linked to the HASP1 mod promoter (e.g. an antibody) is already produced. The above-mentioned process can thus be continued by leaving the cells "in the belief" that a phosphate deficiency is occurring. Whether and when this deficiency occurs depends on the desired duration of cultivation and is monitored by the person responsible. In the example shown, phosphate is added in the form of NaH 2 PO 4 at certain intervals.
In Figur 11 ist beispielhaft eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vektors (6) zur Transformation von P. tricornutum dargestellt. Nur Elemente, die für P. tricornutum wichtig sind, sind dargestellt. Dieses Konstrukt führt in der transformierten Kieselalge zur Produktion eines Antikörpers im sogenannten scFv-Fc-Format (dessen einzelne Elemente sind: eine variable schwere Kette VH (9.21), welche mittels Linker mit einer variablen leichten Kette VL (9.22) verbunden ist. Diese liegt vor den konstanten Bereichen, hier eine humane Zwischensequenz, der Hinge-Region (9.23) sowie einer equinen konstanten Region (CH2 und CH3) (9.24). Dieser Bereich ist über einen proteolytisch spaltbaren Flag-Tag mit einem Reportergen (9.3), hier turboGFP verbunden, welches wiederum mit einem Strep-Tag fusioniert ist. Ein weiteres genetisches Konstrukt unter der Kontrolle eines konstitutiven fcpB- Promotors ist ein Selektionsmarker (9.5), hier das Zeocin-Resistenzgen. Es wird deutlich, dass genetische Elemente unterschiedlichen Ursprungs (hier Antikörper im scFv-Format mit synthetischen, humanen und equinen Ursprung) miteinander kombiniert werden können und trotzdem funktionale Proteine bilden. Figure 11 shows an example of an embodiment of a vector (6) according to the invention for the transformation of P. tricornutum. Only elements that are important for P. tricornutum are shown. This construct leads to the production of an antibody in the so-called scFv-Fc format in the transformed diatom (the individual elements of which are: a variable heavy chain VH (9.21), which is linked to a variable light chain VL (9.22) by means of a linker. This is located in front of the constant regions, here a human intermediate sequence, the hinge region (9.23) and an equine constant region (CH2 and CH3) (9.24). This region is linked via a proteolytically cleavable flag tag to a reporter gene (9.3), here turboGFP, which in turn is fused to a Strep tag. Another genetic construct under the control of a constitutive fcpB promoter is a selection marker (9.5), here the Zeocin resistance gene. It becomes clear that genetic elements of different origins (here antibodies in scFv format with synthetic, human and equine origins) can be combined with one another. and still form functional proteins.
Figur 12 verdeutlicht einen Vergleich der tGFP-Signal Intensitäten unabhängiger Klone zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten in 96- Well Platten mit der Referenz in 100 ml Kolben. Um eine Auswertung der tGFP-Signale in einer Multiwell-Platte zu etablieren, wurde überprüft zu welchem Zeitpunkt die tGFP-Signale in der Multiwell-Platte dem „finalen/tatsächlichen“ tGFP- Signal am nächsten kommen. Dazu wurden die tGFP-Signale von 29 unabhängigen Klonen zu mehreren Zeitpunkten in einer 96-Well-Platte gemessen und anschließend die tGFP- Signale derselben Kulturen in 100 ml Kolben bestimmt. In vorangegangenen Experimenten wurde mittels SDS-PAGE gezeigt, dass die tGFP Signale in 100 ml Kolben mit der tatsächlichen Proteinmenge korrelieren. In der Figur 12 wurde die Entwicklung der tGFP- Signale in den 96-Well-Platten zu 4 unterschiedlichen Zeitpunkten nach dem Animpfen der Kultur dargestellt (Tag 1 , Tag 4, Tag 6, Tag 8). In der Legende sind entsprechenden R2- Werte angegeben. Die R2- Werte liegen bei 0,1 ; 0,86; 0,93 und 0,93 für die entsprechenden Zeitpunkte 1 , 4, 6 und 8. Die Korrelation zwischen dem gemessenen tGFP-Signal in der 96- Wellplatte und dem maximal zu erreichendem tGFP-Signal am 1. Tag nach der Innokulation war nicht gegeben. An Tag 4 stieg der R2-Wert auf 0,86 und erhöhte sich auf 0,93 am 6. Tag. Von Tag 6 auf Tag 8 gab es keine durch den R2-Wert messbare Veränderung der Korrelation. Figure 12 illustrates a comparison of the tGFP signal intensities of independent clones at three different time points in 96-well plates with the reference in 100 ml flasks. In order to establish an evaluation of the tGFP signals in a multiwell plate, it was checked at which time the tGFP signals in the multiwell plate were closest to the "final/actual" tGFP signal. For this purpose, the tGFP signals of 29 independent clones were measured at several time points in a 96-well plate and then the tGFP signals of the same cultures in 100 ml flasks were determined. In previous experiments, SDS-PAGE showed that the tGFP signals in 100 ml flasks correlate with the actual amount of protein. Figure 12 shows the development of the tGFP signals in the 96-well plates at 4 different time points after inoculation of the culture (day 1, day 4, day 6, day 8). The corresponding R 2 values are given in the legend. The R 2 values are 0.1; 0.86; 0.93 and 0.93 for the corresponding time points 1, 4, 6 and 8. There was no correlation between the measured tGFP signal in the 96-well plate and the maximum achievable tGFP signal on day 1 after inoculation. On day 4, the R 2 value rose to 0.86 and increased to 0.93 on day 6. From day 6 to day 8, there was no change in the correlation measurable by the R 2 value.
Die Figuren 13A und 13B zeigen mikroskopische Aufnahmen von verschiedenen Zellformen der P. tricornutum Kultur, wobei Figur 13A fusiforme Zellen und Figur 13B ovale Zellen zeigt. Dabei sind beide morphologischen Typen in jeder Kultur vorhanden, wobei das Verhältnis zwischen den Anteilen zwischen > 0 und < 1 variieren kann. Bei der Bestimmung der Zellzahl von Phaeodactylum mittels der optischen Dichte muss die Morphologie der Zellen beachtet werden, um eine fehlerhafte Korrelation zu vermeiden. Der entsprechende Faktor ist dabei von dem Gerät abhängig. Figures 13A and 13B show microscopic images of different cell types in the P. tricornutum culture, with Figure 13A showing fusiform cells and Figure 13B showing oval cells. Both morphological types are present in each culture, but the ratio between the proportions can vary between > 0 and < 1. When determining the cell number of Phaeodactylum using optical density, the morphology of the cells must be taken into account to avoid erroneous correlation. The appropriate factor depends on the device.
In den Figuren 13C und 13D sind Diagramme zur Korrelation der optischen Dichte (OD) und der Zellzahl bei fusiformen Zellen (C) und ovalen Zellen (D) von P. tricornutum dargestellt. Aus dem in Figur 13E dargestellten Diagramm zur Korrelation zwischen erwarteter und gemessener Optischer Dichte in Abhängigkeit von der Zelldichte wird deutlich, dass die Zellen eine gewisse Zellzahl nicht überschreiten dürfen, um einen linearen Zusammenhang bzw. verlässliche, lineare Messergebnisse zu erhalten. Der Bereich, in dem die Zellzahl liegen muss, ist von der Zellgröße, -art und dem Messinstrument abhängig und muss dadurch empirisch, z. B. über Verdünnungsreihen, bestimmt werden. Zur Bestimmung der Zellzahl in einer Phaeodactylum tricornutum -Kultur können unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, welche bevorzugt bei 600 - 800 nm liegen. Besonders bevorzugt wird die Messung bei einer Wellenlänge von 600-750 nm durchgeführt. Figures 13C and 13D show diagrams for the correlation of the optical density (OD) and the cell number in fusiform cells (C) and oval cells (D) of P. tricornutum. From the diagram shown in Figure 13E for the correlation between expected and measured optical density as a function of cell density, it is clear that the cells must not exceed a certain cell number in order to obtain a linear relationship or reliable, linear measurement results. The range in which the cell number must lie depends on the cell size, type and measuring instrument and must therefore be determined empirically, e.g. via dilution series. Different wavelengths can be used to determine the cell number in a Phaeodactylum tricornutum culture, which are preferably 600 - 800 nm. The measurement is particularly preferably carried out at a wavelength of 600-750 nm.
Figur 14 zeigt ein Diagramm zur Korrelation zwischen ELISA-Signalen und GFP-Signalen im Anschluss an ein erfindungsgemäßes Screening-Verfahren. GFP-Signale repräsentieren hier die Proteinmenge. Diese Korrelation mit einem R2-Wert von 0,92 zeigt, dass die angewandte Hochdurchsatzmethode zur Lyse der Zellen im ELISA Verfahren verwendet werden kann. Figure 14 shows a diagram of the correlation between ELISA signals and GFP signals following a screening method according to the invention. GFP signals here represent the amount of protein. This correlation with an R 2 value of 0.92 shows that the high-throughput method used can be used to lyse the cells in the ELISA procedure.
Figur 15A zeigt eine mikroskopische Aufnahme von P. tricomutum-ZeWen, wobei die Zellen entweder als einzelne Zelle (11.1), als Zellkette aus zwei Zellen (11.2) oder als vielfache Zellketten (11 .3) vorliegen. Der optimale Zeitpunkt für die Überführung der Vorkultur in die Hauptkultur (im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens) ist ein Zeitpunkt, an dem das Verhältnis von einfach vorliegenden Zellen zu zweifachen Zellketten zwischenFigure 15A shows a microscopic image of P. tricomutum cells, where the cells are present either as a single cell (11.1), as a cell chain of two cells (11.2) or as multiple cell chains (11.3). The optimal time for transferring the pre-culture to the main culture (in the context of the production process according to the invention) is a time at which the ratio of single cells to double cell chains is between
O,3 und 10 liegt. 0, 3 and 10.
Ein Diagramm zum Anteil an verschiedenen Zellformen in Abhängigkeit vom Kulturalter ist in Figur 15B dargestellt. Dabei ist mit „1x“ der Anteil an einzelnen Zellen (11.1), mit „2x“ der Anteil an Zellketten aus zwei Zellen (11 .2) und mit „>2x“ der Anteil an vielfachen Zellketten (11.3) bezeichnet. A diagram of the proportion of different cell forms as a function of culture age is shown in Figure 15B. “1x” denotes the proportion of single cells (11.1), “2x” the proportion of cell chains made up of two cells (11.2) and “>2x” the proportion of multiple cell chains (11.3).
Figur 15C zeigt eine Darstellung von Vitalität und Teilungsrate der Zellen einer Vorkultur vonFigure 15C shows a representation of vitality and division rate of cells from a preculture of
P. tricornutum zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Laufe der Kultivierung der Vorkultur. Schließlich ist in Figur 15D ein Diagramm zum Wachstum der Hauptkultur in Abhängigkeit vom Alter der Vorkultur dargestellt. Anhand der Figuren 15B, 15C und 15D wird deutlich, dass der Zeitpunkt, an dem die Vorkultur in Hauptkultur überführt werden sollte, eine wichtige Rolle spielt. Dabei besteht ein Zusammenhang zwischen Vitalität, Teilungsrate und/oder dem Verhältnis zwischen einzeln vorliegender Zelle und Zellketten aus zwei oder mehr Zellen in der Vorkultur und der anschließenden Wachstumsgeschwindigkeit der Hauptkultur. Dabei muss der Anteil lebender Zellen hoch sein und eine gewisse Teilungsaktivität der Vorkultur nicht unterschritten werden, um so die optimale Zunahme der Biomasse zu ermöglichen. Höhere Biomasse führt zu einer höheren Ausbeute bei der Hauptkultur. Zum Bestimmen des optimalen Zeitpunktes kann entweder der Anteil an lebenden Zellen (Fig. 15C), das Verhältnis zwischen doppelt und einfach Vorliegenden Zellen herangezogen werden oder die Teilungsrate in über einem gewissen Schwellenwert liegen (Fig. 15A und 15B). P. tricornutum at different times during the cultivation of the pre-culture. Finally, Figure 15D shows a diagram of the growth of the main culture depending on the age of the pre-culture. Figures 15B, 15C and 15D make it clear that the time at which the pre-culture should be transferred to the main culture plays an important role. There is a connection between vitality, division rate and/or the ratio between single cells and cell chains made up of two or more cells in the pre-culture and the subsequent growth rate of the main culture. The proportion of living cells must be high and a certain division activity of the pre-culture must not be undercut in order to enable the optimal increase in biomass. Higher biomass leads to a higher yield in the main culture. To determine the optimal time, either the proportion of living cells (Fig. 15C), the ratio between duplicate and single cells can be used, or the division rate must be above a certain threshold value (Fig. 15A and 15B).
In Figur 16A ist ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Proteinproduktion, Kulturalter und Menge der Stickstoffquelle und in Figur 16B ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Zelldichte, Kulturalter und Menge der Stickstoffquelle dargestellt. Die Angaben zu den Stickstoffquellen sind dabei jeweils in mM angegeben. Während die Zelldichte nur minimal von der Stickstoffkonzentration beeinflusst wird (Fig. 16B), hängt die Menge des produzierten Proteins sehr stark von der Menge der Stickstoffquelle ab (Fig. 16A). Das GFP- Signal ist auch hier ein direktes Maß für die Menge an heterolog exprimiertem Protein. Eine ausreichende Verfügbarkeit einer Stickstoffquelle ist entscheidend für die optimale Proteinproduktion (besonders NO3 und NH4). Liegt diese unter einem kritischen Wert, so kann die Zelldichte selbst zwar unbeeinflusst bleiben, die Proteinausbeute sinkt jedoch dramatisch ab. Um Einbußen in der Ausbeute zu vermeiden, muss die Stickstoffmenge zum Erreichen einer bestimmten Zelldichte in einem bestimmten Bereich liegen (z. B. NH4 oder NO3 in jeglicher chemischen Form und Bindung). Figure 16A shows a diagram of the relationship between protein production, culture age and amount of nitrogen source and Figure 16B shows a diagram of the relationship between cell density, culture age and amount of nitrogen source. The information on the nitrogen sources is given in mM. While the cell density is only minimally influenced by the nitrogen concentration (Fig. 16B), the amount of protein produced depends very strongly on the amount of nitrogen source (Fig. 16A). Here too, the GFP signal is a direct measure of the amount of heterologously expressed protein. Sufficient availability of a nitrogen source is crucial for optimal Protein production (especially NO 3 and NH 4 ). If this is below a critical value, the cell density itself may remain unaffected, but the protein yield drops dramatically. To avoid losses in yield, the amount of nitrogen to achieve a certain cell density must be within a certain range (e.g. NH 4 or NO 3 in any chemical form and bond).
Die Figur 16C zeigt ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Proteinproduktion, Kulturalter und Menge der Harnstoffquelle, während Figur 16D ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Zelldichte, Kulturalter und Menge der Harnstoffquelle zeigt. Auch hier sind die Angaben zu den Harnstoffquellen im mM angetragen. Ähnlich wie in Figur 16A und 16B beeinflusst auch hier die Stickstoffmenge die Proteinproduktion. Wie in 16D zu erkennen ist Harnstoff (Urea) jedoch ab einer gewissen Konzentration schädlich für die Kultur, da die Kultur nach einiger Zeit in einer Konzentration von 10 mM Urea stirbt. Somit ist die initiale Konzentration von Urea auf >10 mM limitiert. Figure 16C shows a diagram showing the relationship between protein production, culture age and amount of urea source, while Figure 16D shows a diagram showing the relationship between cell density, culture age and amount of urea source. Here too, the information on the urea sources is given in mM. Similar to Figures 16A and 16B, the amount of nitrogen also influences protein production. However, as can be seen in Figure 16D, urea is harmful to the culture above a certain concentration, as the culture dies after a certain time at a concentration of 10 mM urea. The initial concentration of urea is therefore limited to >10 mM.
Figur 17 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit des Zellwachstums von der Phosphatkonzentration. Es wird eine bestimmte Menge an Phosphat benötigt, um eine bestimmte maximale Zelldichte zu erreichen. Die unterschiedlichen Phosphat- Konzentrationen sind in pM angegeben. Hier zeigt sich deutlich die feine Balance zwischen Aktivierung des Promoters HASP1mod und dem Erreichen einer hohen Zelldichte (vergleiche mit Figur 9). Figure 17 shows a diagram showing the dependence of cell growth on phosphate concentration. A certain amount of phosphate is required to achieve a certain maximum cell density. The different phosphate concentrations are given in pM. This clearly shows the fine balance between activation of the HASP1 mod promoter and achieving a high cell density (compare with Figure 9).
Figur 18 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit der absoluten Biomasse von der verfügbaren Konzentration an Spurenelementen und Vitaminen. Bei der Kontrolle werden dabei Vitamine und Spurenelemente mit einer Konzentration verwendet, wie sie im f/2-Medium („Standardmedium“) beschrieben wird. In den vier nachfolgenden Proben wurden jeweils Vitamine (V) und Spurenelemente (S) in einer x-fachen Menge zum Standardmedium eingesetzt: 5-fache Menge, 40-fache Menge, 80-fache Menge und 160-fache Menge. Zu erkennen ist, dass auch eine extreme Steigerung der Konzentration nicht zu einer signifikanten Reduktion der Biomasse führt. Gerade in einer Batch Kultur ist es von Vorteil das Medium mit möglichst viel Nährstoff anzureichern um einen möglichen Mangel zu vermeiden. Figure 18 shows a diagram showing the dependence of absolute biomass on the available concentration of trace elements and vitamins. In the control, vitamins and trace elements are used at a concentration as described in the f/2 medium (“standard medium”). In the four subsequent samples, vitamins (V) and trace elements (S) were used in an x-fold amount compared to the standard medium: 5 times the amount, 40 times the amount, 80 times the amount and 160 times the amount. It can be seen that even an extreme increase in concentration does not lead to a significant reduction in biomass. Especially in a batch culture, it is advantageous to enrich the medium with as many nutrients as possible in order to avoid a possible deficiency.
Ein Diagramm zur Abhängigkeit der Zunahme der Zellzahl von der Belüftung des Kulturmediums ist in Figur 19 dargestellt. Eine erhöhte Belüftung mit 3 L/min (obere Linie) zeigte gegenüber der Kontrolle (Belüftung mit 1 L/min untere Linie) einen deutlich schnelleren Zuwachs der Biomasse. Hier zeigt sich, dass eine ausreichende Versorgung mit Gasen wie CO2 und O2 eingestellt werden muss. Vor allem nimmt die Durchflutung des Mediums mit Licht bei bereits geringen Zelldichten sehr stark ab, wodurch die Photosynthese zum Erliegen kommt. Ab diesem Zeitpunkt setzt die Zelle vermehrt auf die Aufnahme externer, organischer C-Quellen wie Glycerin oder Glucose und benötigt somit immer mehr O2. A diagram showing the dependence of the increase in cell number on the aeration of the culture medium is shown in Figure 19. Increased aeration with 3 L/min (upper line) showed a significantly faster increase in biomass compared to the control (aeration with 1 L/min, lower line). This shows that a sufficient supply of gases such as CO2 and O2 must be ensured. Above all, the flow of light through the medium decreases significantly at low cell densities, which impairs photosynthesis. comes to a standstill. From this point on, the cell increasingly relies on the uptake of external, organic C sources such as glycerol or glucose and thus requires more and more O 2 .
Figur 20 (A und B) zeigt das Resultat von Gelelektrophoresen nach Aufschluss und Aufreinigung von Antikörpern im IgG-Format aus P. tricornutum. Figur 20A zeigt die Coomassie-gefärbte SDS-PAGE, Figur 20B die zugehörige Immunfärbung. Auf den mit „Ü“ bezeichneten Spuren ist jeweils der Überstand aufgetragen, die mit „PP“ bezeichneten Spuren weisen pigmenthaltiges Pellet auf. Das Pigment konnte von dem rekombinanten Antikörper abgetrennt werden, ohne hohe Einbussen der Ausbeute zu erleiden. Eine Störung durch das Pigment im weiteren Verfahren ist auf ein Minimum reduziert. Die Immunfärbung erfolgte mit Maus-Anti-Strep Antikörper und Kaninchen-Anti-MauslgG-AP, weshalb in der Immunfärbung nur die schwere Kette detektiert wird, da die leichte Kette keinen Strep-Tag enthält. Das Rohlysat von Kieselalgen wurde abgekühlt. Nach dem Zentrifugieren oder Filtrieren haben sich 2 Fraktionen ausgebildet. Die Fraktion „Ü“ war der lösliche Überstand und die Fraktion „PP“ war das pigmenthaltige Pellet. Dabei ist entscheidend, dass das Pigment abgetrennt werden konnte und dass der größte Anteil des Antikörpers im löslichen Überstand verbleibt. Figure 20 (A and B) shows the result of gel electrophoresis after digestion and purification of antibodies in IgG format from P. tricornutum. Figure 20A shows the Coomassie-stained SDS-PAGE, Figure 20B the corresponding immunostaining. The supernatant is applied to the lanes marked with "Ü", the lanes marked with "PP" show pellets containing pigment. The pigment could be separated from the recombinant antibody without suffering a significant loss of yield. Interference from the pigment in the further process is reduced to a minimum. Immunostaining was carried out with mouse anti-Strep antibody and rabbit anti-mouse IgG-AP, which is why only the heavy chain is detected in the immunostaining, since the light chain does not contain a Strep tag. The crude lysate of diatoms was cooled. After centrifugation or filtration, 2 fractions were formed. The fraction “Ü” was the soluble supernatant and the fraction “PP” was the pigment-containing pellet. It is crucial that the pigment could be separated and that the majority of the antibody remained in the soluble supernatant.
Die Figuren 21A-D zeigen die Korrelation zwischen der Fluoreszenz und der Expressionsrate in 9 von insgesamt 30 unabhängigen Klonen. Die Figur 21A zeigt tGFP- Fluoreszenz-Units (Turbo-Green Fluorescent Protein, tGFP) für die 9 Klone. Figur 21 B zeigt zugehörige Proteinextrakte aufgetrennt einer Coomassie-gefärbten SDS-PAGE, wobei die Zahlen oberhalb der Bahnen unterschiedliche, voneinander unabhängige Klone repräsentieren (schwarzer Pfeil markiert die schwere Kette des Antikörpers). Figur 21C zeigt die Immunfärbung der exprimierten Antikörper in den entsprechenden Proben, deren Beschriftung denen in Figur 21 B entspricht (schwarzer Pfeil markiert die schwere Kette des Antikörpers). Figur 21 D eine zeigt eine starke Korrelation zwischen dem GFP-Signal aus 21 A und der Pixelintensität der schweren Kette aus 21 B mit einem R2-Wert von 0,94 und Figure 21 E zeigt die dazugehörige Balkengraphik, in welcher die Werte aus tGFP-Signal und SDS-Bandenstärke (Antikörperbande, densitometrisch in der Bio-Doc (Bio-Rad) gemessen) jeweils nebeneinander aufgetragen sind. Figures 21A-D show the correlation between fluorescence and expression rate in 9 of a total of 30 independent clones. Figure 21A shows tGFP fluorescence units (Turbo-Green Fluorescent Protein, tGFP) for the 9 clones. Figure 21B shows corresponding protein extracts separated by Coomassie-stained SDS-PAGE, with the numbers above the lanes representing different, independent clones (black arrow marks the heavy chain of the antibody). Figure 21C shows the immunostaining of the expressed antibodies in the corresponding samples, the labeling of which corresponds to that in Figure 21B (black arrow marks the heavy chain of the antibody). Figure 21 D shows a strong correlation between the GFP signal from 21 A and the pixel intensity of the heavy chain from 21 B with an R 2 value of 0.94 and Figure 21 E shows the corresponding bar graph in which the values of tGFP signal and SDS band strength (antibody band, measured densitometrically in the Bio-Doc (Bio-Rad)) are plotted side by side.
Das durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hergestellte Produkt ist somit nicht nur preiswerter in der Produktion, sondern das Herstellungsverfahren besitzt gegenüber klassischen Verfahren eine Reihe von Vorteilen: Die produzierten Antikörper besitzen die gleichen Aviditäten wie das Pendant aus Expi293F-Zellen (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. 22). Weiterhin ist das hier vorgestellte Verfahren nachhaltig, tierfrei und - abhängig von der Herkunft der zu produzierenden Antikörpersequenz - sogar vegan. Im Vergleich zu Antikörperseren aus Tieren sind die hier vorgestellten Antikörper dauerhaft verfügbar. Die Produktion kann sehr einfach erhöht werden und die Produkte sind frei von Humanpathogenen. The product produced by the production process according to the invention is therefore not only cheaper to produce, but the production process has a number of advantages over conventional processes: The antibodies produced have the same avidity as the counterpart from Expi 293F cells (Error! Reference source could not be found. 22). Furthermore, the process presented here is sustainable, animal-free and - depending on the origin of the antibody sequence to be produced - even vegan. In comparison to antibody sera from animals, the antibodies presented here are permanently available. Production can be increased very easily and the products are free of human pathogens.
In Figur 22 ist ein Diagramm zum Vergleich der Bindungsaffinität zweier Kieselalgen Antikörper(formate) (hellgrau, mit Dreiecken versehene Graphen) mit den sequenzgleichen aus humaner Zellkultur (Expi293F) (dunkelgrau, mit Vierecken versehene Graphen) dargestellt. In einem kompetitiven Titrationsassay wurden die Aviditäten von Antikörpern verschiedener Formate (IgG bzw. scFv-Fc) gegen equines Interleukin 31 bei steigenden Antikörperkonzentrationen analysiert. Bei den sequenzgleichen IgGs (durchgezogene Linien) aus Kieselalgen bzw. Expi293F-Zellen zeigen sich keine Unterschiede, bei den scFv-Fc’s (gestrichelt) der unterschiedlichen Ausgangszeilen ist der scFv-Fc aus Kieselalgen sogar affiner als das Original aus der humanen Zellkultur. Figure 22 shows a diagram comparing the binding affinity of two diatom antibodies (formats) (light gray, graphs with triangles) with those with the same sequence from human cell culture (Expi293F) (dark gray, graphs with squares). In a competitive titration assay, the avidities of antibodies of different formats (IgG or scFv-Fc) against equine interleukin 31 were analyzed at increasing antibody concentrations. There are no differences in the IgGs with the same sequence (solid lines) from diatoms or Expi 293F cells, and in the scFv-Fcs (dashed lines) from the different starting lines, the scFv-Fc from diatoms is even more affine than the original from human cell culture.
Konkretes Ausführunqsbeispiel Concrete implementation example
Das Ausführungsbeispiel, dessen Ablauf in Fig. 1 skizziert ist, zeigt die Produktion eines Antikörpers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dieser Antikörper im IgG-Format ist gegen equines Interleukin 31 gerichtet und wurde mit mehr als 160 mg aufgereinigtem eqlgG * L-1 Zellkultur innerhalb einer 14-tägigen Kulturdauer produziert. The embodiment, the sequence of which is outlined in Fig. 1, shows the production of an antibody using the method according to the invention. This antibody in IgG format is directed against equine interleukin 31 and was produced with more than 160 mg of purified eqlgG * L -1 cell culture within a 14-day culture period.
In einem ersten Schritt wird die Codon-Nutzung an P. tricornutum angepasst. Im vorliegenden Fall stammt die Ausgangssequenz aus einer humanen scFv-Bank und wurde vor Einsatz in den Kieselalgen Codon-optimiert. Die benötigten genetischen Elemente, typischerweise die variable leichte Kette (VL) sowie die variable schwere Kette (VH) wurden von der Firma IDT-DNA (Coralville, Iowa) synthetisiert, so dass sie optimal in die erstellten Vektoren passen (Fig. 2B). Dabei wurden auch störende Restriktionsstellen entfernt, bzw. modifiziert. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vektoren für die Produktion von Antikörpern im scFv-Fc-Format ist in Fig. 2B dargestellt. Hier kann die variable leichte Kette (kappa- oder lambda-Format (VLK oder VLA)) sowie die variable schwere Kette (VH) eingesetzt werden. In diesem Beispiel stammen die konstanten Bereiche beider Ketten aus dem Pferd. Es wurden auch Konstrukte generiert, die konstante Antikörperbereiche aus anderen Wirtsorganismen (z. B. Maus oder Mensch) enthalten. Weitere Varianten der erfindungsgemäßen Vektoren sind für die heterologe Produktion anderer Formate wie Fab oder scFv-Fc hergestellt und erfolgreich eingesetzt worden. Das in Fig. 2B dargestellte Beispiel enthält das fertige Vektorkonstrukt und neben den in P. tricornutum einzubringenden Elementen auch bakterielle, genetische Elemente, die der Klonierung in E. coli dienen (colE1 -Origin und Gentamycin-Resistenzgen). Im Konstrukt wurde das Gene of Interest in drei Kopien eingesetzt. Nach der ballistischen oder auf Elektroporation beruhenden Transformation von P. tricornutum müssen die erhaltenen Klone nicht nur auf die Aufnahme der Antikörpergene hin überprüft werden, sondern auch die schnelle Identifizierung von Klonen, die das eingebrachte Antikörpergen besonders stark exprimieren, stellt eine zentrale Innovation dieser Erfindung dar. Das zugrundeliegende erfindungsgemäße Screeningverfahren ermöglicht die Korrelation der durch tGFP (Turbo-Green Fluorescent Protein) bewirkten Fluoreszenz, welche in einem speziellem Mikrotiterplatten-Reader gemessen wird, mit der später zu erwartenden Menge an gebildetem Antikörper (Figur 21 zeigt dazu die Korrelation zwischen Fluoreszenz und Expressionsrate in 9 unabhängigen Klonen). In a first step, the codon usage is adapted to P. tricornutum. In the present case, the starting sequence comes from a human scFv bank and was codon-optimized before use in the diatoms. The required genetic elements, typically the variable light chain (V L ) and the variable heavy chain (V H ) were synthesized by IDT-DNA (Coralville, Iowa) so that they fit optimally into the created vectors (Fig. 2B). Interfering restriction sites were also removed or modified. A variant of the vectors according to the invention for the production of antibodies in scFv-Fc format is shown in Fig. 2B. Here, the variable light chain (kappa or lambda format (V LK or V L A)) and the variable heavy chain (V H ) can be used. In this example, the constant regions of both chains come from the horse. Constructs were also generated that contain constant antibody regions from other host organisms (e.g. mouse or human). Other variants of the vectors according to the invention have been produced and successfully used for the heterologous production of other formats such as Fab or scFv-Fc. The example shown in Fig. 2B contains the finished vector construct and, in addition to the elements to be introduced into P. tricornutum, also bacterial genetic elements that are used for cloning in E. coli. (colE1 origin and gentamycin resistance gene). The gene of interest was inserted in three copies in the construct. After the ballistic or electroporation-based transformation of P. tricornutum, the clones obtained must not only be checked for the uptake of the antibody genes, but also the rapid identification of clones that express the introduced antibody gene particularly strongly is a central innovation of this invention. The underlying screening method according to the invention enables the correlation of the fluorescence caused by tGFP (Turbo-Green Fluorescent Protein), which is measured in a special microtiter plate reader, with the later expected amount of antibody formed (Figure 21 shows the correlation between fluorescence and expression rate in 9 independent clones).
Im Vergleich zu im Stand der Technik beschriebenen Produktionsraten von maximal 3 mg Antikörper * L1 Kultur konnte in dem erfindungsgemäßen System aus 1 L Kultur 160 mg aufgereinigter Antikörper erhalten werden. Um dies zu erreichen, wurden neue Medienzusammensetzungen, eine Belüftung mit mehr als 3 L * min-1 Druckluft sowie eine Beleuchtung mit einer Lichtstärke von 100 - 1000 W * nr2 in einer eigens entwickelten Reaktorsäule eingesetzt. In comparison to production rates of a maximum of 3 mg of antibody * L 1 culture described in the prior art, 160 mg of purified antibody could be obtained from 1 L of culture in the system according to the invention. To achieve this, new media compositions, aeration with more than 3 L * min -1 of compressed air and lighting with a light intensity of 100 - 1000 W * nr 2 in a specially developed reactor column were used.
Eine beispielhafte Medienzusammensetzung ist in der folgenden Tabelle angegeben: An example media composition is given in the following table:
Nach typischerweise vierzehn bis zwanzig Tagen Fed-Batch-Kultur können die Kieselalgen geerntet und aufgeschlossen werden. Die Aufreinigung folgt dem klassischen Verfahren, d. h. nach der Lyse und Zentrifugation und/oder einer Ultrafiltration erfolgt die Aufreinigung entweder über Protein A, Protein G oder über die eingesetzten Tag-Sequenzen, beispielsweise den 6xHis-Tag. Hier liegt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, denn im Gegensatz zu höheren Pflanzen, die transient oder stabil Antikörper produzieren, enthalten die Kieselalgen keine die Aufreinigung der Antikörper enorm erschwerenden Fasern. Die Aufreinigung entspricht daher zu großen Teilen dem Verfahren, wie es beispielsweise für tierische Zellkulturen, wie CHO-Zellen, eingesetzt wird. BEZUGSZEICHENLISTE After typically fourteen to twenty days of fed-batch culture, the diatoms can be harvested and digested. Purification follows the classic method, i.e. after lysis and centrifugation and/or ultrafiltration, purification is carried out either via protein A, protein G or via the tag sequences used, for example the 6xHis tag. This is another advantage of the method according to the invention, because unlike higher plants, which produce antibodies transiently or stably, the diatoms do not contain any fibers that make the purification of the antibodies extremely difficult. The purification therefore largely corresponds to the method used for animal cell cultures, such as CHO cells. REFERENCE SYMBOL LIST
1 Sequenzoptimierung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz1 Sequence optimization of the nucleic acid sequence according to the invention
2 Einbringen der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz in einen erfindungsgemäßen Vektor 2 Introducing the nucleic acid sequence according to the invention into a vector according to the invention
3 Transformation 3 Transformation
4 Screening-Verfahren 4 screening procedures
5 Verfahren zur Herstellung von rekombinanten Proteinen 5 Methods for the production of recombinant proteins
6 Vektor 6 vector
7 Zellen 7 cells
8 Kulturmedium 8 culture medium
9 Expressionskassette 9 expression cassette
9.1 Promotorelement 9.1 Promoter element
9.2 erste Transkriptionseinheit 9.2 first transcription unit
9.21 variable schwere Kette 9.21 variable heavy chain
9.22 variable leichte Kette 9.22 variable light chain
9.23 Hinge-Region 9.23 Hinge region
9.24 equine konstante Region (CH2 und CH3) 9.24 equine constant region (CH2 and CH3)
9.3 zweite Transkriptionseinheit 9.3 second transcription unit
9.4 Signalpeptid 9.4 Signal peptide
9.5 Selektionsmarker 9.5 Selection markers
10.1 Längenstandard der Gelelektrophorese 10.1 Length standard of gel electrophoresis
10.2 Wildtyp-Extrakt in der Gelelektrophorese 10.2 Wild-type extract in gel electrophoresis
10.3 equines lgG6 in der Gelelektrophorese 10.3 equine lgG6 in gel electrophoresis
10.4 scFv-Fc in der Gelelektrophorese 10.4 scFv-Fc in gel electrophoresis
10.5 murines lgG1 in der Gelelektrophorese 10.5 murine lgG1 in gel electrophoresis
10.6 humanes IgG in der Gelelektrophorese 10.6 human IgG in gel electrophoresis
10.7 humanes lgG1 in der Gelelektrophorese 10.7 human lgG1 in gel electrophoresis
11.1 einzelne Zellen von Phaeodactylum tricornutum 11.1 single cells of Phaeodactylum tricornutum
11.2 zweifache Zellketten von Phaeodactylum tricornutum 11.2 double cell chains of Phaeodactylum tricornutum
11.3 vielfache Zellketten von Phaeodactylum tricornutum 11.3 multiple cell chains of Phaeodactylum tricornutum
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