KR100251284B1 - How to improve the expression of granulocyte colony stimulating factor by two-step repeated feeding culture - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 2단계 반복식 유가 배양공정(two-stage repeated fed-batch process)에 의해 과립구 콜로니 자극인자(granulocyte colony stimulating factor: G-CSF)의 발현을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 살모넬라 균주의 L-아라비노즈(arabinose) 오페론을 이용한 G-CSF 발현벡터로 형질전환된 재조합 대장균을 균체 성장 단계(growth stage)와 단백질 생산 단계(production stage)의 2단계로 나누어, 반복식 유가배양을 실시하여 전기 재조합 대장균으로부터 재조합 G-CSF의 발현을 증대시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving the expression of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) by a two-stage repeated fed-batch process. More specifically, the present invention relates to recombinant E. coli transformed with a G-CSF expression vector using L-arabinose operon of Salmonella strains. The present invention relates to a method of increasing the expression of recombinant G-CSF from E. coli by performing repeated fed-culture in steps.
일반적으로, 유가 배양법(fed-batch fermentation)에 있어서, 균체의 성장 속도는 유가 배지의 첨가속도에 비례한다. 다시 말하면, 유가 배지의 첨가 속도는 균체가 기질을 소비하는 속도에 의해 제한을 받게 된다. 발효조 내의 기질 소비량은 균체의 비 증식 속도와 균체량에 의해 결정되므로, 고농도의 균체량은 기질의 소모 속도를 증대시키고, 이로 인해 균체량의 증가 속도도 빨라지게 되어 재조합 단백질의 생산성이 향상된다.In general, in fed-batch fermentation, the growth rate of the cells is proportional to the addition rate of the fed-batch medium. In other words, the rate of addition of the fed-up medium is limited by the rate at which the cells consume the substrate. Since the substrate consumption in the fermenter is determined by the specific growth rate and the cell weight of the cells, the high concentration of the cell increases the rate of consumption of the substrate, thereby increasing the speed of increase of the amount of the cell and thus improving the productivity of the recombinant protein.
그러나, 종래의 유가 발효의 경우, 대부분의 배양 시간에 있어서 균체의 농도는 낮은 수준에 머물고, 발효 후반부에 이르러서야 고농도의 균체량을 얻을 수 있으므로, 전체 발효 공정에서의 균체량이 낮아 재조합 단백질의 생산성도 저조하다는 문제점이 있었다. 결국, 유가 발효시 전체 발효 공정에서 계속적으로 고농도의 균체량을 유지할 수 있다면, 재조합 단백질의 생산성을 극대화시킬 수 있을 것이다.However, in the case of the conventional fermented milk fermentation, the concentration of the cells is maintained at a low level for most of the incubation time, and high cell mass can be obtained only in the latter part of the fermentation. There was a problem of low. As a result, if the fermentation can maintain a high concentration of the cell mass continuously in the entire fermentation process, the productivity of the recombinant protein will be maximized.
이러한 목적을 위하여, 쿨레스(Curless) 등은 유가 발효의 변형인 2단계 반복식 유가 배양 공정을 개발하였는 바(참조: Curless, C. et al., Biotechnology and Bioengineering, 38:1082-1090(1991)), 성장 단계의 발효조에서 고농도로 배양된 균체의 배양액 중 일정 부피를 두번째 단계 즉, 단백질 생산 단계의 발효조로 옮기고, 나머지 배양액은 첫번째 단계 즉, 균체 성장 단계의 발효조에 남긴다. 이후 단백질 생산 단계의 발효조에서는 단백질의 발현이 유도된 후 단백질 생산에 필요한 유가법에 의해 단백질을 대량 생산하게 되고, 이 동안 균체 성장 단계의 발효조에서는 두번째 단계로 옮겨질 배양액의 부피 만큼을 다시 유가 발효를 통하여 채우게 된다. 이러한 공정을 반복적으로 수행함으로써, 고농도의 균체량을 발효 공정 전체에 걸쳐 유지하여, 재조압 단백직의 생산성을 크게 증진시킬 수 있었다.To this end, Curless et al. Have developed a two-stage, repeatable fed-batch culture process that is a variant of fed-batch fermentation (Curless, C. et al., Biotechnology and Bioengineering, 38: 1082-1090 (1991). )), A certain volume of the culture medium of the cells cultured at high concentration in the growth stage of the fermenter is transferred to the fermenter of the second stage, that is, protein production stage, and the remaining culture is left in the fermenter of the first stage, the cell growth stage. Subsequently, in the fermenter in the protein production stage, the expression of the protein is induced, and the protein is mass-produced by the milking method required for protein production. During this time, the fermenter in the cell growth stage is again fed with the volume of the culture medium to be transferred to the second stage. Filled through By repeatedly performing such a process, a high concentration of cell mass was maintained throughout the fermentation process, thereby greatly improving the productivity of the re-controlled protein weaving.
본 발명에서는 이와 같은 2단계 반복식 유가 배양 공정을 도입하여, L-아라비노즈 유도성 프로모터하에서 발현되는 재조합 G-CSF의 생산성을 향상시키고자 하였다. 즉, 균체 성장을 위한 제1단계에서는 대수적 유가 방법(exponential feeding)을 적용하여 균체의 비 증식 속도와 건조 균체량을 고농도로 일정하게 유지시키고, 재조합 단백질의 생산을 위한 제2단계에서는 L-아라비노즈 유도 후 배지 첨가의 최적화를 통하여 단시간내에 최대한의 재조합 단백질 생산을 가능케합으로써, 재조합 단백질의 생산성을 향상시키고자 하였다.In the present invention, by introducing such a two-step repeated feed culture process, to improve the productivity of recombinant G-CSF expressed under the L- arabinose inducible promoter. That is, in the first step for cell growth, an exponential feeding method is applied to keep the cell growth rate and dry cell weight constant at a high concentration. In the second step for production of recombinant protein, L-arabinose The induction of the recombinant protein production in a short time through the optimization of medium addition after induction, to improve the productivity of the recombinant protein.
본 발명자들은 이에 앞서 L-아라비노즈 오페론을 이용한 유도성 프로모터가 포함된 발현벡터로 형질전환된 재조합 대장균을 이용하여, 단백질 유도전 균체의 비 증식 속도를 조절하는 대수적 유가법을 실시하여 최적의 성장 속도를 결정한 후, L-아라비노즈로 G-CSF 발현을 유도하여 고농도의 균체량과 G-CSF의 생산을 얻을 수 있는 공정을 제시한 바 있다(참조: 동일자 출원하는 "균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법").The inventors of the present invention prior to the use of recombinant E. coli transformed with an expression vector containing an inducible promoter using L-arabinose operon, by performing an algebraic feeding method to control the specific growth rate of the cells before protein induction optimal growth After determining the rate, a process has been proposed to induce G-CSF expression with L-arabinose to obtain high cell mass and production of G-CSF. To increase the expression of granulocyte colony stimulating factor by fed-batch culture.
이를 바탕으로 G-CSF 생산성을 극대화하기 위하여, 본 발명자들은 G-CSF의 발현 유도 이후의 배지 첨가의 최적화를 통하여 짧은 시간에 최대한의 G-CSF 생산을 가능케한 후, 이를 2단계 반복식 유가 배양 공정 중 단백질 생산 단계에 적용하였다. 즉, 제1단계인 균체 생산 단계에서는 유가 배지의 첨가 속도를 조절하여 비 증식 속도 및 균체량을 일정하게 유지시키기 위한 대수적유가 배양으로 균체를 계속 성장시키고, 제2단계인 단백질 생산단계에서는 제1단계에서 전달된 균체의 L-아라비노즈에 의한 단백질 발현 유도 이후, 탄소원으로 글리세롤이 포함된 배지에서 바람직한 초기 희석 속도의 정속 유가배양으로 단백질을 생산하는, 2단계 반복식 유가배양에 의해 G-CSF의 생산성이 크게 증진됨을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Based on this, in order to maximize G-CSF productivity, the present inventors made it possible to maximize production of G-CSF in a short time through optimization of medium addition after induction of expression of G-CSF, followed by two-step repetitive fed-batch culture. It was applied to the protein production stage in the process. That is, in the first stage of cell production, the cells are continuously grown in algebraic oil culture to maintain the specific growth rate and the specific growth rate by controlling the rate of addition of the feeding medium, and in the second stage of protein production, the first stage. Induction of protein expression by the L-arabinose of the cells delivered in the G-CSF by two-step repetitive fed-batch culture, which produces the protein in a constant feed-rate at a desired initial dilution rate in a medium containing glycerol as a carbon source. It was confirmed that the productivity was greatly improved, and the present invention was completed.
결국, 본 발명의 목적은 발효 단계를 제1단계인 균체 성장 단계와 제2단계인 단백질 생산 단계로 나누어, 2단계 유가 발효를 반복적으로 진행시킴으로써, 재조합 G-CSF의 발현을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.After all, an object of the present invention is to divide the fermentation step into a cell growth step of the first step and a protein production step of the second step, and to provide a method of improving the expression of recombinant G-CSF by repeating the two-step fermentation fermentation. It is.
제1도는 2단계 반복식 유가 배양 중 제1단계인 균체 성장 단계를 일정 균체량 및 일정 비 증식 속도가 유지되도록 제어한 대수적 유가 배양의 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing the results of algebraic fed-batch cultivation in which the cell growth stage, which is the first stage, of the two-stage repeat fed-batch cultivation is controlled to maintain a constant cell mass and a constant specific growth rate.
제2도는 2단계 반복식 유가 발효를 수행하기 위한 장치에 대한 개략도이다.2 is a schematic diagram of an apparatus for carrying out a two-step, repeatable fed-rice fermentation.
제3도는 2단계 반복식 유가 발효를 12번 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the result of performing two-stage repetitive fermentation of 12 times.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 2단계 반복식 유가 발효 공정에 의해 L-아라비노즈 유도성 프로모터를 사용하는 재조합 G-CSF의 생산시, 2단계 반복식 유가 발효 공정의 제어에 있어서 각 사이클의 발효 공정 제어 변수인 균체량 및 단백질 발현량등은 고농도로 일정하게 유지되어야 하는데, 이를 위하여 단백질 생산 단계에 균체를 공급하는 균체의 성장 단계에 있어서의 균체량은 고농도로 일정하게 유지하는 것이 공정 제어의 측면에서 유리하다.Production of recombinant G-CSF using the L-arabinose inducible promoter by the two-step repeated fed fermentation process of the present invention, the amount of cells that are the fermentation process control variable of each cycle in the control of the two-stage repeated fed fermentation process And the amount of protein expression, etc. should be maintained at a constant high concentration, for this purpose, it is advantageous in terms of process control to maintain the constant cell concentration at a high concentration in the growth stage of the cells supplying the cells to the protein production stage.
즉, 2단계 반복식 유가 발효 공정의 균체 성장 단계에서 가장 중요한 것은 일정한 비 증식 속도로 성장하는 고농도의 균체량을 계속적으로 일정하게 유지시키는 것이다. 이에, 본 발명에서는 다음과 같은 유가법을 사용하여 상기의 조건을 충족시킨다.That is, the most important thing in the cell growth stage of the two-stage repetitive fed-fermentation fermentation process is to continuously maintain a constant concentration of high concentration of cells growing at a constant specific growth rate. Thus, the present invention satisfies the above conditions using the following oil value method.
첫째, 회분 배양의 완료된 후 원하는 고농도의 균체량을 일정한 비 증식 속도로 얻기 위하여 대수적 유가 방법(exponential feeding fed-batch method)을 사용한다. 대수적 유가 방법은 하기의 방정식에 따라 실시하며, 바람직한 속도로 결정된 0.13h-1내지 0.18h-1의 비 증식 속도를 유지하는 조건 하에서 수행한다(참조: 동일자 출원하는 "균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법"). 대수적 유가 배양 구간에서 사용한 식은 다음의 식(1)과 같다:First, the exponential feeding fed-batch method is used to obtain the desired high cell mass at a constant specific growth rate after completion of the batch culture. The algebraic oil price method is carried out according to the following equation, and is carried out under the conditions of maintaining the specific growth rate of 0.13h -1 to 0.18h -1 determined at the desired rate. To increase the expression of granulocyte colony stimulating factor by fed-batch culture. The equation used in the algebraic fed-rate cultivation section is given by equation (1):
상기 식에서, F0는 유가 배지의 첨가 속도(단위 L/h); X0는 초기 균체량(단위 g/L); V0는 초기 배양 부피(단위 L); μ은 균체의 비 증식 속도(단위 h-1); YX/S는 균체의 수율; Sfo는 유가 배지 중의 포도당 농도; 및, t는 대수적 유가 배양 시간(단위 h)을 나타낸다.Wherein F 0 is the addition rate of the fed-up medium (unit L / h); X 0 is the initial cell mass (unit g / L); V 0 is the initial culture volume (unit L); μ is the specific growth rate of the cells (unit h −1 ); Y X / S is the yield of cells; S fo is the glucose concentration in the fed medium; And t represents the logarithmic feed rate incubation time (unit h).
둘째, 상기의 대수적 유가 방법을 통하여 일정한 비 증식 속도하에서 고농도의 균체량을 얻은 이후에는 얻어진 고농도의 균체량과 비 증식 속도를 일정하게 유지시키기 위한 다음과 같은 유가법을 사용한다.Second, after obtaining a high concentration of cell mass under a constant specific growth rate through the algebraic oil price method, the following oil price method is used to maintain the high concentration and specific growth rate.
① 먼저, 유가 배양 구간에서 시간에 따른 균체의 성장은 다음의 식(2)로 표시될 수 있다:① First, the growth of cells over time in the fed-batch culture section can be expressed by the following equation (2):
상기 식에서, t는 시간(단위 h); X는 균체량(단위 g/L); V는 발효부피(단위 L); 및 μ은 균체의 비 증식 속도(단위 h-1)를 나타낸다.Wherein t is time (unit h); X is the cell mass (unit g / L); V is the fermented volume (unit L); And μ indicates the specific growth rate of the cells (unit h −1 ).
만일, 균체가 일정한 비 증식 속도(μ)로 성장한다면, 식(2)는 다음의 식(3)으로 표시될 수 있다:If the cells grow at a constant specific growth rate (μ), equation (2) can be represented by the following equation (3):
상기 식에서, X0는 초기 균체량(단위 g/L); 및 V0는 초기 발효 부피(단위 L)를 나타낸다.Wherein X 0 is the initial cell mass (unit g / L); And V 0 represents the initial fermentation volume (unit L).
이 때, 균체의 농도를 일정하게 유지시키면, X = X0가 되어 식 (3)은 다음의 식(4)가 되며, 이를 미분하여 최종의 식(5)를 얻는다.At this time, if the concentration of the cells is kept constant, X = X 0 , and equation (3) becomes the following equation (4), which is differentiated to obtain the final equation (5).
상기 식에서, F1은 일정 균체량 및 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 유가 배지의 첨가 속도(단위 L/h)를 나타낸다.In the above formula, F 1 represents the addition rate (unit L / h) of the fed-batch medium for maintaining a constant cell mass and a constant specific growth rate.
② 또한, 이 경우의 유가 배지 중의 제한 기질의 농도는 다음의 식들로부터 유도될 수 있다. 만일, 균체의 성장이 지속적으로 유지되고 다른 부산물의 축적이 없을 경우 기질로 부터 균체가 생성되는 수율은 다음과 같다:② In this case, the concentration of the limiting substrate in the fed-batch medium can be derived from the following equations. If the growth of the cells is sustained and there is no accumulation of other by-products, the yield of the cells from the substrate is as follows:
상기 식에서,Where
YX/S는 수율;Y X / S is the yield;
rX는 균체의 증식 속도(단위 g/L/h); 및,r X is the growth rate of the cells (unit g / L / h); And,
rS는 기질의 소비 속도(단위 g/L/h)를 나타낸다.r S represents the consumption rate of the substrate (unit g / L / h).
그러므로, 상기 식 (2)는 다음의 식(7)과 같이 표시될 수 있다.Therefore, Equation (2) may be expressed as Equation (7) below.
이때, 균체량은 일정하므로 식 (7)은 다음의 식(8) 및 식(9)로 표시될 수 있다.At this time, since the cell mass is constant, Equation (7) may be represented by the following Equations (8) and (9).
또한, 유가 배지의 제한 기질이 발효조 내에 축적 없이 즉시 사용된다고 가정하면, 기질의 소비 속도는 다음의 식(10)으로 표시될 수 있다:In addition, assuming that the limiting substrate of the fed-batch medium is used immediately without accumulation in the fermenter, the rate of consumption of the substrate can be expressed by the following equation (10):
상기 식에서,Where
Sf1은 일정 균체량 및 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 유가 배지의 기질 농도(단위 g/L)를 나타낸다.S f1 represents the substrate concentration (unit g / L) of the fed-batch medium to maintain a constant cell mass and a constant specific growth rate.
여기서 식 (9), (10)을 식 (6)에 대입하면, 일정 균체량과 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 유가 배지 중의 제한 기질의 농도는 다음의 식(11)로 표시된다:Substituting Eq. (9) and Eq. (10) here into Eq. (6), the concentration of the limiting substrate in the fed-batch medium to maintain a constant cell mass and a constant specific growth rate is represented by the following equation (11):
최종식 (5)를 이용하여 일정 균체량 및 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 대수적 유가 배양을 실시한다. 이때, 균체량(X)은 바람직하게는 45g/L 내지 60g/L, 가장 바람직하게는 51g/L로 유지시키고; 비 증식 속도는 바람직하게는 0.13h-1내지 0.18h-1, 가장 바람직하게는 0.15h-1로 유지시킨다.Using formula (5), logarithmic fed-batch culture is carried out to maintain constant cell mass and constant specific growth rate. At this time, the cell mass (X) is preferably maintained at 45 g / L to 60 g / L, most preferably 51 g / L; Specific growth rate is preferably maintained to 0.13h -1 to 0.18h -1, and most preferably from 0.15h -1.
상기의 식 (1)과 식 (5)를 이용하여, 2단계 반복식 유가 배양 중 성장단계에서 여러 주기(cycle)를 거치면서, 균체량과 비 증식 속도 그리고 플라즈미드의 안정성이 일정하게 유지되는지를 확인한다. 또한, 성장 단계에서 6번의 유가 배양 주기 후에 L-아라비노즈를 첨가하여 단백질의 발현을 유도하고, 단백질의 발현이 제대로 이루어지는지에 대한 확인을 통하여, 반복식 유가 배양의 성장 단계가 안정적인 공정인지에 대한 검증을 수행한다.Using equations (1) and (5) above, it is confirmed that the cell mass, specific growth rate and stability of plasmid are kept constant through several cycles in the growth stage of the two-stage repetitive oil-feed culture. do. In addition, L-arabinose is added to induce the expression of the protein after six cycles of fed-batch culture in the growth stage, and confirms whether the expression of the protein is properly performed. Perform verification.
제1단계의 균체 성장 단계에서 상술한 바와 같이 일정한 비 증식 속도로 성장하는 고농도의 균체량을 계속적으로 일정하게 유지시키는 동시에, 이들 균체의 배양액 중 일정 부피를 제2단계의 단백질 생산 단계의 발효조로 옮기고, 단백질의 발현을 유도한 다음, 단백질 생산용 유가배지(글리세롤을 탄소원으로 하는 배지)에서 초기 희석 속도 0.050h-1내지 0.120h-1, 가장 바람직하게는 0.085h-1로 정속 유가배양하여 재조합 G-CSF 단백질을 대량 생산한다.As described above in the cell growth step of the first step, while maintaining a constant high concentration of cells grown at a constant non-proliferation rate, while transferring a certain volume in the culture medium of these cells to the fermenter of the protein production step of the second step , which induces the expression of the protein and then the protein produced oil medium (culture medium of glycerol as a carbon source), the initial dilution rate 0.050h -1 to 0.120h -1, and most preferably from a recombinant by a constant-speed-Batch culture 0.085h -1 in for Mass production of G-CSF protein.
이와 같은 2단계 반복식 유가 발효의 단위 부피당 생산성(volumetric productivity)은 n번의 주기를 반복하여 유가 발효를 수행할 경우에 다음 식(12)에 의해 계산된다:The volumetric productivity per unit volume of this two-stage fed fed fermentation is calculated by the following equation (12) when the fed fermentation is carried out by repeating n cycles:
상기 식에서,Where
Prvol은 단위 부피 당 생산성(단위 g/L/h);Pr vol is the productivity per unit volume (unit g / L / h);
Pfzi는 i번째 주기의 단백질 생산 단계에서 생산된 최종 단백질의 농도(단위 g/L);P fzi is the concentration of the final protein produced in the protein production stage of the i cycle, in g / L;
Vfzi는 i번째 주기의 단백질 생산 단계의 최종 발효 부피(단위 L);V fzi is the final fermentation volume (unit L) of the protein production stage of the i th cycle;
Vfli는 i번째 주기의 균체 성장 단계의 최종 발효 부피(단위 L);V fli is the final fermentation volume (unit L) of the cell growth stage of cycle i;
td는 발효 준비 시간(dead time)(단위 h);t d is the dead time (unit h);
tb는 회분 발효 시간(단위 h);t b is the batch fermentation time (unit h);
tg는 균체량을 증가시키기 위한 대수적 유가 배양 시간(단위 h); 및t g is the logarithmic feed rate of incubation time (unit h) to increase cell mass; And
tfi는 i번째 주기의 유가 배양 시간(단위 h)을 각각 나타낸다.t fi represents the incubation time (unit h) of the i-th cycle.
또한, 본 발명에서와 같이 두 단계의 최종 발효 부피(Vf1, Vf2), 유가배양시간(tf), 최종 단백질 농도(Pf2)가 각각의 주기간에 변화없이 일정하고, 이러한 주기가 무한히 반복되는 경우 식(12)는 다음 식(13)으로 표시될 수 있다:In addition, as in the present invention, the final fermentation volumes (V f1 , V f2 ), the incubation time (t f ), and the final protein concentration (P f2 ) of the two stages are constant without change in each week period, and this cycle is infinite When repeated, equation (12) can be represented by the following equation (13):
본 발명의 2단계 반복식 유가 배양을 사용하여 12회의 주기로 수행하는 경우의 단위 부피당 생산성은 종래의 산소를 첨가한 Do-stat 유가 배양법(참조: 동일자 출원하는 "산소가 첨가된 DO-stat 유가식 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법") 및 대수적 유가 배양 후의 정속 유가 배양법(참조: 동일자 출원하는 "균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법")을 이용한 경우의 단위 부피당 생산성에 비해, 각각 2배 이상 및 약 60% 이상 향상됨을 알 수 있었다.The productivity per unit volume in the case of 12 cycles using the two-stage repetitive fed-batch culture of the present invention is based on the conventional oxygen-added Do-stat fed-batch culture method (refer to the same application, "Oxygenated DO-stat fed-batch formula Method for improving the expression of granulocyte colony stimulating factor by cultivation "and constant rate fed cultivation method after algebraic fed-batch cultivation (see" Improving the expression of granulocyte colony stimulating factor by the fed-batch culture controlling the specific growth rate of bacteria " It can be seen that compared to the productivity per unit volume when using ")"), more than two times and about 60% or more, respectively.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의한 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention by these examples is not limited.
[실시예 1 : 2단계 반복식 유가 배양 공정 중 성장 단계에서의 유가 배지 첨가의 최적화]Example 1 Optimization of Feeding Medium Addition at Growth Stage in Two-Step Repetitive Feeding Cultivation Process
균체 성장 단계에서 일정 균체량과 일정 비 증식 속도를 대수적 유가법으로 유지시키기 위하여, 우선 냉동고(-70℃)에서 25% 글리세롤에 보관된 G-CSF 발현 균주인 재조합 대장균 MC1061:pWAGF(KFCC-10961)(참조: 대한민국 특허출원 제 97-15210호)를 30℃ 진탕 배양기에서 150rpm으로 15시간 배양하였다. 이를 하기 표 1의 조성으로 이루어진 회분 발효 배지에 최종 5%의 농도가 되도록 초기 배양 부피 1L의 발효조 BiofloIII(New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA)에 무균적으로 접종하였다. 그런 다음, 중성 pH, 온도 37℃, 교반속도 600rpm 및 통기량 1.0vvm의 초기 운전 조건에서 회분 배양하였다. 이때, 배양기 내의 pH는 15%(v/v) 인산을 산으로, 10%(v/v) 수산화 암모늄을 염기로 하여 중성으로 유지시켜 주었다.In order to maintain constant cell mass and constant specific growth rate in algebraic feeding at the stage of cell growth, recombinant E. coli MC1061: pWAGF (KFCC-10961), which is a G-CSF expressing strain stored in 25% glycerol in a freezer (-70 ° C), is first used. (Reference: Korean Patent Application No. 97-15210) was incubated for 15 hours at 150 rpm in a 30 ℃ shaking incubator. This was aseptically inoculated as a fermenter BiofloIII (New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA) of the initial culture volume 1L to a final concentration of 5% in the batch fermentation medium consisting of the composition of Table 1 below. Then, the batch was incubated at the initial operating conditions of neutral pH, temperature 37 ℃, stirring speed 600rpm and aeration amount 1.0vvm. At this time, the pH in the incubator was kept neutral with 15% (v / v) phosphoric acid as the acid, 10% (v / v) ammonium hydroxide as the base.
초기 배양 배지에서 회분 형식으로 균체를 배양하다가, 영양 성분이 모두 고갈되어 용존 산소의 양이 급격히 증가할 때부터, 하기 표 1의 대수적 유가 배지를 식(1)에 의거해 첨가하였다. 이때, 비 증식 속도(μ)는 동일자 특허출원하는 "균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법"에서 최적의 속도로 결정된 0.15h-1, 초기 균체량(X0)은 25g/L, 초기 배양 부피(Vo)는 1L, 유가 배지 중의 포도당 농도(Sfo)는 400g/L, 균체의 수율(YX/S)은 0.52를 각각 사용하여 대수적 유가 배양을 실시하였다.While culturing the cells in batch form in the initial culture medium, when all the nutrient components are depleted and the amount of dissolved oxygen rapidly increases, the logarithm of fed oil medium of Table 1 was added according to the formula (1). At this time, the specific growth rate (μ) is 0.15h -1 , the initial cell weight determined at the optimum rate in the "method of improving the expression of granulocyte colony stimulating factor by the fed-batch culture controlling the specific growth rate of cells" (X 0 ) is 25g / L, initial culture volume (Vo) is 1L, glucose concentration (S fo ) in fed medium is 400g / L, the yield of bacteria (Y X / S ) 0.52 using algebraic fed-batch culture Was carried out.
[표 1]TABLE 1
6시간의 대수적 유가 배양을 실시하여 균체량이 건조 균체량 기준으로 51g/L가 되면 0.3L의 배양액을 수획하고, 이후 발효조에 남은 배양액에 식(5)를 이용하여 일정 균체량과 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 대수적 유가 배지(참조: 표 2)를 첨가하였다. 식 (5)에서, 초기 발효 부피(V1)는 0.9L, 비 증식 (μ)는 0.15h-1를 사용하였다. 이후 6시간 주기로 발효 부피가 2.5L 발효조의 최대 발효 부피인 2.21L가 되면, 배양액을 1.3L 씩 수획하고 남아있는 배양액 0.9L에 다시 일정 균체량과 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 대수적 유가 배지를 첨가하였다. 상기에서, 수획한 배양액은 균체량과 포도당 농도, 초산 농도, 플라즈미드의 안정성을 측정하기 위한 시료로 히용하였다.After 6 hours of algebraic oil value cultivation, when the cell mass reaches 51 g / L based on dry cell weight, 0.3 L of culture medium is harvested, and then, using the formula (5) in the remaining culture medium in the fermenter, constant cell mass and constant specific growth rate are maintained. Algebraic feeding medium (see Table 2) was added. In equation (5), 0.9 L of initial fermentation volume (V 1 ) and 0.15 h −1 of specific growth (μ) were used. When the fermentation volume reaches 2.21 L, which is the maximum fermentation volume of the 2.5 L fermentation tank, every 6 hours, the culture medium is harvested by 1.3 L and the remaining culture medium 0.9 L is added with an algebraic feeding medium to maintain constant cell mass and constant specific growth rate. It was. In the above, the harvested culture solution was used as a sample for measuring the cell mass, glucose concentration, acetic acid concentration, plasmid stability.
최종적으로, 위의 주기를 6번 반복한 후 남아있는 배양액에 L-아라비노즈를 첨가하여 G-CSF의 발현을 유도하고, 12시간 동안 DO-stat 유가법을 이용하여 하기 표 3의 단백질 생산용 유가 배지를 첨가하여 G-CSF의 발현 수준을 확인하였다.Finally, after repeating the above cycle six times, L-arabinose is added to the remaining cultures to induce the expression of G-CSF, and using the DO-stat fed method for 12 hours to produce the protein of Table 3 below. Feeding medium was added to confirm the expression level of G-CSF.
[표 2]TABLE 2
[표 3]TABLE 3
상기에서, 배지의 첨가는 본 발명에서 사용된 유도식을 바탕으로 발효조에 RS422 인터페이스로 연결된 IBM486DX2 컴퓨터에서 advanced fermentation software(part No. M1182-0050, New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA)를 이용하여 조절하였다. 균체량은 분광광도계(Ultrospec II, LKB, USA)를 이용한 600nm 파장에서의 흡광도 측정과 건조 균체량에 의해 결정하였는데, 건조 균체량은 시료를 원심분리하여 균체만을 수득하고, 이를 PBS(phosphate bufferd saline)로 세척하여 다시 원심분리하는 과정을 두번 반복한 다음, 얻은 침전물을 증류수에 현탁하고 수분 분석기(moisture analyzer, Sartorius, MA40, Germany)을 이용하여 측정하였다. G-CSF의 발현량은 먼저 시료를 각각의 농도를 알고 있는 5개의 정제된 G-CSF의 표준 물질과 함께 SDS-PAGE한 다음, 염색하여 레이저 스캐너로 탐색하고 이미지 분석기(image analyzer)로 분석하여, 염색된 부분의 피크 면적을 표준 물질의 피크 면적을 기초로 만든 정량 곡선과 비교함으로써 결정하였다. 플라즈미드의 안정성은 시료를 10배씩 순차적으로 희석하여 LB 플레이트에 도말하고 배양하여 단일 콜로니를 형성시킨 다음, 이를 100㎍/㎖ 농도의 앰피실린이 함유된 LB 플레이트에 옮겨 배양하고, 플라즈미드 존재의 마커인 앰피실린 저항성을 나타내는 단일 콜로니의 형성 정도로서 결정하였다. 발효조 내의 용존 산소의 조절은 발효조의 교반 속도와 가스 혼합기의 산소 분압 비율을 조정함으로써 조절하였다. 즉, 30초마다 발효조에 RS422 인터페이스로 연결된 IBM486DX2 컴퓨터를 통하여 수집된 용존산소량을 advanced fermentation software(part No. M1182-0050, New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA)로 분석하여, 균체의 성장이 산소의 부족으로 인해 영향을 받지 않는 농도인 20%와 비교한 후, 이 농도 이하로 용존 산소량이 감소되면 발효조의 교반 속도를 증대시켰다. 교반 속도가 최대치인 970 rpm에 도달하면, 가스 혼합기(New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA)를 이용하여 통기중의 산소 분압 비율을 증대시킴으로써, 발효조 내의 용존 산소량을 20%이상으로 유지시킬 수 있었다.In the above, the addition of the medium using advanced fermentation software (part No. M1182-0050, New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA) on an IBM486DX2 computer connected to the fermenter via RS422 interface based on the induction formula used in the present invention. By adjusting. The cell weight was determined by absorbance measurement at 600 nm wavelength using a spectrophotometer (Ultrospec II, LKB, USA) and dry cell weight. The dry cell weight was obtained by centrifuging the sample to obtain only cells and washed with PBS (phosphate buffered saline). After repeating the centrifugation process twice, the obtained precipitate was suspended in distilled water and measured using a moisture analyzer (Mosture analyzer, Sartorius, MA40, Germany). The expression level of G-CSF was first measured by SDS-PAGE with 5 purified G-CSF standard substances of known concentration, and then stained, searched by a laser scanner, and analyzed by an image analyzer. The peak area of the stained part was determined by comparing it with a quantitative curve based on the peak area of the standard material. The stability of the plasmid was diluted 10 times in succession, smeared on the LB plate and incubated to form a single colony. It was determined as the degree of formation of a single colony showing ampicillin resistance. The adjustment of the dissolved oxygen in the fermenter was controlled by adjusting the stirring rate of the fermenter and the oxygen partial pressure ratio of the gas mixer. That is, every 30 seconds, dissolved oxygen collected through the IBM486DX2 computer connected to the fermentor via the RS422 interface was analyzed by advanced fermentation software (part No. M1182-0050, New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA). Compared to 20%, which is not affected by the lack of oxygen, the amount of dissolved oxygen below this concentration increased the stirring speed of the fermenter. When the stirring speed reaches the maximum value of 970 rpm, the oxygen partial pressure in the aeration can be increased by using a gas mixer (New Brunswick Sci. Co. Ltd., USA) to maintain the dissolved oxygen amount in the fermenter at 20% or more. there was.
상술한 방법으로 제1단계인 균체 성장 단계에서의 일정 균체량 및 일정비 증식 속도를 유지시킨 대수적 유가법의 결과를 제1도에 나타내었다.Fig. 1 shows the result of the algebraic oil price method in which the constant cell mass and the constant growth rate were maintained in the first stage of cell growth.
제1도에서 보듯이, 6번의 주기 동안 균체량은 일정하게 유지되었고, 플라즈미드의 안정성 역시 높은 수준으로 유지되었으며, 6번의 주기후 G-CSF 발현을 유도한 경우에도 G-CSF의 발현이 높은 수준으로 이루어지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 2단계 반복식 유가 배양에서, 식(11)을 이용해 계산된 농도의 포도당을 제한기질 농도로 하는 유가배지를 사용하여, 식 (5)에 따라 유가식 배양을 할 경우 균체 성장 단계는 안정적으로 유지됨을 알 수 있었다.As shown in FIG. 1, the cell mass was kept constant for 6 cycles, the plasmid stability was maintained at a high level, and even after G-CSF expression was induced after 6 cycles, the expression of G-CSF was high. It was found to happen. Therefore, in the two-stage repetitive fed-batch cultivation, when the fed-batch cultivation is carried out according to the formula (5) using a fed-batch medium having the concentration of glucose calculated using Eq. It can be seen that it is maintained.
[실시예 2 : 2단계 반복식 유가 배양 공정 중 단백질 생산 단계에서의 유가 배지 첨가의 최적화][Example 2: Optimization of Feeding Medium Addition in Protein Production Step in Two-Step Repeat Feeding Culture]
실시예 1의 방법으로 2단계 반복식 유가 발효 공정의 균체 성장 단계를 안정적으로 제어할 수 있으므로, 본 실시예에서는 단백질 생산 단계의 유가 배지 첨가를 최적화하고자 하였다.Since the method of Example 1 can stably control the cell growth stage of the two-step repetitive fed-batch fermentation process, in this example, it was intended to optimize the addition of fed-batch medium in the protein production step.
실시예 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 사용하는 2.5L 발효조에서 0.15h-1의 비 증식 속도로 51g/L의 균체량을 유지시키는 경우, 6시간이면 발효 부피가 발효조의 최대 수용 가능 부피인 2.21L에 도달하므로, 단백질 생산 단계에서 최대한의 단백질 수율을 얻기 위해서는 단백질 발현 유도 후 6시간대에 최대한의 단백질 수율을 얻을 수 있는 유가 배양 전략이 필요하였다.As can be seen in Example 1, in the 2.5L fermenter used in the present invention, when the cell mass of 51 g / L is maintained at a specific growth rate of 0.15h −1, the fermentation volume is 2.21, which is the maximum acceptable volume of the fermenter. Since it reaches L, in order to obtain the maximum protein yield at the protein production stage, a fed-batch culture strategy was needed to obtain the
단백질의 발현 유도 후, 정속 유가 배양으로 단백질의 발현을 향상시키고자 하였다. 이를 위해, 먼저 회분 발효가 완료된 후 대수적 유가법을 이용하여 0.15h-1의 비 증식 속도를 유지시키면서 6시간 유가 배지를 첨가하여 균체량 51g/L가 될 때까지 배양하였다. 이후 L-아라비노즈를 첨가하여 G-CSF의 발현을 유도시킨 후, 정속 유가 배양을 상기 표 3의 유가 배지를 이용하여 6시간 동안 실시하였다. 탄소원으로 포도당을 사용하였을 경우와 글리세롤을 사용하였을 경우, 초기 희석 속도(F/V0)를 기준으로 유가 배지 첨가 속도의 변화를 주어, 최적의 유가 방법을 결정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.After inducing the expression of the protein, constant-cost fed-culture to improve the expression of the protein. For this purpose, the batch fermentation was completed and then cultured until the cell mass reached 51 g / L by adding a fed medium for 6 hours while maintaining a specific growth rate of 0.15 h −1 using an algebraic feeding method. After the L-arabinose was added to induce the expression of G-CSF, constant-feed fed culture was carried out for 6 hours using the fed-value medium of Table 3 above. When glucose was used as the carbon source and glycerol was used, the optimum oil feed rate was determined by changing the rate of addition of the feed medium on the basis of the initial dilution rate (F / V 0 ), and the results are shown in Table 4 below. Indicated.
[표 4]TABLE 4
상기 표 4에서 보듯이, 초기 희석 속도를 증가시킴에 따라 포도당이 탄소원으로 첨가되는 경우에는 초기에 과량의 포도당이 첨가되어 초산 등 부산물의 축적이 일어나고, 이에 따라 초기 희석 속도 기준으로 0.085h-1이상으로 유가 배지를 첨가할 경우, 균체의 성장이 심각하게 저해를 받고 또한 균체량에 비해 G-CSF의 발현량이 떨어지는 현상이 초래되었다. 그러나, 글리세롤을 탄소원으로 사용하는 경우에 있어서는 높은 속도에서 유가 배지 첨가를 수행하는 경우에도 초산 등의 부산물 축적이 관찰되지 않았으며, 이로 인하여 G-CSF의 발현량 또한 높은 수준으로 발현됨을 알 수 있었다. 글리세롤을 탄소원으로한 유가 배지의 첨가에 있어서 최적의 초기 희석 속도는 0.085h-1이고, 이때의 6시간 이후의 건조 균체량과 G-CSF의 발현 수준은 각각 73.4g/L와 9.02g/L였다.As shown in Table 4, when glucose is added as a carbon source as the initial dilution rate is increased, excess glucose is initially added to accumulate by-products such as acetic acid, and thus 0.085h -1 based on the initial dilution rate. In the case of adding the fed medium, the growth of the cells was severely inhibited and the expression of G-CSF was lowered compared to the amount of the cells. However, in the case of using glycerol as a carbon source, by-product accumulation, such as acetic acid, was not observed even when the fed medium was added at a high rate. As a result, the expression level of G-CSF was also expressed at a high level. . The optimum initial dilution rate was 0.085h -1 for the addition of a glycerol-based feedstock medium, and the dry cell mass and G-CSF expression levels after 7 hours were 73.4g / L and 9.02g / L, respectively. .
[실시예 3 : 2단계 반복식 유가 발효]Example 3 2-Step Repetitive Fermented Oil Price
상기 표 2의 조성을 갖는 유가 배지를 사용하여 일정 비 증식 속도 0.15h-1및 일정 균체량 51g/L를 유지시키기 위한 대수적 유가 방법으로 제1단계인 균체 성장 단계를 제어하고(참조: 실시예 1), 실시예 2에서는 단백질 발현 유도 이후 최적의 유가 방법으로 결정된 글리세롤을 탄소원으로 한 상기 표 3의 조성를 갖는 유가 배지를 이용하여 초기 희석 속도 0.085h-1의 정속 유가법으로 제2단계인 단백질 생산 단계를 제어하는, 2단계 반복식 유가 발효를 실시하였다. 2단계 반복식 유가 발효법의 간단한 장치도는 제2도에 나타내었다.Using the oily medium having the composition shown in Table 2 above, the first stage of cell growth was controlled by an algebraic feeding method for maintaining a constant specific growth rate of 0.15 h −1 and a constant cell weight of 51 g / L (see Example 1). In Example 2, the protein production step of the second step by the constant dilution rate of the initial dilution rate of 0.085h -1 using the oil medium having the composition shown in Table 3 using the glycerol as a carbon source determined by the optimal method of induction after protein expression induction To control the two-stage, repeated feed fermentation was carried out. A simple schematic diagram of a two-step, repeatable fed fermentation method is shown in FIG.
균체 성장 단계인 제1단계와 단백질 생산 단계인 제2단계의 2대의 발효조에서, 초기 발효 부피 1L을 시점으로 하여 각각 상기 표 1의 회분 발효 배지에서 회분 형식으로 균체를 배양하다가, 영양 성분이 모두 고갈되어 용존 산소의 양이 급격히 증가할 때부터 상기 표 1의 대수적 유가배지를 식 (1)을 사용하여 유가하였다. 이때, 비 증식 속도(μ)는 0.15h-1, 초기 균체량(X0)은 25g/L, 초기 배양 부피(Vo)는 1L, 유가 배지 중의 포도당 농도(Sfo)는 400g/L, 균체의 수율(YX/S)은 0.52를 각각 사용하여 대수적 유가 배양을 실시하였다.In two fermenters, the first stage of cell growth and the second stage of protein production, cells were cultured in batch form in the batch fermentation medium of Table 1, each with an initial fermentation volume of 1 L. Since the amount of dissolved oxygen is rapidly depleted and the amount of dissolved oxygen is rapidly increased, the algebraic oil medium shown in Table 1 has been fed using Equation (1). At this time, the specific growth rate (μ) is 0.15h -1 , the initial cell mass (X 0 ) is 25g / L, the initial culture volume (Vo) is 1L, the glucose concentration (S fo ) in the fed medium is 400g / L, Yield (Y X / S ) was algebraic fed-batch culture using 0.52 each.
6시간의 대수적 유가 배양을 실시하여 발효 부피 1.2L, 균체량이 건조 균체량 기준으로 51g/L가 되면, 제1단계의 발효조에서 0.3L의 배양액을 제2단계의 발효조로 전달시킨 후, 제1단계의 발효조에서는 남은 배양액에 실시예 1의 방법대로 식(5)를 이용하여 일정 균체량과 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 대수적 유가 배지를 유가하였다. 이때, 제2단계의 발효조에서는 제1단계에서 전달된 0.3L를 포함한 1.5L의 배양액에 L-아라비노즈를 첨가하여 단백질 발현을 유도시킨 후, 실시예 2의 방법에 따라 0.085h-1의 초기 희석 속도로 정속 유가 배양을 실시하였다. 이후 6시간 주기로 제1단계의 발효부피가 2.5L 발효조의 최대 발효부피인 2.21L가 되면, 제2단계의 배양액(2.0-2.2L)를 모두 수획하고, 제1단계의 배양액 중 1.3L를 제2단계로 전달하였다. 이후 제1단계의 발효조에 남아있는 배양액 0.9L에 다시 일정 균체량과 일정 비 증식 속도를 유지시키기 위한 대수적 유가 배지를 유가하였고, 제2단계의 발효조에서는 제1단계에서 전달된 1.3L의 배양액에 L-아라비노즈를 첨가하여 단백질 발현을 유도시킨 후, 실시예 2의 방법에 따라 0.085h-1의 초기 희석 속도로 정속 유가 배양을 실시하였다.After 6 hours of algebraic oil cultivation, the fermentation volume of 1.2L and the total cell weight were 51g / L based on the dry cell weight, 0.3L of the culture solution was transferred from the fermenter of the first stage to the fermenter of the second stage, followed by the first stage. In the fermenter, the algebraic feeding medium for maintaining a constant cell mass and a constant specific growth rate was fed using the formula (5) according to the method of Example 1. At this time, in the fermenter of the second step, L-arabinose is added to 1.5L culture medium containing 0.3L delivered in the first step to induce protein expression, and then the initial stage of 0.085h- 1 according to the method of Example 2 Constant fed-batch culture was performed at the dilution rate. When the fermentation volume of the first stage reaches 2.21L, which is the maximum fermentation volume of the 2.5L fermentation tank, every 6 hours, the second stage culture medium (2.0-2.2L) is collected and 1.3L of the culture medium of the first stage is removed. It was delivered in two stages. After that, the algebraic feeding medium was added to 0.9L of the culture solution remaining in the fermenter of the first stage to maintain a constant cell mass and a constant specific growth rate.In the fermenter of the second stage, L was added to 1.3L of the culture medium delivered in the first stage. After inducing protein expression by adding arabinose, constant flow fed culture was performed at an initial dilution rate of 0.085 h −1 according to the method of Example 2.
위와 같은 주기를 12번 반복하였으며, 이때 6시간 간격으로 제1단계와 제2단계에서 시료를 채취하고 이를 이용하여 균체량과 포도당 농도, 초산 농도, 플라즈미드의 안정성, G-CSF의 발현 수준을 측정하였다. 상기에서, 모든 펌프는 타이머(ChronTrol, model CD-4, Lindburg Enterprise Inc., USA)를 이용하여 6시간 주기로 작동하도록 설계하였다.The above cycle was repeated 12 times. At this time, samples were taken in the first and second stages at 6 hour intervals, and the cell mass, glucose concentration, acetic acid concentration, plasmid stability, and G-CSF expression levels were measured. . In the above, all pumps were designed to run at 6 hour intervals using a timer (ChronTrol, model CD-4, Lindburg Enterprise Inc., USA).
2단계 반복식 유가 발효를 실시한 결과를 제3도에 나타내었다. 제3도에서 보듯이, 12번의 반복식 유가 발효를 수행하였을 때, 2단계의 각각의 발효조에서 균체량, 플라즈미드의 안정성, G-CSF의 발현 수준이 모두 높은 수준으로 안정적으로 유지됨을 알 수 있었다.The results of the two-stage repetitive oil fermentation are shown in FIG. As shown in FIG. 3, it was found that, when 12 repeated oil fermentations were performed, cell mass, plasmid stability, and G-CSF expression levels were maintained at high levels in each of the two fermenters.
위의 방법과 같은 2단계 반복식 유가 발효의 생산성을 종래의 유가 발효와 비교한 결과는 하기 표 5에 나타내었다.The result of comparing the productivity of the two-step repetitive fed-value fermentation method with the conventional fed-value fermentation method is shown in Table 5 below.
본 발명의 2단계 반복식 유가 발효에 의한 단위 부피당 생산성은 식(12) 및 식(13)에 의해 계산되었고, 종래의 유가 발효에 의한 단위 부피당 생산성은 다음의 식에 의해 계산되었다:Productivity per unit volume by two-step repetitive fed-value fermentation of the present invention was calculated by equations (12) and (13), and the productivity per unit volume by conventional fed-value fermentation was calculated by the following equation:
상기 식에서,Where
Prvol은 단위 부피당 생산성(단위 g/L/h);Pr vol is the productivity per unit volume (unit g / L / h);
Pf는 생산된 최종 단백질의 농도(단위 g/L);P f is the concentration of the final protein produced (unit g / L);
td는 발효 준비 시간(dead time)(단위 h);t d is the dead time (unit h);
tb는 회분 발효 시간(단위 h); 및,t b is the batch fermentation time (unit h); And,
tf는 유가 배양 시간(단위 h)을 나타낸다.t f represents the fed-batch incubation time (unit h).
이때, 발효조의 장치, 배지의 준비 및 멸균, 종균 배양 시간 등을 포함하는 발효 준비시간(dead time; td)은 계산에서 제외되었다.At this time, the fermentation preparation time, the dead time (t d ), including the preparation and sterilization of the medium, the seed culture time, etc. were excluded from the calculation.
[표 5]TABLE 5
a: 대한민국 특허출원 제 97-15209호에 개시된 방법.a: the method disclosed in Korean Patent Application No. 97-15209.
b: 동일자 출원하는 "산소가 첨가된 DO-stat 유가식 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법"에 개시된 방법.b: The method disclosed in the same application filed "Method of Enhancing the Expression of Granulocyte Colony Stimulator by Oxygenated DO-stat Fed-Batch Culture".
c: 동일자 출원하는 "균체의 비 증식 속도를 조절하는 유가 배양에 의해 과립구 콜로니 자극인자의 발현을 향상시키는 방법"에 개시된 방법.c: The method disclosed in the same application filed "Method of Enhancing the Expression of Granulocyte Colony Stimulator by Feeding Cultivation Controlling the Specific Growth Rate of Cells".
d: 발효 준비 시간은 생산성의 계산에 있어서 제외되었음.d: Fermentation preparation time was excluded in the calculation of productivity.
e: 2단계 반복식 유가법의 경우 단백질 유도 후 유가 배양 시간은 한 주기 당의 발현 시간을 의미한다.e: In the case of the two-step repetitive feeding method, the incubation time after protein induction means the expression time per cycle.
상기 표 5에서 보듯이, 2단계 반복식 유가 배양을 사용하여 12회의 주기를 수행하는 경우의 단위 부피당 생산성은 0.643 gL-1h-1로서, 종래의 산소를 첨가한 DO-stat 유가 배양법을 이용한 경우의 단위 부피당 생산성인 0.281 gL-1h-1보다 2배 이상, 그리고 대수적 유가 배양 후의 정속 유가 배양법을 이용한 경우의 단위 부피당 생산성인 0.40gL-1h-1에 비해도 약 60% 이상 향상되었음을 알 수 있었다. 또한, 이는 이상적으로 무한히 반복식 유가 배양을 하는 경우의 생산성인 0.728gL-1h-1의 약 89% 수준임을 알 수 있었다.As shown in Table 5, the productivity per unit volume in the case of performing 12 cycles using a two-stage repetitive fed-batch culture is 0.643 gL -1 h -1 , using the DO-stat fed-batch culture method with conventional oxygen More than double the productivity per unit volume of 0.281 gL -1 h -1 , and about 60% more than the 0.40 gL -1 h -1 productivity per unit volume when using a fixed-rate feed culture after algebraic oil cultivation Could know. In addition, this was found to be about 89% of the productivity of 0.728 gL −1 h −1 , which is an ideally infinitely repeated feed culture.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 방법에서는 2단계의 각 발효조에서 균체량, 플라즈미드의 안정성, G-CSF의 발현 수준이 모두 높은 수준으로 안정적으로 유지되어, n번의 주기를 반복하여 유가 발효를 수행하는 경우 G-CSF의 생산성도 종래의 방법들에 비해 크게 향상되었다.As described and demonstrated in detail above, in the method of the present invention, the cell mass, the stability of plasmid, and the expression level of G-CSF are all stably maintained at high levels in each fermenter in two stages, and the fermentation process is carried out repeatedly by n cycles. When performed, the productivity of G-CSF is also significantly improved compared to conventional methods.
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