PsyXpress: Development of a new bacterial host for efficient expression of cold-adapted enzymes

Cold-adapted enzymes are very challenging to produce in standard bacterial production hosts because they typically form inactive aggregates. This challenge represents perhaps the biggest bottleneck for further developments of new enzyme products from marine bioprospecting. Development of improved expression systems for enzymes with extreme properties could potentially have large impact on national and international biotech industry because such enzymes are highly desirable due to their intrinsic high efficiency at low temperatures, they can contribute to more environmentally friendly industrial processes, and they can improve the quality of downstream products. The main objective of PsyXpress has been to develop a bacterium, which is naturally adapted to extreme environmental conditions, for efficient production of cold-adapted enzymes. We identified a marine bacterium as a very interesting candidate for further commercial developments. The most important reasons are that the bacterium grows relatively fast to high densities at low temperatures, it is sensitive to commonly used antibiotics, expression of enzymes can be induced, its genome is known, and the genome can be manipulated in a site-specific fashion using genetic tools. During this project we have developed a prototype expression system and tested sixteen commercially relevant cold-adapted enzymes. Nine of the cases resulted in soluble enzymes, which is higher than expected when using conventional systems, such as E. coli. Further developments of the system towards a commercially viable product, either in the form of commercial kits with live cells and reagents or as service where the service provider does cloning and expression, is on-going.

Innen bioteknologisk forskning og industri har det de senere årene vært mye fokus på enzymer med ekstreme egenskaper (ekstremofile). Eksempelvis har kuldeadapterte enzymer et stort industrielt potensiale fordi de effektivt katalyserer enzymatiske prosesser ved lave temperaturer. Dette kan bidra til å gjøre prosesser mer tids- og kostnadseffektive samt mer miljøvennlige. Det har imidlertid vist seg å være svært utfordrende å produsere ekstremofile enzym i standard mesofile produksjonsverter som Escherichia coli. Grunnen til dette er at enzymer ofte danner uvirksomme aggregater. Denne utfordringen representerer i dag trolig den viktigste flaskehalsen i videre utvikling av nye enzymprodukter fra marin bioprospektering (se Fig. 1). Et forbedret system for uttrykk av ekstreme enzymer vil gi store nasjonale og internasjonale ringvirkninger, og vil kunne føre til langt flere kommersielle produkter fra bioprospekteringen. Målet med dette prosjektet er å finne en produksjonsvert som er naturlig tilpasset det ekstreme miljøet, og som dermed passer bedre for å uttrykke kuldetilpassede (og andre ekstreme) enzymer. Vi har nylig identifisert en marin bakterie som en meget interessant kandidat for videre utvikling. De viktigste årsakene er at bakterien trives ved svært lave temperaturer (vekst optimum på 12-16 °C) og kan dyrkes helt ned til 0 °C), (ii) bakterien vokser raskt til høy optisk tetthet (>OD600=6), (iii) uttrykk av gener kan enkelt induseres ved å tilsette en syntetisk autoinduser, (iv) bakteriens genom er tilgjengelig (meget høy kvalitet), og (v) genetiske verktøy er tilgjengelige. Vi forventer i dette prosjektet å finne en ny produksjonsvert som vil bane vei for mer effektive uttrykk av enzymer som er tilpasset ekstreme miljø. En slik vert er etterspurt på markedet i dag, og flere selskaper (eksempelvis Life Technologies ) vil kunne ta produktet inn i sin portefølje og selge det videre til industri, forskning og diagnostikk.