Produção de quimosina B de Bos taurus em Pichia pastoris

Abstract

A coagulação enzimática do leite para fabricação de queijo envolve a quebra de uma ligação peptídica da caseína por uma protease aspártica. Tradicionalmente, esta clivagem é feita em escala industrial pela ação da quimosina bovina que combina uma forte atividade de coagulação do leite com uma baixa atividade proteolítica. No presente estudo, é relatada a expressão, purificação e caracterização de quimosina recombinante bovina na levedura metilotrófica Pichia pastoris. Para alcançar altos níveis de produção, o cDNA do fragmento codante da pró-quimosina B bovina foi desenhado e sintetizado in vitro otimizando o codon usage para a expressão em P. pastoris. O gene sintético (CHYMb) foi clonado em vetores de expressão contendo os promotores PGK1 (expressão constitutiva) e AOX1 (expressão induzida) seguindo-se integração no genoma da levedura. Os clones transformantes com maior produção enzimática de cada sistema (P1 e A3, respectivamente) foram analisados em culturas simultâneas para comparação da produção enzimática. Maiores níveis de atividade de quimosina foram observados no clone sob o comando do promotor PGK1, que apresentou alta produção durante toda a cultura. Uma otimização na produção enzimática foi desenvolvida através de planejamentos fatoriais. A influência da densidade celular inicial, metanol e concentração da fonte de nitrogênio foram avaliados para aumentar a produção do clone A3. A interação dos fatores densidade celular inicial e concentração de metanol foi determinada como sendo o parâmetro mais importante, dobrando a produção. A influência de diferentes concentrações da fonte de nitrogênio e carbono, previamente selecionados (farelo de soja e açúcar invertido), foi também analisada para aumentar a produção enzimática no clone P1. Foi demonstrado por análise estatística que maiores concentrações de cada fator aumentam a produção. O perfil de atividade enzimática foi avaliada em fermentador com as condições determinadas nas otimizações. A atividade encontrada nos dois casos (A3 e P1) foi superior àquelas encontradas na fermentação em frascos. A quimosina recombinante foi posteriormente purificada apenas por uma etapa de cromatografia de exclusão molecular. Foi demonstrada a presença de enzima já processada no sobrenadante da cultura e uma fração de proteínas glicosiladas. A especificidade pela caseína foi demonstrada ser semelhante à quimosina comercial recombinante produzida por Aspergillus niger (Chr. Hansen). A alta produção de quimosina recombinante com alta especificidade em P. pastoris faz esse sistema de expressão atrativo para produção industrial desta enzima. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Enzymatic milk coagulation for cheese manufacturing involves the cleavage of the scissile bond in casein by an aspartic protease. Bovine chymosin B is commonly used at the industrial level for milk coagulation because it combines a strong clotting activity with a low general proteolytic activity. In the present study, we report the expression, purification and characterization of recombinant chymosin B expressed in the methylotrophic yeast Pichia pastoris. To achieve high levels of production, the cDNA fragment coding for prochymosin was designed and synthesized based on codon usage optimization for expression in P. pastoris. The synthetic gene (CHYMb) was cloned into expression vectors based on the PGK1 promoter (constitutive expression) and AOX1 promoter (inducible expression). The resulted constructs were integrated in the yeast genome. Transformant clones producing high levels of enzyme activity from each system (P1 and A3, respectively) were analyzed in a simultaneous culture for comparison of enzymatic production. High levels of chymosin activity were observed in the clone controlled by the PGK1 promoter which showed high production levels throughout the culture. Optimization for enzymatic production was developed through factorial design. The influence of the initial cellular density, methanol and nitrogen source concentration were accessed for enzymatic production from clone A3. The interaction of the initial cellular density and methanol concentration was responsible for doubling enzyme production. The influence of different concentrations of nitrogen and carbon sources (soy extract and inverted sugar, respectively) was also observed to increase enzymatic production in clone P1. Statistic analysis demonstrated that higher concentrations of each factor increased enzyme production. The profile of enzymatic activity was evaluated in fermentors under the conditions determined during optimizations. In this case, the activities observed in clones A3 and P1 were superior to those found when theses clones were grown in shake flasks. The recombinant chymosin was purified by a single molecular exclusion chromatographic step. Purified enzyme derived from supernatant fraction was shown to be present in its processed form and a fraction of glycosylated protein was also detected. The specificity for casein was shown to be similar to that from commercial recombinant chymosin produced by Aspergillus niger (Chr. Hansen). The high production and high specificity of recombinant chymosin derived from P. pastoris renders this expression system as an attractive alternative for large scale industrial production of this enzyme.