Optimization of Induction Conditions for Bacillus-derived Esterase Production by High-cell Density Fermentation of Recombinant Escherichia coli

To increase the efficiency of esterase production by Bacillus, high cell-density culture of recombinant Escherichia coli through fed batch fermentation was tested. Cells were cultured to $OD_{600}$ of 76 (35.8 g/l DCW) with dissolved oxygen level controlled to least above 30% air saturation by supplying pure oxygen. Cells were cultured to an $OD_{600}$ of 90 (42.4 g/l DCW) with glucose feeding controlled to at least 1 g/l. However, the cells reached stationary phase at the late stage of culture, despite glucose being supplied. Cells were cultured to an $OD_{600}$ of 185 (87.3 g/l DCW) by supplying additional medium with fortified yeast extract. To increase the productivity of the recombinant protein, cell growth and esterase productivity based on induction time were evaluated. Late exponential phase induction for esterase production in fed batch fermentation resulted in maximum optical density $OD_{600}$ of 190 (89 g/l DCW) and maximum esterase activity of 1745 U/l, corresponding to a 5.8-fold enhancement in esterase production, compared to the early exponential phase induction. In this study, we established fermentation methods for achieving maximum production of Bacillus-derived esterase by optimizing IPTG induction time in high-cell density culture by supplying pure oxygen and a nitrogen source.

재조합 대장균의 고농도 배양과 유도조건 최적화를 통한 Bacillus 유래 esterase의 생산

본 연구에서는 Bacillus 유래 esterase를 생산할 수 있는 재조합 대장균을 사용하여 유가식 배양을 이용한 고농도 균체 배양을 통해 esterase 생산성을 극대화하고자 하였다. 유가식 배양 중 순수 산소의 공급을 통해 용존산소를 30% 이상 유지한 경우와 포도당농도를 1 g/l 이상 유지한 경우 각각 $OD_{600}$ 76 (35.8 g/l DCW)과 $OD_{600}$ 90 (42.4 g/l DCW)까지 균체량을 증가시킬 수 있었다. 포도당의 공급에도 불구하고 배양 후반에 세포의 성장이 정체되는 현상을 극복하기 위해 yeast extract가 강화된 추가 배지의 공급을 시도하였으며, 그 결과 $OD_{600}$ 185 (87.3 g/l DCW)까지 고농도 균체 배양이 가능함을 확인하였다. 단백질 생산 수율의 향상을 위해 성장 시기에 따라 induction에 의한 세포 성장과 esterase 생산성을 평가하였고, 그 결과 대수 성장기 후반에 induction을 유도한 경우 세포 성장 측면에서는 최대 $OD_{600}$ 190(89 g/l DCW)까지 고농도 균체 배양이 가능함을 확인하였다. Esterase 생산성 측면에서는 대수 성장기 초반에 induction 을 유도한 경우에 비해 최대 5.8배 생산성이 증가됨을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 순수산소와 질소원의 공급을 통해 확립된 대장균 고밀도 배양방법을 기초로 IPTG 유도시간을 최적화 함으로써 Bacillus 유래 esterase의 최대 생산성을 확보할 수 있는 배양방법을 확립하였다.