Bacterial surface display systems have been developed for various applications in biotechnology and industry. Particularly, the discovery and design of anchoring motifs is highly important for the successful display of a target protein or peptide on the surface of bacteria. In this study, an efficient display system on Escherichia coli was developed using novel anchoring motifs designed from the E. coli mipA gene. Using the C-terminal fusion system of an industrial enzyme, Pseudomonas fluorescens lipase, six possible fusion sites, V140, V176, K179, V226, V232, and K234, which were truncated from the C-terminal end of the mipA gene (MV140, MV176, MV179, MV226, MV232, and MV234) were examined. The whole-cell lipase activities showed that MV140 was the best among the six anchoring motifs. Furthermore, the lipase activity obtained using MV140 as the anchoring motif was approximately 20-fold higher than that of the previous anchoring motifs FadL and OprF but slightly higher than that of YiaTR232. Western blotting and confocal microscopy further confirmed the localization of the fusion lipase displayed on the E. coli surface using the truncated MV140. Additionally the MV140 motif could be used for successfully displaying another industrial enzyme, α-amylase from Bacillus subtilis. These results showed that the fusion proteins using the MV140 motif had notably high enzyme activities and did not exert any adverse effects on either cell growth or outer membrane integrity. Thus, this study shows that MipA can be used as a novel anchoring motif for more efficient bacterial surface display in the biotechnological and industrial fields.
A new system for displaying proteins on the surface of Escherichia coli was developed using the Salmonella typhimurium outer membrane protein C (OmpC) as an anchoring motif. The C-terminal deletionfusion strategy was developed to fuse the polyhistidine peptides and green fluorescent protein (GFP) to the Cterminal of the truncated functional portion of OmpC. The polyhistidine peptides of up to 243 amino acids could besuccessfully displayed on the E. coli cell surface, which allowed recombinant E. coli to adsorb up to 34.2 μmol of Cd2+ per gram dry cell weight. The GFP could also be successfully displayed on the E. coli cell surface. These results suggest that the C-terminal deletion-fusion strategy employing the S. typhimurium OmpC as an anchoring motif provides a new efficient way for the display of large proteins on the surface of E. coli.
We have developed a constitutive display system of the Pseudomonas fluorescens SIK W1 TliA lipase on the cell surface of Escherichia coli using E. coli outer membrane protein C (OmpC) as an anchoring motif, which is an economical compared to induced system. For the constitutive expression of truncated OmpC-TliA fusion proteins, gntT104 promoter was employed. Cell growth was not affected by over expression of fusion protein during entire culture time, suggesting cell lysis was not a problem. The localization of truncated OmpC-TliA fusion protein on the cell surface was confirmed by immunofluorescence microscopy and measuring whole cell lipase activity. Constitutively displayed lipase was very stable, retaining activity enantioselectivity throughout the five repeated reactions. These results suggest that OmpC from E. coli be a useful anchoring motif for displaying enzymes on the cell surface without any inducers, and this stable surface display system can be employed for a broad range of biotechnological applications.
A novel cell surface display system was developed by employing the Escherichia coli outer membrane protein C (OmpC) as an anchoring motif. Poly-histidine (poly-His) peptides of 19, 32, 45, 84, and 162 amino acids (aa) could be successfully displayed by inserting them into the seventh exposed loop(L7) of OmpC. Recombinant cells displaying poly-His of 19, 32, 45, and 84 aa could absorb 18.9, 23.9, 26.1, and 32.0 ${\mu}mol$ of $Cd^{2+}$ per gram cell dry weight, respectively and therefore, would be useful as the biosorbents of heavy metals.
Kim, Jung-Hyung;Roh, Chang-Hyun;Lee, Chang-Won;Kyung, Do-Hyun;Choi, Soo-Keun;Jung, Heung-Chae;Pan, Jae-Gu;Kim, Byung-Gee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.17
no.4
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pp.677-680
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2007
To analyze a cotG-based Bacillus subtilis spore display system directly, $GFP_{UV}$ was expressed on the surface of Bacillus subtilis spores. When $GFP_{UV}$ was fused to the C-terminal of the cotG structural gene and expressed, the existence of a $CotG-GFP_{UV}$ fusion protein on the B. subtilis spore was confirmed by flow cytometry confocal microscopic analysis. When the cotG anchoring motif was deleted, no fluorescence emission was observed under flow cytometry and confocal microscopic analysis from the purified spore, confirming the essential role of CotG as an anchoring motif. This $GFP_{UV}$ displaying spore might be used for another signaling application triggered by intracellular or extracellular stimuli.
Green fluorescent protein (GFPuv) was displayed on the surface of ethanol-producing bacteria Zymomonas mobilis using N-terminal domain of ice nucleation protein (INP) as an anchoring motif. To evaluate the ice nucleation protein as plausible anchor motif in Z. mobilis, GFPuv gene was subcloned into Zymomonas expression vector yielding pBBR1MCS-3/pPDC/INPN/GFPuv plasmid., INP-GFPuv fusion protein was expressed in Z. mobilis and its fluorescence was verified by confocal microscopy. The successful display of GFPuv on Zymomonas mobilis suggest that INP anchor motif could be used for future fusion partner in Z. mobilis strain improvement.
Using tetrameric ${\beta}$-galactosidase as a model protein, anchoring motives were screened in Bacillus subtilis spore display system. Eleven spore coat proteins were selected considering their expression levels and the location in the spore coat layer. After chromosomal single-copy homologous integration in the amyE site of Bacillus subtilis chromosome, cotE and cotG were chosen as possible spore surface anchoring motives with their higher whole cell ${\beta}$-galactosidase activity. PAGE and Wester blot of extracted fraction of outer layer of purified spore, which express CotE-LacZ or CotG-LacZ fusion verified the existence of exact size of fusion protein and its location in outer coat layer of purified spore. ${\beta}$-galactosidase activity of spore with CotE-LacZ or CotG-LacZ fusion reached its highest value around 16~20 h of culture time in terms of whole cell and purified spore. After intensive spore purification with lysozyme treatment and renografin treatment, spore of BJH135, which expresses CotE-LacZ, retained only 1~2% of its whole cell ${\beta}$-galactosidase activity. Whereas spore of BJH136, which has cotG-lacZ cassette in the chromosome, retained 10~15% of its whole cell ${\beta}$-galactosidase activity, proving minor perturbation of CotG-LacZ, when incorporated in the spore coat layer of Bacillus subtilis compared to CotE-LacZ. Usage of Bacillus subtilis WB700, of which 7 proteases are knocked-out and thereby resulting in 99.7% decrease in protease activity of the host, did not prevent the proteolytic degradation of spore surface expressed CotG-LacZ fusion protein.
Park, Jong-Hwa;Kim, Wooil;Lee, Yong-Suk;Kim, June-Hyung
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.29
no.9
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pp.1383-1390
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2019
In this study, we expressed cotA laccase from Bacillus subtilis on the surface of B. subtilis spores for efficient decolorization of synthetic dyes. The cotE, cotG, and cotY genes were used as anchoring motifs for efficient spore surface display of cotA laccase. Moreover, a $His_6$ tag was inserted at the C-terminal end of cotA for the immunological detection of the expressed fusion protein. Appropriate expression of the CotE-CotA (74 kDa), CotG-CotA (76 kDa), and CotY-CotA (73 kDa) fusion proteins was confirmed by western blot. We verified the surface expression of each fusion protein on B. subtilis spore by flow cytometry. The decoloration rates of Acid Green 25 (anthraquinone dye) for the recombinant DB104 (pSDJH-EA), DB104 (pSDJH-GA), DB104 (pSDJH-YA), and the control DB104 spores were 48.75%, 16.12%, 21.10%, and 9.96%, respectively. DB104 (pSDJH-EA) showed the highest decolorization of Acid Green 25 and was subsequently tested on other synthetic dyes with different structures. The decolorization rates of the DB104 (pSDJH-EA) spore for Acid Red 18 (azo dye) and indigo carmine (indigo dye) were 18.58% and 43.20%, respectively. The optimum temperature for the decolorization of Acid Green 25 by the DB104 (pSDJH-EA) spore was found to be $50^{\circ}C$. Upon treatment with known laccase inhibitors, including EDTA, SDS, and $NaN_3$, the decolorization rate of Acid Green 25 by the DB104 (pSDJH-EA) spore decreased by 23%, 80%, and 36%, respectively.
Kim, June-Hyung;Choi, Soo-Keun;Jung, Heung-Chae;Pan, Jae-Gu;Kim, Byung-Gee
KSBB Journal
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v.26
no.3
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pp.243-247
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2011
Using Bacillus subtilis spore display system, with cotG as an anchoring motif, levansucrase from Zymomonas mobilis, was displayed on the outer surface of Bacillus subtilis spore. Flow cytometry of DB104 (pSDJH-cotG-levU) spore, proved the surface localization of CotG-LevU fusion protein on the spore compared to that of DB104. Enzymatic activity of DB104 (pSDJH-cotG-levU) spore showed more than 1.5 times higher levansucrase specific activity compared to that of the host spore, which is a remarkable increase of enzymatic activity considering the existence of sacA (sucrase) and sacB (levansucrase) in the Bacillus subtilis chromosome. The spore integrity, revealed by sporulation frequency test after heat and lysozyme treatment of spore, did not changed at all in spite of the CotG-LevU fusion protein incorporation into the spore coat layer during spore formation process. These data prove again that Bacillus subtilis spore could be considered as good live immobilization vehicle for efficient bioconversion process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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