Following the blueprint of plasma cells to design a yeast IgG factory

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Koskela, Essi V.
dc.date.accessioned 2017-10-04T09:04:27Z
dc.date.available 2017-10-04T09:04:27Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7576-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7577-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/28091
dc.description.abstract IgG antibodies are powerful biotherapeutics that are used in the treatment of several severediseases, for example cancer and autoimmune diseases. Specialized cells in the human immunesystem, plasma cells, naturally produce antibodies with high efficiency. However, biotechnologicalproduction methods based on mammalian cell cultures remain inadequate and expensive. The expanding market of antibody biotherapeutics has spurred the aspiration to develop alternativeproduction methods. One potential platform for antibody production is the yeast Saccharomycescerevisiae, which has been successfully engineered to produce a range of products by utilizing the versatile genetic toolkit available for modifying this organism. Plasma cell differentiation depicts a comprehensive molecular model of cellular transformation into an efficient antibody factory, and this model provides a blueprint for genetic engineering. In this thesis, we studied whether the key elements from plasma cells would improve IgG secretion in yeast. First, we modified the yeast ER to mimic the plasma cell ER morphology. Both an increase inER size and an altered shape, achieved by deletion of OPI1 and shape determinant genes, respectively, increased IgG secretion at least 2.4-fold. In addition, these mutants displayed a reduced stress response related to antibody production. We selected the strain with the OPI1 gene deletion for engineering of protein folding, along with the wild-type production strain. Relying on principles of synthetic biology, we created a modular plasmid library of mammalian folding factors shown to interact with IgG. To aid plasmid library creation, we established a new high-throughput cloning method to complement the available synthetic biology tools. Screening of the plasmid library led us to identify GRP170, BiP and FKBP2 as the most potent enhancers of IgG folding and secretion in yeast. We concluded that upregulation of ER-localized PPIase activity is critical for improving IgG titers in yeast. Additionally, we explored transcriptomics data from plasma cell differentiation to find genetargets which would otherwise be overlooked in engineering approaches. Through this datadrivenapproach, we selected seven novel genetic modifications to analyze in yeast. Two of these seven modifications, the overexpression of the genes GOT1 and IRE1 led to significant improvements in IgG secretion, resulting in a 1.6- and a 3.5-fold increase in specific product yields, respectively. However, in the future the emphasis should be in improving the quality of the secreted antibody. This thesis demonstrates that plasma cells are useful cellular models for antibody secretion,also when applied to an evolutionary distant species, such as the yeast S. cerevisiae. The IgGtiters were increased from 40 ng/ml to up to 160 ng/ml, confirming that this yeast is a promisingplatform for future applications of the biotherapeutics industry. en
dc.description.abstract IgG vasta-aineita voidaan käyttää tehokkaina biologisina lääkkeinä useiden vakavien sairauksien, kuten syövän ja autoimmuunisairauksien, hoidossa. Plasmasolut ovat ihmisen immuuni-järjestelmän erikoistuneita soluja, jotka luontaisesti erittävät vasta-aineita tehokkaasti. Bioteknologiset nisäkässoluviljelmiin perustuvat keinot vasta-aineiden tuottamiseen ovat kuitenkin hankalia ja kalliita, joten on tärkeää löytää vaihtoehtoisia tuottoalustoja vasta-aineiden kasvavien markkinoiden täydentämiseksi. Yksi näistä mahdollisista tuottoalustoista on Saccharomyces cerevisiae eli leivinhiiva, sillä tätä organismia on onnistuneesti geneettisesti muokattu tuottamaan useita arvokkaita aineita. Plasmasolujen erikoistuminen tehtäväänsä vasta-ainetehtaina tarjoaa kattavan molekyylitason mallin, jota voidaan hyödyntää solujen geneettisessä suunnittelussa. Tässä väitöskirjatyössä tutkimme, voisiko IgG vasta-aineen tuottoa lisätä soveltamalla plasmasolujen piirteitä ja osia hiivan muokkauksessa. Aloitimme endoplasmakalvoston muuntelusta yrittäen jäljitellä plasmasolujen endoplasma-kalvoston morfologiaa. OPI1-geenin tai muotoa määrittävien geenien poisto hiivan genomista on todettu johtavan endoplasmakalvoston suurenemiseen ja muodon muutokseen. Näissä deleetio-kannoissa IgG:n eritys kasvoi vähintään 2,4-kertaiseksi sekä vasta-aineen tuottoon liittyvä stressireaktio pieneni. Valitsimme OPI1-deleetiokannan sekä villityyppi-tuottokannan proteiinin laskostumisen suunnitteluun. Synteettisen biologian periaatteita mukaillen loimme modulaarisen plasmidikirjaston nisäkkäistä peräisin olevista laskostumistekijöistä, joiden on todettu vaikuttavan vasta-aineiden muodostumiseen. Plasmidikirjaston luomisen yhteydessä kehitimme uuden tehokkaan kloonausmenetelmän, joka täydentää synteettisen biologian työkaluvalikoimaa. Plasmidikirjaston seulonnasta tunnistimme laskostumistekijöiden GRP170, BiP ja FKBP2 parantavan IgG:n laskostumista ja eritystä eniten. Huomasimme endoplasmakalvostoon liittyvän PPIaasi-aktiivisuuden olevan keskeinen rajoite vasta-aineiden tehokkaaseen eritykseen hiivassa. Kokeilimme myös transkriptomiikkadatan hyödyntämistä geenikohteiden löytämisessä. Plasma-solujen erikoistumista kuvaavaa dataa käyttäen valitsimme seitsemän uutta geneettistä muutosta, jotka muissa suunnittelustrategioissa jäisivät huomiotta. Kaksi näistä seitsemästä muutoksesta, GOT1- ja IRE1-geenien yliekspressio, lisäsivät IgG:n eritystä merkittävästi, johtaen 1,6- ja 3,5-kertaiseen tuottoon. Vasta-aineen laadun parantamiseen pitäisi kuitenkin keskittyä enemmän. Tämä väitöskirjatyö osoittaa plasmasolujen olevan hyödyllisiä vasta-aine-erityksen solumalleja myös evolutiivisesti kaukaiseen lajiin kuten leivinhiivaan sovellettaessa. IgG:n loppukonsentraatio nousi 40 ng/ml:sta 160 ng/ml:aan, vahvistaen, että tämä hiiva on lupaava alusta biolääketeollisuuden tulevaisuuden sovelluksiin. fi
dc.format.extent 129 + app. 67
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 157/2017
dc.relation.haspart [Publication 1]: Koskela, E.V., and Frey, A.D.: Homologous recombinatorial cloning without the creation of single-stranded ends: exonuclease and ligation-independent cloning (ELIC), Molecular Biotechnology 2015, 57:3:233-240. DOI: 10.1007/s12033-014-9817-2
dc.relation.haspart [Publication 2]: De Ruijter, J.C., Koskela, E.V., and Frey, A.D.: Enhancing antibody folding and secretion by tailoring the Saccharomyces cerevisiae endoplasmic reticulum, Microbial Cell Factories 2016, 15:87. Fulltext at Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201611175587. DOI: 10.1186/s12934-016-0488-5
dc.relation.haspart [Publication 3]: Koskela, E.V., de Ruijter, J.C., and Frey, A.D.: Following nature’s roadmap: folding factors from plasma cells led to improvements in antibody secretion in S. cerevisiae, Biotechnology journal 2017, 12:8.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Koskela, E.V., Mehl, A., Piirainen, M.A., Iivonen H.A., and Frey, A.D.: Mining data from plasma cell differentiation to find novel genes for engineering of a yeast antibody factory. Submitted to Biotechnology and Bioengineering
dc.subject.other Biotechnology en
dc.title Following the blueprint of plasma cells to design a yeast IgG factory en
dc.title IgG:tä tuottavan solutehtaan suunnittelu hiivassa plasmasolumallia seuraamalla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotuotteiden ja biotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Bioproducts and Biosystems en
dc.subject.keyword antibody en
dc.subject.keyword plasma cell en
dc.subject.keyword yeast en
dc.subject.keyword endoplasmic reticulum en
dc.subject.keyword protein folding en
dc.subject.keyword synthetic biology en
dc.subject.keyword vasta-aine fi
dc.subject.keyword plasmasolu fi
dc.subject.keyword hiiva fi
dc.subject.keyword endoplasmakalvosto fi
dc.subject.keyword proteiinien laskostuminen fi
dc.subject.keyword synteettinen biologia fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7576-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Frey, Alexander D., Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
dc.opn James, David C., Prof., University of Sheffield, UK
dc.contributor.lab Molecular Biotechnology en
dc.rev Ng, Davis T. W., Prof., National University of Singapore, Singapore
dc.rev Robinson, Anne Skaja, Prof., Tulane University, USA
dc.date.defence 2017-11-10


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account