background image

 

Recent Patents on Biotechnology 2010, 4, 23-29 

23

 

 

 1872-2083/10 $100.00+.00 

© 2010 Bentham Science Publishers Ltd.

 

Secretory Production of Recombinant Proteins in Escherichia coli 

Sung Ho Yoon

1

, Seong Keun Kim

1

 and Jihyun F. Kim

1,2

1

Industrial Biotechnology and Bioenergy Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology 

(KRIBB), 111 Gwahangno, Yuseong, Daejeon 305-806, Republic of Korea, 

2

Functional Genomics Program, School of 

Science, University of Science and Technology, Yuseong, Daejeon 305-333, Republic of Korea 

Received: July 31, 2009; Accepted: September 8, 2009; Revised: September 25, 2009

 

Abstract:  Extracellular production of heterologous proteins using the Escherichia coli cell factory offers several 
advantages over intracellular production and mammalian culture. Properly folded proteins can be rapidly accumulated in 
the culture media, and downstream processes for isolation and purification can be much simplified. Efforts to enhance the 
secretory production of target proteins can be largely classified as selection and modification of the signal peptide, 
coexpression of proteins to assist translocation and folding, improvement of periplasmic release, and protection of target 
proteins from degradation and contamination. Here, we review recent patents on the secretory production of recombinant 
proteins in E. coli.  

Keywords: Secretion, excretion, periplasm, extracellular production, signal peptide, recombinant protein, Escherichia coli. 

INTRODUCTION 

 Inarguably, 

Escherichia coli has been the most widely 

used organism for mass-production of recombinant proteins 
of pharmaceutical and industrial importance. Despite the 
lack of post-translational modification and the existence of 
endotoxin, this remarkable microorganism has numerous 
desirable characteristics as a production host such as fast cell 
growth, easy manipulation, straightforward high cell density 
cultivation, and capacity to hold over 50% of foreign protein 
in total protein expression [1]. 

 

Secretory production of recombinant proteins in E. coli 

has been particularly useful for production of pharmaceutical 
proteins [2,3]. Compared to cytoplasmic production, 
targeting a protein of interest to the periplasmic space or the 
culture medium enables downstream processing much easier 
at a reduced process cost. Isolation and purification of the 
over-expressed products can be much simplified due to 
reduced contamination of various cellular components and 
circumvention of proteolytic degradation by intracellular 
proteases. Correct folding of eukaryotic proteins containing 
multiple disulfide bonds is more likely to happen in the 
oxidative environment of the periplasm. Secretory process 
allows removal of the amino-terminal signal sequence, 
which leads to the appearance of mature proteins as naturally 
occurring sequences contain no N-terminal methionine 
residue. In addition, laboratory and industrial strains of E. 
coli
 normally do not secrete much extracellular proteins [4], 
which further facilitates already simple purification steps. 

 E. 

coli has various systems (Type I through V) for 

transporting proteins from the cytosol into the periplasm or 
the extracellular milieu [5]. In the type I mechanism, an ATP 
binding cassette (ABC) transporter recognizes a C- 

 

 

*Address correspondence to this author at the KRIBB, 111 Gwahangno, 
Yuseong-gu, Daejeon 305-806, Republic of Korea; Tel: +82-42-860-4412; 
Fax: +82-42-879-8595; E-mail: jfk@kribb.re.kr 

terminal signal peptide, in most cases E. coli 

–haemolysin 

(HlyA), connected to a target protein, and transports it 
directly from the cytoplasm to the medium. As the secreted 
protein doesn’t experience a periplasmic intermediate, it 
contains a signal sequence which should be cleaved off later 
to result in the intact native protein. The type II secretion 
system transports proteins in two steps, periplasmic 
translocation and extracellular transport. Transport from the 
cytoplasm to the periplasm is mediated by the Sec-dependent 
pathway or the twin-arginine translocation (Tat) pathway. In 
the Sec-dependent pathway, the cytosolic chaperone SecB or 
the ribonucleoprotein signal recognition particle (SRP) binds 
an unfolded preprotein harboring an N-terminal signal 
peptide and moves them to inner membrane-bound SecA [6]. 
By contrast, the Tat system recognizes a folded preprotein by 
TatBC complex. When the preprotein traverses the inner 
membrane through SecYEG or TatA channel, the signal 
peptide is removed by a signal peptidase. Extracellular 
release of the periplasmic protein is carried out by a 
concerted action of 12-16 proteins constituting a secreton. 

 

Attempts to improve the secretion productivity have been 

made on every step of the secretion process [2,3]. Trans-
portation of cytosolic recombinant proteins to the cyto-
plasmic membrane can be enhanced by proper selection and 
modification of the signal peptide. In a next step where the 
precursor protein is transported across the cytoplasmic 
membrane to the periplasm, proteins constituting the 
transport machinery can be co-expressed with a target 
protein. Finally, the periplasmic protein can be secreted to 
the culture medium by osmotic shock or periplasmic lea-
kage.  E. coli host cells have been engineered to be a more 
efficient cell factory for secretory production of foreign 
proteins. For example, it can be made devoid of host-specific 
proteases or genes controlling the regulation of proteases. 

 

Despite remarkable progress in utilizing the E. coli cell 

factory for secretory production of recombinant proteins, the 
challenges of industrial production are still daunting. Target 

background image

24    Recent Patents on Biotechnology 2010, Vol. 4, No. 1 

Yoon et al. 

protein production is limited by insufficient capacity of the 
transport machinery. Especially, secretory production into 
the periplasm is physically limited by periplasmic volume 
and normally results in increased cellular burden and 
reduced cell growth. Also, foreign proteins can be degraded 
by host proteases. High rate of target translation may lead to 
accumulation inside the cell as an inclusion body.  

 

In this review, we summarize various attempts to inc-

rease secretory production of recombinant proteins and 
applications recently patented (Fig. (1)).  

1. SELECTION AND MODIFICATION OF THE 
SIGNAL PEPTIDE 

 

Selection of a signal peptide is the primary choice for 

efficient secretion of a recombinant protein. The majority of 
the signal peptides developed are for secretory production 
through the Sec-dependent system. In E. coli, signal 
sequences typically consist of a positively charged n-region, 
a nonpolar hydrophobic h-region, and a neutral polar c-
region which has a cleavage site for the signal peptidase [2]. 
By pattern match or sequence homology searches with 
known ones, for example BLAST searches into public seq-
uence databases such as GenBank, Swiss-Prot or a sequen-

ced genome, signal sequences can be readily identified. 
Also, machine learning approaches such as a neural net-work 
or hidden Markov model can be used for the computational 
prediction of signal peptides and the cleavage site [7].  

 

In general, eukaryotic signal peptides do not function 

efficiently in a prokaryotic host and has been applied for 
prokaryotic expression with limited success [8]. A number of 
signal peptides from bacterial proteins have been linked to 
recombinant proteins. A full-length immunoglobulin G (IgG) 
antibody having a complex structure was secreted to the 
culture media by being attached to signal sequences from 
bacterial proteins which are translocated via various secre-
tion pathways – the Sec pathway (maltose-binding protein 
subunit, MalE; maltoporin, LamB; pectate lyase subunit, 
PelB; leucine binding protein subunit LivK; alkaline phos-
phatase subunit, PhoA; outer membrane protein, OmpA), the 
SRP pathway (periplasmic sensory protein, TorT; subunit of 
the Tol-Pal cell envelope complex, TolB; disulfide 
oxidoreductase, DsbA), and the Tat pathway (penicillin 
acylase, Pac; subunit of trimethylamine N-oxide reductase I, 
TorA) [9]. Heterologous signal sequences can come from 
pullulanases (derived from Klebsiella,  Thermoanaero-
bacter
, and Thermotoga), penicillinase (Staphylococcus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. (1). Strategies for enhancing the secretory production in Escherichia coli 

background image

Secretory Production in E. coli 

Recent Patents on Biotechnology 2010, Vol. 4, No. 1    25 

Klebsiella, and Bacillus), cyclomaltodextrin glucano-
transferase (Klebsiellla oxytoca), or PelB (Erwinia and Xan-
thomonas
). Also, the signal sequence of the bacteriophage 
M13 major coat protein can be used for antibody production 
[10] and that of the Bacillus endoxylanase for human granu-
locyte colony stimulating factor (hG-CSF) [11]. US020080-
193974A1 [12] claimed a variety of signal sequences for a 
mutant phosphate binding protein (Pdb), disulfide 
oxidoreductase (DsbA), protein disulfide isomerase (DsbC), 
Bce, CupA2, CupB2, CupC2, NikA, FlgI, a tetratricopeptide 
repeat family protein (ORF5550), a toluene tolerance protein 
(Ttg2C), and a methyl accepting chemotaxis protein (ORF-
8124). Until now, only a limited number of bacterial signal 
peptides such as those of OmpA, LamB, PelB, PhoA, and 
thermostable enterotoxin II (STII) have been widely used in 
recombinant E. coli.  

 

The signal sequence has been artificially modified and 

optimized. It is reported that the positive charge of the N-
terminal region and the hydrophobicity of the central 
hydrophobic region are important for secretion efficiency 
[13,14]. Bacterial signal sequences such as STII have been 
modified [15,16]. A novel synthetic signal peptide can be 
designed based on a rule-based approach. EP00000-
1290197B1 [17] describes synthetic features of a signal 
peptide – (i) two or more positively charged amino acids 
close to the N terminus, (ii) a region of between 7 and 16 
consecutive hydrophobic amino acid residues, (iii) one or 
more amino acids which may act as an alpha helix disrupter, 
and (iv) at the C-terminus, the sequence Z-X-Z, wherein Z is 
an amino acid having a small side chain and X is any amino 
acid. Various modifications to the native signal peptide have 
been made, too. OmpA signal sequence was modified to 
ensure production of the nerve growth factor without N-
terminal methionine [18]. Basic amino acid-rich polypeptide 
was added after the signal peptide [19]. A secretional 
enhancer consisting of hydrophilic amino acids was linked to 
the basic n-region alone or the basic n-region and the 
hydrophobic h-region [20]. To ensure that the signal is 
appropriately expressed and cleaved from the expressed 
protein, alanine-phenylalanine-alanine was added just before 
the cleavage site [21]. Along with the synthetic approach, 
experimental methods to screen for a new signal peptide 
have been developed [22]. 

2. COEXPRESSION OF PROTEINS FOR ASSISTING 
TRANSLOCATION AND FOLDING 

 

Coexpression of helper proteins with target proteins has 

been exploited for a proper folding and translocation through 
the cytosolic membrane. They come in separate expression 
vectors or are fused with the target protein.  

2.1. Coexpression of Proteins that Enhance a Proper 
Folding and Solubility 

 

Expression of many heterologous proteins in E. coli often 

leads to intracellular aggregates due to their incorrect folding 
[23]. Although inclusion body formation allows target pro-
teins to be highly resistant to proteolysis and to be expressed 
in large quantity, it should be followed by a sophisticated 
downstream processing such as isolation, renaturation, and 
refolding to obtain functionally active proteins [24].  

 

Two types of proteins, molecular chaperones and enzy-

mes involved in disulfide bond formation, have been 
coexpressed for assisting in correct folding of the recom-
binant proteins. Coexpression of DnaK and DnaJ chaperones 
remarkably increased the amount of granulocyte colony 
stimulating factor (G-CSF) produced [25]. To increase 
periplasmic folding and extracellular secretion of human 
Interleukin-1 (hIL-1) or human granulocyte-macrophage 
colony-stimulating factor (hGM-CSF), periplasmic cha-
perone (Caf1M) and usher protein (Caf1A) from Yersinia 
pestis
 were coexpressed [26]. To translocate overexpressed 
chaperones into the periplasm, an OmpA signal sequence 
was fused to DnaJ, the N-terminal fragment of DnaJ, or a 
small heat shock protein [27]. Genes encoding inclusion 
body-associated proteins, IbpA and IbpB, were deleted from 
the  E. coli host to reduce inclusion body formation and to 
enhance secretory production [28]. Conversely, those genes 
were amplified to produce a target protein as an inclusion 
body. 

  Most mammalian proteins contain multiple disulfide 
bonds that require correct oxidation and pairing between the 
two partner cysteines for their folding. Disulfide bond 
formation in the cytoplasm is catalyzed by an oxidized form 
of thioredoxins (TrxA and TrxC) and glutaredoxins [29,30]. 
However, in the cytosol of E. coli, these enzymes are mostly 
in a reduced form by the action of thioredoxin reductase 
(encoded by trxB), 

-glutamylcysteine synthetase (gshA), 

glutathione synthetase (gshB), and glutathione oxidore-
ductase (gor). US000007410788B2 [31] describes a method 
for changing the reductive cytoplasm into a more oxidative 
environment by introducing a null mutation to trxB,  gshA
gshB and/or gor. In order to increase the reducing capacity of 
the cytoplasm enough to support the cell growth, the mutant 
strain was further engineered to have a mutated form of 
AhpC, subunit of alkyl hydroperoxidase. As for increasing 
disulfide bond formation in the periplasm, E. coli disulfide 
isomerases (DsbC or DsbG) [32] or human disulfide iso-
merase [33] have been coexpressed. Also, plasmids con-
taining cell envelope proteins involved in disulfide bond 
formation (DsbA, DsbB, DsbC, and DsbD) have been 
constructed [34, 35]. The periplasmic protein folding can be 
improved simply by adding L-arginine [36] or a reducing 
thiol reagent such as reduced glutathione [27]. 

 

Solubility of an insoluble polypeptide can be increased 

by expressing a highly soluble partner such as maltose-
binding protein, glutathione S-transferase (GST), or thiore-
doxin [37]. Probability of protein solubility was calculated 
based on the amino residues constituting the protein, and 
aggregate-prone human interleukin-3 (hIL-3) was expressed 
substantially in the soluble form when fused with NusA, 
GrpE, YjgD-YjgD, or BFR [38]. Fusion expression systems 
have been devised using the omega leader sequence of 
tobacco mosaic virus [39], a lysyl tRNA synthetase [40], and 
a domain of p26, SicA, or alpha crystalline type proteins 
[41].  

 

A method for monitoring folding and solubility of target 

proteins in the periplasm has been devised using a reporter 
gene. EP000001407052B1 [42] reported an on-line method 
based on the promoter of the major periplasmic protease 
DegP fused to the luciferase gene. WO002008089132A2 

background image

26    Recent Patents on Biotechnology 2010, Vol. 4, No. 1 

Yoon et al. 

[43] describes TEM-I -lactamase secreted through the SRP 
dependent pathway. The N-terminal signal sequence from 
proteins which can be recognized by the SRP dependent 
pathway (e.g. DsbA, TotT, SfmC, TolB, YraI, CcmH, FocC, 
NikA, and FlgI) was fused to the target protein sequence, 
where  -lactamase was attached as a reporter. These 
monitoring methods would be useful in screening of protein 
variants that fold correctly in the periplasm. 

2.2. Coexpression of Proteins Involved in the Secretion 
Pathways 

 

If translocation into the periplasm is a rate-determining 

step, coexpression of proteins involved in membrane 
transport can be considered. The type II secretion pathway is 
mostly used for industrial secretory production. As for Sec-
dependent secretion, SecY and/or SecE of E. coli were 
overexpressed for enhancing the secretory production of 
interleukin 6 (IL-6) [44]. In US5824502A [45], various 
plasmids containing one or two sec genes (secB,  secD/F
secG and secE/Y) and the human growth hormone (hGH) 
gene were constructed and transformed into various E. coli 
strains. The accumulation of hGH in the periplasm varied 
depending on the selection of the sec gene and the host 
strain, and was affected by the expression level of sec.  

 

Secretion pathways other than type II secretion can be 

used for the production of heterologous proteins, too. 
Although transport via the Tat pathway is less efficient and 
slower than the Sec pathway, it has an outstanding feature of 
transporting fully-folded cytosolic proteins through the 
cytosolic membrane [46]. The Tat pathway can be used for 
secreting proteins which fold slowly or incorrectly in the 
periplasm and are often degraded before being getting 
secreted into the medium. Weiner and coworkers reported a 
paper and applied a patent on proteins which are involved in 
the Tat pathway of E. coli and are encoded by the mttABC 
operon [47,48]. Later, the mttA gene was found to be two 
genes and the operon was renamed as tatABCD [49]. A 
functional Tat pathway was also identified in Gram-positive 
Bacillus subtilis, and expression of Bacillus  tat genes was 
required for the secretion of a Bacillus protein in E. coli [50].  

  Secretory production of the lipase or the protease of 
Pseudomonas fluorescens in E. coli was accomplished by 
expressing an ABC transporter gene cluster from P. 
fluorescens
 [51]. E. coli harboring the type III secretion gene 
(hrp) cluster of Erwinia chryanthemi was constructed for 
expression of foreign proteins [52]. The strain also can be 
used to screen effector proteins of the type III pathway 
which are potential virulence factors of bacterial pathogens. 

  On the other hand, the oligopeptide permease (opp
operon or the dipeptide permease (dpp) operon has been 
disrupted to reduce the peptide uptake rate, ending up with 
increased peptide secretion [53]. 

2.3. Coexpression of Carrier Proteins 

 

Proteins directing the secretion of target proteins to the 

periplasm or culture media can be used. Fusion system was 
disclosed for the YebF putative lipoprotein [54], MalE [55], 
and HlyA [56]. US000007202059B2 [57] discloses an 
expression vector consisting of sequences for, in order, 

hirudin, arginine, and the target protein. Hirudin drives the 
target protein into the media and the fusion protein is cleaved 
off at the arginine site by digestion with trypsin. The 
secretion capacity can be further improved by adding a 
signal peptide.  

 

With the observation of a large accumulation of outer 

membrane porin (OmpF) in culture media during high cell 
density cultivation of E. coli BL21(DE3) [58], OmpF was 
fused with the N-terminal region of 

-endorphin [59]. 

Recently, an expression system in which OmpF is co-
expressed, but not fused to the target protein, was developed 
and used for the production of epithelial cell growth factor 
(EGF) and human leptin in a pure form [60]. Spy, a small 
periplasmic protein having no cysteine residue can be used 
as a carrier protein [61]. Oftentimes, the carrier protein 
enables an affinity purification of the fusion protein. 

3. IMPROVEMENT OF PERIPLASMIC RELEASE 

  Proteins accumulated in the periplasm can be made 
secreted into the culture media through various strategies [3]. 
An apparatus and a method for subjecting cells to osmotic 
shock were devised [62]. Leaky strains which are defective 
in the outer membrane were constructed by introducing a 
mutation in the coding region or in the promoter of the outer 
membrane lipoprotein gene (lpp) [63]. Using various 
mutants of omp,  tol,  excD,  excC,  lpp,  env, and lky, full-
length antibodies were released to the culture media [64].  

 

Along with a knock-out strategy, a membrane opening 

system can be made by expression of the bacteriocin release 
protein gene (kil). High expression of the kil gene causes cell 
lysis, and thus, regulating the expression level and the 
induction time is important. In the production of strepto-
kinase which is derived from Streptococcus equisimilis and 
used in the treatment of heart diseases, bacteriocin release 
protein (BRP) was induced to form permeable zones in the 
cell envelope [65]. The kil gene was fused with a stationary 
phase promoter and the target 

-glucanase was released into 

the surrounding media [66]. However, in general, those 
leaky strains do not provide robustness enough for high-
density cultivation.  

4. PROTECTION OF TARGET PROTEINS FROM 
DEGRADATION AND CONTAMINATION 

 

Preventing target proteins from degradation and conta-

mination can make the purification process much easier. 
Protease-deficient cells are particularly suitable for the 
production of proteolytically sensitive proteins. Georgiou et 
al
. [67] constructed many hosts deficient in ptr coding for 
protease III, degP (periplasmic serine protease, HtrA), ompT 
(outer membrane protease), and/or prc (periplasmic protease) 
combined with the rpoH (heat shock sigma factor) mutation, 
which resulted in a significantly increased yield in the 
production of proteolytically sensitive peptides. Multiple 
deletion mutations in the HslVU protease genes (hslVU) and 
major ATP-dependent proteases genes of E. coli (clpPX and 
lon) were constructed [68]. Gene and putative genes 
encoding aminoamidases that cleave N-terminal amino acid 
residues from some recombinant proteins such as human 
growth hormone were all eliminated from the chromosome 
[69]. To compensate for the growth and stability of the cells, 

background image

Secretory Production in E. coli 

Recent Patents on Biotechnology 2010, Vol. 4, No. 1    27 

the spr gene whose product suppresses cell growth exhibited 
by prc mutants was further mutated [70].  

 

To enhance the degree of purity of the produced proteins, 

host proteins to be secreted to the culture media (OppA, 
DppA, YddS, FliC, PhoA, and PhoS) were identified and the 
coding genes were deleted from the host chromosome [71].  

5. CURRENT & FUTURE DEVELOPMENTS 

  Past decades have witnessed remarkable advances in 
understanding the membrane transport mechanism and 
secretory production of foreign proteins using E. coli. A 
number of aforementioned patents are now available in com-
mercially marketed systems (Table 1). However, industrial 
application has been fraught with technical challenges. An 
optimum signal peptide should be found by trial and error 
because secretion efficiency largely depends on the 
combination of the signal peptide, the target protein, and the 
host strain, which is hard to predict. Coexpression of the 
helper proteins can cause a severe metabolic burden to the 
host cell and reduce the capacity to hold target proteins. In 
addition, current understanding of function and regulation of 
heat shock proteins is far from complete due to their comple-
xity. There remains to be issues regarding coordinated 
activities of chaperones and proteases that supervise protein 
folding and degradation, regulation of rpoH primarily at the 
translational level, and possibility of the existence of another  
 

protease [72]. Genetic mutations are normally accompanied 
by growth defects, making such host strains of little 
commercial value. 

  Traditional biotechnology based on the case-by-case 
approach is turning into “systems biotechnology” which can 
develop an efficient industrial process based on compu-
tational modeling and simulation that utilize high-throughput 
omics data [73]. This transition is being accelerated by rapid 
development of genome engineering tools [74] and synthetic 
genomics. Recently, the genome sequence of BL21(DE3), 
the most popular E. coli strain as an industrial host, along 
with those of two BL21(DE3) derivatives and REL606  
another B strain used in a long-term evolution experiment  
have been determined and their omics based systems study 
has begun [75-77]. Such advances will make it possible to 
have the E. coli bioengine customized to secrete correctly 
folded recombinant proteins into the culture medium in high 
yield.  

ACKNOWLEDGEMENTS 

 

We thank Soon-Kyeong Kwon and Choong Hoon Lee for 

critical reading of the manuscript. This work was financially 
supported by the KRIBB Research Initiative Program and 
the 21C Frontier Microbial Genomics and Applications 
Center Program, Ministry of Science and Technology, 
Republic of Korea. 

Table 1. 

Examples of Commercialized Protein Secretion Systems 

Feature Company 

Product 

Sec, SRP, TAT pathway signal sequence 

AthenaES

®

 The 

ACES

TM

 Signal Sequence Kit 

Sec pathway signal sequence (PelB) 

Progen 

pOPE 101 vector 

Sec pathway signal sequence (PelB, OmpT) 

Novagen

®

 

pET-12, 20, 22, 25, 26, 27 vectors 

Sec pathway signal sequence (OmpA) 

IBA 

pASK-IBA2, 4, 6, 12, 14, 16, 32, 44 vectors 

Sec pathway signal sequence (OmpA) 

SIGMA 

pFLAG-ATS

TM

, pFLAG-CTS

TM

 vector 

Leader peptide from the bacteriophage fd gene III protein (gIII) 

Invitrogen 

pBAD/gIII vector 

Coexpression of chaperone proteins  

TAKARA BIO INC. 

Chaperone Plasmid Set 

Enhanced cytoplasmic disulfide formation (trxBgor mutant strain) 

Novagen

®

 Orgami

TM

, Orgami B series 

Enhanced cytoplasmic disulfide formation (trxBgorahpC mutant 

and DsbC expression strain) 

NEW ENGLAND BioLabs

®

 

INC. 

SHuffle

TM

 strains 

Enhanced disulfide formation fusion (DsbA, DsbC) 

Novagen

®

 

pET-39, 40 vectors 

Soluble protein fusion (MBP) 

NEW ENGLAND BioLabs

®

 

INC. 

pMAL

TM

 Protein Fusion and Purification System 

Soluble protein fusion (Trx, GST, NusA) 

Novagen

®

 

pET-32, 41, 42, 43.1 vectors 

Soluble protein fusion (GST) 

GE Healthcare 

pGEX vectors 

Carrier protein fusion (YebF) 

AthenaES

®

 The 

ACES

TM

 YebF Protein Export Kit 

Carrier protein fusion (MBP fused with M13 pIII leader sequence) 

NEW ENGLAND BioLabs

®

 

INC. 

pMal-pIII vector 

Enhanced secretion (Modified outer membrane strain) 

Wacker Chemie AG 

The WACKER secretion system 

 

background image

28    Recent Patents on Biotechnology 2010, Vol. 4, No. 1 

Yoon et al. 

CONFLICT OF INTEREST 

 

The authors have no conflict of interest to declare. 

REFERENCES 

[1] 

Choi JH, Keum KC, Lee SY. Production of recombinant proteins 
by high cell density culture of Escherichia coli. Chem Eng Sci 
2006; 61: 876-885. 

[2] 

Choi JH, Lee SY. Secretory and extracellular production of 
recombinant proteins using Escherichia coli. Appl Microbiol 
Biotechnol 2004; 64: 625-635. 

[3] 

Mergulhao FJ, Summers DK, Monteiro GA. Recombinant protein 
secretion in Escherichia coli. Biotechnol Adv 2005; 23: 177-202. 

[4] 

Francetic O, Belin D, Badaut C, Pugsley AP. Expression of the 
endogenous type II secretion pathway in Escherichia coli leads to 
chitinase secretion. EMBO J 2000; 19: 6697-6703. 

[5] 

Thanassi DG, Hultgren SJ. Multiple pathways allow protein 
secretion across the bacterial outer membrane. Curr Opin Cell Biol 
2000; 12: 420-430. 

[6] 

van der Does C, Nouwen N, Driessen AJM. The SEC translocase. 
Protein Secretion Pathways in Bacteria. In: Oudega B, Ed. Springer 
USA 2003; 23-50. 

[7] 

Bendtsen JD, Nielsen H, Von Heijne G, Brunak S. Improved 
prediction of signal peptides: SignalP 3.0. J Mol Biol 2004; 
340:783-795. 

[8] 

Gray, J., Buechler, J., Veeramallu, U.K.: US20067094579B2 
(2006). 

[9] 

Ostendorp, R., Popp, A., Fischer, M.: WO2009021548A1 (2009). 

[10] 

Humphreys, D.P.: EP1402036B1 (2004). 

[11] 

Lee, S.Y., Jeong, K.J.: US20067070989B2 (2006). 

[12] 

Coleman, R.J., Retallack, D., Schneider, J.C., Ramseier, T.M., 
Hershberger, C.D., Lee, S., Resnick, S.M.: US20080193974A1 
(2008). 

[13] 

Andersson H, Von Heijne G. A 30-residue-long "export initiation 
domain" adjacent to the signal sequence is critical for protein 
translocation across the inner membrane of Escherichia coli. Proc 
Natl Acad Sci USA 1991; 88: 9751-9754. 

[14] 

Hikita C, Mizushima S. Effects of total hydrophobicity and length 
of the hydrophobic domain of a signal peptide on in vitro 
translocation efficiency. J Biol Chem 1992; 267: 4882-4888. 

[15] 

Kwon, S.C., Jung, S.Y., Choi, K.D., Kim, C.S., Bae, S.M., Lee, 
G.S.: US20067052867B2 (2006). 

[16] 

Kwon, S.C., Jung, S.Y., Shin, H., Choi, J.D., Choi, K.D., Lee, G.S.: 
US20036605697B1 (2003). 

[17] 

Chen, T.-H.T., Schmidt, B.: EP1290197B1 (2003). 

[18] 

Meng, S.-Y., Morris, C.F., Tsai, L.B.: US5470719A (1995). 

[19] 

Inouye, S.: US20070287171A1 (2007). 

[20] 

Lee, S.J., Kim, Y.O., Nam, B.H.: US20090011995A1 (2009). 

[21] Leonhartsberger, S., Candussio, A., Schmid, G.: 

US20080076157A1 (2008). 

[22] 

Cannon, J.P., Haire, R.N., Litman, G.W.: US20067112434B2 
(2006). 

[23] 

Kane JF, Hartley DL. Formation of recombinant protein inclusion 
bodies in Escherichia coli. Trends Biotechnol 1988; 6: 95-101. 

[24] 

Chung BH, Choi YJ, Yoon SH, Lee SY, Lee YI. Process 
development for production of recombinant human insulin-like 
growth factor-I in Escherichia coli. J Ind Microbiol Biotechnol 
2000; 24: 94-99. 

[25] 

Perez-Perez J, Martinez-Caja C, Barbero JL, Gutierrez J. 
DNAK/DNAJ supplementation improves the periplasmic produc-
tion of human granulocyte-colony stimulating factor in Escherichia 
coli. Biochem Biophys Res Commun 1995; 210: 524-529. 

[26] 

Korpela, T., Macintyreayane, S., Zavialov, A., Battchikova, N., 
Petrovskaya, L., Zav'yalov, V., Korobko, G.P.: US20056919198B1 
(2005). 

[27] 

Ambrosius, D., Rudolph, R., Schaeffner, J., Schwarz, E.: 
US026455279B1 (2002). 

[28] 

Lee, S.Y., Han, M.J., Park, S.J.: US20077291325B2 (2007). 

[29] 

Rietsch A, Beckwith J. The genetics of disulfide bond metabolism. 
Annu Rev Genet 1998; 32: 163-184. 

[30] 

Stewart EJ, Aslund F, Beckwith J. Disulfide bond formation in the 
Escherichia coli cytoplasm: an in vivo role reversal for the 
thioredoxins. EMBO J 1998; 17: 5543-5550. 

[31] 

Beckwith, J., Aslund, F., Bessette, P.H., Georgiou, G., Ritz, D., 
Lim, J.E.-A.: US20087410788B2 (2008). 

[32] 

Georgiou, G., Oiu, J., Bessette, P., Swartz, J.: US006083715A 
(2000). 

[33] 

Udaka, S., Sato, S., Kudo, T., Oka, S., Higashikuni, N., Kondo, M.: 
EP1270730A1 (2003). 

[34] 

Joly, J.C., Swartz, J.R.: EP786009B1 (1997). 

[35] 

Kurokawa, Y., Yanagi, H., Yura, T.: US20046673569B1 (2004). 

[36] 

Ambrosius, D., Rudolph, R., Schaeffner, J., Schwarz, E.: 
US016309861B1 (2001). 

[37] 

Kapust RB, Waugh DS. Escherichia coli maltose-binding protein is 
uncommonly effective at promoting the solubility of polypeptides 
to which it is fused. Protein Sci 1999; 8: 1668-1674. 

[38] 

Harrison, R.G., Davis, G.D.: US5989868A (1999). 

[39] 

Hua, Z., Zhang, H.: US20067056732B2 (2006). 

[40] 

Choi, S.I., Seong, B.L.: US20056852512B2 (2005). 

[41] 

Sanders, M.C.: US20056861403B2 (2005). 

[42] 

Horn, U., Strittmatter, W., Riesenberg, U.: EP1407052B1 (2004). 

[43] 

Delisa, M.P., Mansell, T.J., Fisher, A.C.: WO2008089132A2 
(2008). 

[44] 

Perez-Perez J, Marquez G, Barbero JL, Gutierrez J. Increasing the 
efficiency of protein export in Escherichia coli. Biotechnology 
1994; 12: 178-180. 

[45] 

Honjo, M., Naito, N., Uchida, H.: US5824502A (1998). 

[46] 

Bruser T. The twin-arginine translocation system and its capability 
for protein secretion in biotechnological protein production. Appl 
Microbiol Biotechnol 2007; 76: 35-45. 

[47] 

Weiner JH, Bilous PT, Shaw GM, et al. A novel and ubiquitous 
system for membrane targeting and secretion of cofactor-
containing proteins. Cell 1998; 93: 93-101. 

[48] 

Weiner, J.H., Turner, R.J.: EP1068339B1 (2001). 

[49] 

Sargent F, Bogsch EG, Stanley NR, et al. Overlapping functions of 
components of a bacterial Sec-independent protein export pathway. 
EMBO J 1998; 17: 3640-3650. 

[50] 

Bron, S., Jongbloed, J.D.H., Muller, J., Van Dijl, J.M.: 
US20080166757A1 (2008). 

[51] 

Rhee, J.S., Pan, J.G., Ahn, J.H.: US016329172B1 (2001). 

[52] 

Bauer, D.W., Beer, S.V., Bogdanove, A.J., Collmer, A., Ham, J.H.: 
US036596509B1 (2003). 

[53] 

Diaz-torres, M.R.: US20036642027B2 (2003). 

[54] 

Weiner, J.H., Zhang, G.: WO2006017929A1 (2006). 

[55] 

Lubitz, W., Resch, S.: US20036596510B1 (2003). 

[56] 

De Lorenzo, P.V., Fernandez Herrero, L.A.: US20080280346A1 
(2008). 

[57] 

Habermann, P., Ertl, J.: US20077202059B2 (2007). 

[58] 

Jeong KJ, Lee SY. Excretion of human beta-endorphin into culture 
medium by using outer membrane protein F as a fusion partner in 
recombinant  Escherichia coli. Appl Environ Microbiol 2002; 
68:4979-4985. 

[59] 

Lee, S.Y., Jeong, K.J.: US20097491528B2 (2009). 

[60] 

Lee, S.Y., Choi, J.H.: US20080206814A1 (2008). 

[61]  Schloesser, T., Dassler, T., Pfeiffer-Schwiesow, K.: 

US20080166764A1 (2008). 

[62] 

Patkar, A.Y., Sen, S., Chappell, M.L.: US20080182295A1 (2008). 

[63] 

Dassler, T., Wich, G., Schmid, G.: US20080254511A1 (2008). 

[64] 

Wich, G., Dassler, T.: US20080206818A1 (2008). 

[65] 

Kuppusamy, M., Srinivas, V.K., Lahiri, S., Ella, K., Khatri, G.S.: 
US20067105327B1 (2006). 

[66] 

Miksch, G., Flaschel, E., Breves, R., Maurer, K.-H., Kleist, S.: 
US20040005695A1 (2004). 

[67] 

Georgiou, G., Baneyx, F.: US5508192A (1996). 

[68] 

Georgiou, G., Baneyx, F.: EP866132A2 (1996). 

[69] 

Joly, J.C.: US6921659B2 (2005). 

[70] 

Chen, C.Y.-C.: US6828121B2 (2004). 

[71] 

Leonhartsberger, S., Wich, G.: US20080064062A1 (2008). 

[72] Bross 

CA. 

Escherichia coli and  Salmonella typhimurium cellular 

and molecular biology. In: Neidhardt FC, Ed. ASM Press: USA 
1996; 1382-1399. 

[73] 

Lee SY, Lee DY, Kim TY. Systems biotechnology for strain 
improvement. Trends Biotechnol 2005; 23: 349-358. 

background image

Secretory Production in E. coli 

Recent Patents on Biotechnology 2010, Vol. 4, No. 1    29 

[74] 

Blattner, F.R., Posfai, G., Herring, C.D., Plunkett III, G., Glasner, 
J.D.: US20060270043A1 (2006). 

[75] 

Yoon SH, Jeong H, Kwon SK, Kim JF. Genomics, biological 
features, and biotechnological applications of Escherichia coli B: 
“Is B for better?!” Systems biology and biotechnology of E. coli
In: Lee SY, Ed.: Springer: USA 2009; 1-17. 

[76] 

Jeong H, Barbe V, Lee CH, et al. Genome sequences of 
Escherichia coli B strains REL606 and BL21(DE3). J Mol Biol 
2009; 394: (in press) doi:101016/j.jmb.2009.09.052. 

[77] 

Yoon SH, Han MJ, Jeong H, et al. Comparative multi-omics 
systems analysis of closely related Escherichia coli strains. 
submitted.