Ekspresi Prethrombin-2 Manusia Recombinan dalam Pichia pastoris dan Optimasi Kondisi Ekspresinya

390

Indo. J. Phar. Scie. Tech. Vol. 4, No. 1, 27-34 (2017). http://dx.doi.org/10.15416/ijpst.v4i1.9766

Shabarni Gaffar, Purba Upay, Wulan Pertiwi, Iman Permana Maksum, Khomaini Hasan, Toto Subroto, Sutarya Enus dan Soetijoso Soemitro

Show more

Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran, Jatinangor. Indonesia.
Korespondensi : shabarni.gaffar@unpad.ac.id

[collapse]

Download citation | PDF (553 kb)

Abstrak/Abstract

Kata Kunci: Pretrombin-2, trombin, Pichia pastoris, kondisi ekspresi

Pendahuluan

Trombin merupakan enzim kunci pada proses hemostatis dan berperan pada beberapa substrat yang terlibat pada proses pembekuan darah.1,2 Pretrombin-2 adalah zymogen prekursor dari trombin. Pretrombin-2 memiliki 308 asam amino dan terdiri dari rantai A dan B yang dihubungkan oleh empat ikatan disulfida dan mengandung satu sisi glikosilasi.3

Trombin merupakan suatu protease serin multifungsi yang termasuk golongan tripsin. Trombin memiliki berbagai macam sifat dan interaksi biokimia yang berperan sebagai prokoagulan dan antikoagulan.4 Trombin memiliki aplikasi yang luas, diantaranya: dibidang kesehatan dan pembedahan, pada penelitian biologi molekul trombin digunakan sebagai protein fusi pada produksi protein rekombinan dan pada produksi makanan trombin digunakan sebagai agen pengikat daging.5

Protein terapeutik yang terglikosilasi pada umumnya diproduksi menggunakan sistem ekspresi mamalia dengan tujuan untuk memperoleh protein yang autentik. Sel CHO (Chinesse Hamster Ovary) paling banyak digunakan untuk ekspresi protein mamalia. Trombin manusia rekombinan yang pertama terdaftar diproduksi dari prekursor protrombin-1 dalam inang CHO.6 Hasil uji klinis menunjukkan bahwa produk ini toleran terhadap proteolisis. Namun inang ekspresi ini mahal dan nilai ekonominya rendah.

Ragi metilotropik P. pastoris sering digunakan sebagai inang untuk ekspresi protein rekombinan karena tingkat ekspresinya yang tinggi. P. pastoris cocok digunakan untuk produksi protein eukariot dengan folding yang tepat dan protein yang membutuhkan modifikasi pasca translasi.7,8 Lebih dari 550 protein heterolog telah berhasil disintesis dan diproduksi dalam ragi P. pastoris.9 Beberapa protein terapi yang diproduksi dalam P. pastoris, baik yang tidak terglikosilasi (seperti serum albumin manusia)10 atau protein yang memerlukan glikosilasi untuk pelipatan (seperti beberapa vaksin)11 sudah beredar dipasaran.

Pada penelitian ini pretrombin-2 manusia diekspresikan dalam inang P. pastoris. Ekspresi pretrombin-2 dalam inang P. pastoris memungkinkan sekresi ekstraselular dengan tersedianya vektor ekspresi yang mengandung peptida sinyal yaitu pPICZαB. Selain itu inang P. pastoris defisien protease dipilih untuk meminimalkan proteolisis hasil ekspresi. Inang ini berhasil digunakan untuk ekspresi endostatin manusia.7

 

Metode Penelitian

Galur, vektor dan reagen.

Fragmen gen PT2 dirancang sesuai kodon preferensi P. pastoris dan disintesis oleh DNA 2.0 (California). P. pastoris galur SMD1168 dan E. coli galur TOP10F’ dari Invitrogen. Vektor pPICZαB dari Invitrogen dan vektor pJet1.2 dari Thermo Scientific. Enzim restriksi endonuklease, Taq DNA polymerase, dan T4 DNA ligase dari Thermo Scientific. Primer PCR dan sekuensing DNA disintesis oleh FirstBase (Singapura). Kit isolasi DNA dan purifikasi DNA dari TianGene. Semua zat kimia yang digunakan dari Sigma. Media pertumbuhan yang digunakan adalah YPD (ekstrak ragi 1%, pepton 2%, dekstrosa 2%), YPDS (ekstrak ragi 1%, pepton 2%, dekstrosa 2%, sorbitol 1 M, bakto agar 2%), BMGH (Buffered Minimal Glycerol Histidine): (ekstrak ragi 1%, pepton 2%, kalium fosfat 100 mM pH 6,0, YNB 1,43%, biotin 4 x 10-5%, histidin 4 x 10-3% dan gliserol 1%). BMMH (buffered minimal methanol histidine): YNB 1,43%, kalium fosfat 100 mM pH 6,0, biotin 4 x 10-5%, metanol 1%, dan histidin 4 x 10-3%. Bahan untuk media pertumbuhan diperoleh dari Oxoid.

Konstruksi plasmid pPICZαB-PT2. Fragmen PT2 diamplifikasi dari templat gen PT2 sintetik dengan penambahan sisi restriksi EcoR1 pada ujung 5’ dan SacII pada ujung 3’. Enzim restriksi ini dipilih dari hasil analisis urutan PT2 dan menyesuaikan dengan MCS pada vektor pPICZαB. PCR dilakukan menggunakan pasangan primer 5’EcoPT2 dan 3’PT2Sac. Produk PCR (~924 pb) dikloning menggunakan vektor pJet1.2 menghasilkan plasmid rekombinan pJet1.2-PT2. Selanjutnya, plasmid pJet1.2-PT2 direstriksi menggunakan enzim restriksi EcoR1 dan SacII, dimurnikan dan diinsersi ke sisi yang sama pada vektor pPICZαB untuk menghasilkan plasmid pPICZαB-PT2. Urutan nukleotida diverifikasi dengan sekuensing DNA.

Transformasi P. pastoris.

Sel inang P. pastoris defisien protease SMD1168 ditransformasi dengan metoda elektroporasi. Sel kompeten disiapkan mengikuti protokol.12 Sebanyak 50 μL sel kompeten dicampur dengan 1-5 μg plasmid rekombinan pPICZαB-PT2 yang telah dilinearkandenganPme1.Seldielektroporasi selama 5 milidetik dengan kuat arus 1,5 kV/ cm menggunakan Eppendorf Electroporator 2510. Transforman P. pastoris ditumbuhkan pada media YPDS dengan penambahan antibiotik zeocin 100 μg/mL, dan diinkubasi selama 3 hari pada suhu 30oC.

Pembuatan Kurva Pertumbuhan.

P. pastoris ditumbuhkan pada media YPD cair selama semalam, 1 mL kultur dipindahkan ke dalam 100 mL media BMGH dengan dan tanpa penambahan sorbitol 2% dalam labu erlenmeyer 100 mL.13 Kultur diinkubasi pada suhu 28°C dalam inkubator pengocok pada kecepatan 200 rpm. OD600 ditentukan setiap tiga jam.

Penentuan Konsentrasi Penginduksi Metanol.

P. pastoris ditumbuhkan dalam media YPD cair 5 mL, diinkubasi pada suhu 30°C dengan kecepatan pengocokan 250 rpm selama 16-18 jam. Satu mL kultur hasil inokulasi dipindahkan ke dalam empat labu yang berisi 100 mL media BMGH dengan penambahan sorbitol 2% dalam labu 500 mL, diinkubasi pada suhu 28°C dengan kecepatan 200 rpm selama 72 jam. Kultur disentrifugasi dengan kecepatan 6000 rpm selama 5 menit pada suhu ruang. Supernatan didekantasi dan pelet sel diresuspensi dalam media BMMH dengan volume 1/10 kultur (±10 mL). Inkubasi dilanjutkan pada suhu 28°C dalam inkubator pengocok dengan kecepatan ~200 rpm. Metanol ditambahkan hingga konsentrasi akhir 0,75%, 1,5%, 2%, dan 3% setiap 24 jam. Sampel diambil setiap 24 jam pada waktu penambahan metanol (24, 48, 72, 96,120, dan 144 jam), OD600 ditentukan, pelet dipisahkan dari supernatan dengan sentrifugasi, disimpan pada suhu -20 °C sebelum dianalisis.

Optimasi Ekspresi Variasi Konsenstrasi Sorbitol

P. pastoris ditumbuhkan dalam 5 mL media YPD cair diinkubasi pada suhu 30°C dengan kecepatan pengocokan 250 rpm selama 16-18 jam. Satu mL kultur dipindahkan ke dalam 100 mL media BMGH dan ditambah sorbitol masing-masing dengan konsentrasi 1%, 2%, dan 3% (v/v) dalam labu Erlenmeyer 500 mL, diinkubasi pada suhu 28°C di dalam inkubator pengocok dengan kecepatan ~200 rpm selama 72 jam. Kultur P. pastoris dari media BMGH disentrifugasi dengan kecepatan 6000 rpm selama 5 menit pada suhu ruangan. Supernatan didekantasi dan pelet sel diresuspensi dalam media BMMH dengan volume 1/10 kultur BMGH (±10 mL). Inkubasi dilanjutkan kembali pada suhu 28°C dalam inkubator pengocok dengan kecepatan ~200 rpm. Metanol ditambahkan hingga konsentrasi akhir 0,75% setiap 24 jam. Sampel diambil setiap 24 jam pada waktu penambahan metanol (24, 48, 72, 96, 120, dan 144 jam), pelet dipisahkan dari supernatan dengan sentrifugasi, disimpan pada suhu -20°C sebelum dianalisis.

Analisis SDS-PAGE.

Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis dilakukan pada kondisi tereduksi menggunakan running gel 10% dan stacking gel 4%. Dua puluh lima mikro liter supernatan transforman P. pastoris dianalisis dengan SDS-PAGE. Pita protein pada gel dideteksi dengan pewarnaan Coomassie brilliant blue.

Penentuan Kadar Protein.

Kadar protein ditentukan dengan metoda Lawry.14 Kurva standar dibuat menggunakan BSA.

Hasil

Konstruksi plasmid rekombinan pPICZαB-PT2 dan kloning dalam E. coli.

Fragmen PT2 dengan ukuran 924 pb berhasil diamplifikasi dengan metoda PCR (Gambar 1). Fragmen DNA dimurnikan dan dikloning menggunakan vektor pJet1.2 dalam inang E. coli TOP10F’. Plasmid pJet1.2-PT2 diisolasi dari transforman E. coli, kemudian direstriksi menggunakan enzim EcoR1 dan SacII mengikuti protokol. Hasil analisis restriksi pada beberapa plasmid dari koloni transforman E. coli menunjukkan bahwa dari empat koloni yang dianalisis, tiga koloni membawa plasmid rekombinan pJet1.2-PT2.

Fragmen PT2 hasil restriksi kemudian diligasi ke sisi yang sama pada vektor pPICZαB dan disubkloning dalam inang E. coli TOP10F’. Plasmid pPICZαB-PT2 diisolasi untuk dianalisis restriksi dan penentuan urutan nukleotida, hasil penentuan urutan nukleotida menunjukkan bahwa urutan PT2 hasil kloning sesuai dengan rancangan (data tidak diperlihatkan).

Gambar 1.A. Produk PCR PT2 (~924 pb). B. Hasil isolasi DNA plasmid rekombinan pJet1.2-PT2 dan analisis restriksi dari koloni-koloni transforman.

M= DNA marker, un=plasmid sirkular, C1= plasmid dipotong dengan enzim EcoR1, C2= plasmid dipotong dengan enzim EcoR1 dan SacII.
Gambar 2. A. Fragmen DNA pPICZαB dan PT2 hasil restriksi dengan enzim EcoR1 dan SacII; B. Hasil isolasi DNA plasmid rekombinan pPICZαB-PT2 dan analisis restriksi dari koloni-koloni transforman

M= DNA marker, un=plasmid sirkular, C1= plasmid dipotong dengan enzim EcoR1, C2= plasmid dipotong dengan enzim EcoR1 dan SacII; C. Peta plasmid rekombinan pPICZαB-PT2.

Pada Gambar 2 diperlihatkan hasil analisis restriksi dan peta plasmid rekombinan pPICZαB-PT2 hasil konstruksi. Hasil analisis restriksi dari empat koloni menunjukkan bahwa semua koloni membawa plasmid rekombinan.

Gambar 3. Kurva pertumbuhan P. pastoris SMD 1168[PT2] dalam media BMGH (biru) dan BMGH + sorbitol 2% (merah).

Kurva pertumbuhan P. pastoris SMD 1168[PT2]

Perbandingan kurva pertumbuhan P. pastoris dalam media BMGH dan BMGH ditambah sorbitol 2% menunjukkan bahwa penambahan sorbitol sedikit meningkatkan densitas sel P. pastoris SMD1168 (Gambar 3). Hasil ini berbeda dengan penambahan sorbitol pada inang P. pastoris GS115 yang dapat meningkatkan densitas sel sampai dua kali lipat.13 P. pastoris SMD 1168 merupakan inang defisien protease yang menunjukkan pertumbuhan yang lambat dibanding P. pastoris GS115.7 Sumber karbon tambahan yang tidak menghambat promotor AOX diperlukan untuk meningkatkan densitas sel sehingga dapat meningkatkan level ekspresi.8 Penambahan sumber karbon sorbitol juga meningkatkan pertumbuhan inang P. pastoris defisien protease.15 OD600 terlihat meningkat sampai jam ke-21 (Gambar 3). P. pastoris bukan merupakan ragi fermentatif, yaitu tidak menghasilkan etanol yang bersifat racun bagi sel, sehingga dapat ditumbuhkan hingga mencapai densitas sel yang tinggi.7

Gambar 4. Elektroforegram SDS-PAGE pretrombin-2 manusia rekombinan hasil ekspresi dari P. pastoris SMD1168 dengan penambahan sorbitol 2% dan pengiduksi metanol 2%.

(M) marker protein; (1) sebelum diinduksi; (2) jam ke-24; (3) jam ke-48; (4) jam ke-72; (5) jam ke-96; (6) jam ke-120; (7) jam ke-144.
Gambar 5. Perbandingan hasil ekspresi PT2 oleh P. pastoris SMD 1168 dengan variasi konsentrasi penginduksi metanol. Kadar protein ditentukan dengan metoda Lawry.

 

Ekspresi Pretrombin-2 oleh inang P. pastoris SMD 1168.

Hasil ekspresi pretrombin-2 oleh P. pastoris SMD 1168 menggunakan media BMGH + sorbitol 2% dan media ekspresi BMMH serta penginduksi metanol 0,75%. Induksi dilakukan setiap 24 jam sampai jam ke-144. Terlihat bahwa PT2 dengan BM 35 kDa berhasil diekspresikan secara ekstraselular mulai pada jam ke-24 sampai jam ke-144 dengan tingkat ekspresi yang relatif sama (Gambar 4). Optimasi konsentrasi penginduksi

Konsentrasi optimum penginduksi ditentukan dengan variasi konsentrasi metanol 0,75%, 1%, 1,5%, 2% dan 3%. Ekspresi dilakukan seperti prosedur menggunakan media BMGH + sorbitol 2% dan inducer ditambahkan setiap jam sampai jam ke 144. Hasil pengaruh konsentrasi inducer ditampilkan pada diagram batang Gambar 5. Terlihat bahwa pada konsentrasi penginduksi 2% kadar protein yang dihasilkan jauh lebih tinggi dibandingkan dengan yang lain.

Gambar 6. Perbandingan kadar protein PT2 hasil ekspresi dengan variasi penambahan sorbitol 1% (merah), 2% (biru), 3% (hijau). Kadar protein ditentukan dengan metoda Lawry.

Optimasi konsentrasi sorbitol

Hasil ekspresi PT2 dengan variasi konsentrasi sorbitol sebagai sumber karbon tambahan memperlihatkan konsentrasi sorbitol 2% merupakan konsentrasi yang optimum (Gambar 6).

Pembahasan

Pretrombin-2 dengan berat molekul 35 kDa berhasil diekspresikan secara ekstraselular menggunakan inang P. pastoris SMD 1168 defisien protease. Penggunaan inang defisien protease bertujuan untuk menghindari proteolisis, namun P. pastoris SMD 1168 pertumbuhannya lambat, walaupun dengan sumber karbon tambahan. Terlihat pada penelitian ini bahwa OD & Hearn, 2005). Penggunakan sumber karbon dan sumber nitrogen lainnya perlu dipelajari untuk meningkatkan ekspresi pretrombin-2 oleh P. pastoris.

Pretrombin-2 adalah prekursor trombin. Aktivasi pretrombin-2 menjadi trombin terjadi melalui pemotongan pada residu Arginin ke 320 (penomoran pada asam amino pro-trombin) oleh protrombinase atau dengan ekarin. Aktivasi pretrombin-2 rekombinan yang dihasilkan perlu diuji untuk membuktikan apakah P. pastoris menghasilkan pretrombin-2 dengan folding yang tepat.

Penelitian ini menunjukkan bahwa sorbitol merupakan sumber karbon tambahan yang bersifat non-represif, yaitu dapat meningkatkan pertumbuhan dan tidak menghambat ekspresi protein asing. Sorbitol sudah diketahui dapat digunakan sebagai sumber karbon tambahan pada produksi β-galaktosidase rekombinan dalam sistem ekspresi P. pastoris dibawah kontrol promotor AOX1. Namun konsentrasi optimum sumber karbon tambahan dipengaruhi oleh inang yang digunakan dan protein rekombinan yang diekspresikan (Inan & Meager, 2001).

Kesimpulan

Pretrombin-2 manusia rekombinan berhasil diekspresikan dalam inang P. pastoris SMD 1168 dengan konsentrasi penginduksi optimum 2% dan sorbitol 2% sebagai sumber karbon tambahan.

Ucapan Teriman kasih.

Penelitian ini dilaksanakan dengan dana Penelitian Unggulan Nasional Dikti 2013-2015.

 

Daftar Pustaka

  1. Giulia Russo, Alain Gast, Ernst-Jurgen Schlaeger, Antonietta Angiolillo, and Concetta Stable Expression and Purification of a Secreted Human Recombinant Prethrombin-2     and Its Activation to Thrombin. Protein expression and purification. 1997;10, 214-225.
  2. Crawley, JT, Zanardelli, S,  Chion, CK, Lane    2007.  The  central  role of thrombin in hemostasis.J Thromb   Haemost:   5   Suppl 1:95-101.  DOI:10.1111/j.1538- 7836.2007.02500.x
  3. Pozzi  N,  Chen  Z,  Zapata  F,   Pelc LA, Barranco-Medina S, Di Cera E. Crystal structures of prethrombin-2 reveal alternative conformations under identical solution conditions and the mechanism of zymogen activation. Biochemistry. 2011;50(47):10195-202. doi: 10.1021/bi2015019. Di Cera E.Thrombin as procoagulant and anticoagulant.J Thromb Haemost;5 Suppl. 2007;1:196-202.
  4. Di Cera E.Thrombin as procoagulant and anticoagulant.J Thromb Haemost;5 Suppl. 2007;1:196-202.
  5. Di Cera E. 2008. Thrombin.Mol. Aspects Med;29(4):203-54. doi: 10.1016/j.mam.2008.01.001.
  6. Bishop D, Lewis K.B, Schultz J , Walker K.M. 2006. Comparison of Recombinant Human Thrombin and Plasma-Derived Human α-Thrombin. Semin ThrombHemost;32: 086- 097DOI: 10.1055/s-2006-939558.
  7. Cereghino J.Land J. M. Cregg. Heterologous protein expression in the methylotrophic yeast Pichia pastoris. FEMS Microbiol. 2000;24: 45-66.
  8. Daly, & Hearn,M.T.W. Expression fo heterologous proteins in Pichia pastoris: a useful experimental tool in protein engineering and production. J. Mol. Recognit. 2004;18: 119-138.
  9. Watanabe, , Yamasaki, K., Kragh- Hansen, U., Tanase, S., Harada, K., Suenaga, A., Otagiri, M. In vitro and in vivo properties of recombinant human serum albumin from Pichia pastoris purified by a method of short processing time. Pharm. Res. 2001;18, 1775–1781.
  10. Hardy, , Martínez, E., Diago, D., Díaz R., González, D., and Herrera L. Large-scale production of recombinant hepatitis B surface antigen from Pichia pastoris. J. Biotechnol. 2000;77, 157– 167.
  11. Invitrogen, A manual of methods for expresion of recombinant proteins in Pichia Pastoris, 2006.
  12. Shabarni-Gaffar , Permana D, Rahmawati DP , Meirina TN, Syihab ABMI, Ismayana S, Subroto T, Suprijana O, Soemitro S. Effectof methanol inducer concentration and carbon source sorbitol and mannitol to the production of Saccharomycopsisfibuligera R64 α-amylase in Pichiapastoris. Indonesia J Appl Chem. 2011; 13(2): 58-64.
  13. Lowry, H., Rosenbrough, N.J., Farr, A.L., Randall, R.J. Protein measurement with Folin Phenol Reagent. J Biol Chem. 1951;193, pp. 265-275.
  14. Inan, M., Meagher, M.M. Non- repressing carbon sources for alcohol oxidase (AOX1) promoter of Pichia pastoris. J. Biosci. Bioengng. 2001; 92: 585–589.