advances in protein expression: high throughput tools for ......high throughput tools for improving...

23
1 Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for Improving Analysis Webinar 17 April 2013 [0:00:00] Sean Sanders: Hello and welcome to this Science/AAAS audio webinar. I'm Sean Sanders, editor for custom publishing at Science. Slide 1 The correct expression of proteins in vitro can be a challenging endeavor. The characterization of protein expression systems, particularly for biotherapeutics and structural biology, requires the testing of many variables to obtain the optimal clones. Assessing these variables is costly and timeintensive if done individually. However, high throughput analytical technologies and multiuse automation platforms can accommodate the high sample throughput necessary to provide fast, accurate and efficient optimization of protein expression and purification conditions. This ultimately improves quality, reduces risk, and accelerates the time to produce proteins for both research and therapeutic applications. In today's webinar, our exceptional panel of experts will be discussing the factors to consider when optimizing the conditions for protein expression and characterization experiments, and we'll provide pointers on adapting your workflow to incorporate high throughput analysis. Slide 2 It gives me great pleasure to introduce our speakers today. They are Dr. Brandan Hillerich from Albert Einstein College of Medicine in New York and Mr. Jason Payne from Pfenex in San Diego, California. I'm so pleased you could both join us today. Before we get started, I have information that our audience might find helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your viewing console. The widgets at the bottom of the console control what you see. Click on these to see the speaker bios or additional information

Upload: others

Post on 28-Sep-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

1

Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for Improving Analysis 

Webinar 17 April 2013 

 [0:00:00]  Sean Sanders:  Hello  and  welcome  to  this  Science/AAAS  audio  webinar.  I'm  Sean 

Sanders, editor for custom publishing at Science.  Slide 1    The correct expression of proteins in vitro can be a challenging endeavor. 

The  characterization  of  protein  expression  systems,  particularly  for biotherapeutics  and  structural  biology,  requires  the  testing  of  many variables to obtain the optimal clones. 

   Assessing these variables is costly and time‐intensive if done individually. 

However,  high  throughput  analytical  technologies  and  multiuse automation  platforms  can  accommodate  the  high  sample  throughput necessary to provide  fast, accurate and efficient optimization of protein expression and purification conditions. This ultimately  improves quality, reduces  risk,  and  accelerates  the  time  to  produce  proteins  for  both research and therapeutic applications. 

   In today's webinar, our exceptional panel of experts will be discussing the 

factors to consider when optimizing the conditions for protein expression and characterization experiments, and we'll provide pointers on adapting your workflow to incorporate high throughput analysis. 

 Slide 2    It  gives me  great  pleasure  to  introduce  our  speakers  today.  They  are 

Dr. Brandan  Hillerich  from  Albert  Einstein  College  of Medicine  in  New York  and Mr.  Jason  Payne  from  Pfenex  in  San Diego, California.  I'm  so pleased you could both join us today. 

   Before we get  started,  I have  information  that our audience might  find 

helpful. Note  that  you  can  resize  or  hide  any  of  the windows  in  your viewing console. The widgets at the bottom of the console control what you see. Click on these to see the speaker bios or additional information 

Page 2: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

2

about technologies related to today's discussion or to download a PDF of the slides. 

   Each of our panelists will  give  a  short presentation  followed by a Q&A 

session, during which our guests will address the questions submitted by our  live online viewers. So  if you're  joining us  live,  start  thinking about some questions now and  submit  them at any  time by  typing  them  into the  box  on  the  bottom  left  of  your  viewing  console  and  clicking  the submit button.  If you can see this box,  just click the red Q&A widget at the bottom of the screen. 

   Please  remember  to  keep your questions  short and  concise as  this will 

give them the best chance of being put to our panel. You can also  log  in to  your  Facebook,  Twitter  or  LinkedIn  accounts  during  the webinar  to post  updates  or  send  tweets  about  the  event.  Just  click  the  relevant widgets at the bottom of the screen. For tweets you can add the hash tag #sciencewebinar. 

   Finally,  thank  you  to  PerkinElmer  for  their  sponsorship  of  today's 

webinar.  Slide 3    Now I'd like to introduce our first speaker for today, Dr. Brandan Hillerich. 

Dr. Hillerich received his Ph.D. in Molecular Genetics from the University of  Georgia,  after  which  he  joined  the  New  York  Consortium  on Membrane  Protein  Structure  where  he  developed  high  throughput techniques  for  the  expression  and  purification  of  integral  membrane proteins. He  is  now  the managing  director  of High  Throughput  Protein Production at the Albert Einstein College of Medicine where he oversees a  production  pipeline  that  services  the  New  York  Structural  Genomics Research Consortium and the Enzyme Function Initiative. In the past two years,  the  facility  has  produced  over  24,000  clones  and  purified  over 4000  proteins,  including  over  500  expressed  in  insect  and mammalian systems. 

   A very welcome to you, Dr. Hillerich.  Dr. Brandan Hillerich: Thank you, Sean.    So I am going to talk a little bit today about our multiplatform expression 

evaluation as part of the High Throughput Protein Production facility here at Albert Einstein College of Medicine. 

 

Page 3: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

3

Slide 4    Our main project and our main source of funding is the Protein Structure 

Initiative.  For  those  of  you  that  don't  know,  the  Protein  Structure Initiative  is an ongoing effort that began  in 2000 to accelerate discovery in  structural  genomics and  to  contribute  to understanding of biological function through atomic structure. 

   The  center  based  at  Albert  Einstein  is  named  the New  York  Structural 

Genomics  Research  Consortium  or  NYSGRC,  and  it  is  one  of  four  PSI: Biology Large‐Scale Centers. NYSGRC has three partnership centers and it acts as the protein production and structured determination facilities for those  centers.  The  one  I'm  going  to  talk  about  today  is  the  Immune Function Network or IFN. 

   Here at NYSGRC, we rely on the use of automation and high throughput 

small‐scale  expression  screening  to  rapidly  determine  which  domains, expression  systems,  cell  lines  and  purification  conditions  yield  enough pure protein  for structural studies. We are also using  these methods  to screen production conditions  for  full‐length proteins which we'll use  for functional characterization. 

 [0:05:00]  Slide 5    So  just  a  little  bit  of  background  on  the  Immune  Function Network,  it 

targets all of the Ig superfamily proteins in the human genome. There are about  500  of  these.  Some  of  these  members  include  co‐stimulatory molecules; CD28 and B7‐1 are examples;  inhibitory molecules  like PD‐1, PD‐L1 and butyrophilins. There's also antigen and antigen receptors, cell adhesion molecules and cytoskeletal regulators. 

   As far as structure goes, these are a fairly good target set as every one of 

these  members  contains  at  least  one  Ig‐like  domain  which  tends  to behave fairly well and crystallize fairly well. Many of these IgSF members are involved in human disease and they interact with each other. 

   And as a future direction of the  Immune Function Network, we're going 

to  be working  out ways  to  identify  new  interactions  of  these  that  are relevant  to human physiology and disease and work on elucidating  the mechanisms  of  some  known  therapeutic  targets,  and  then we will  use this  information  to  hopefully  design  novel  reagents  which  could  be 

Page 4: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

4

potential  therapeutics  and  to  look  at  these  complexes crystallographically. 

 Slide 6    So  the  pipeline  that  we  have  built  here  at  Albert  Einstein  is  actually 

several  pipelines  but  they  run  in  parallel.  Everything  starts  in  our Molecular Biology Core. We can clone several hundred constructs a week and  this  is  the  beginning  of  the  funnel  that  allows  us  to  test  mini conditions in cell lines in a high throughput manner. 

   For the purposes of the talk today, I'm going to just talk a little bit about 

our  bacterial  system  but mainly  only  the  refolding  part.  And  then  I'll move on to our pIEx based vector system for insect expression and then talk briefly about our mammalian systems. 

 Slide 7    As I said, these Ig superfamily targets can contain at least one Ig fold, and 

over  the past  several  years we've  shown  that  refolding  these proteins, making them in E. coli and inclusion by reagent refolding them is a good way to lead the structure. 

   Here are a few examples. The problem that we encountered was that  if 

you  chose  blindly  what  targets  to  refold,  the  success  rate  was much below 20%, which means that we are wasting at least 80% of our effort. So we decided that we were to use our high throughput cloning core and start testing different domains and trying them and refolding. However, we had to develop a high throughput assay to do this. 

 Slide 8    So in order to do that, we looked at our process and tried to match it on a 

small scale. What we've done now  is we've made a screen that you can grow 1 ml cultures, take these, you spin them down and you  isolate the inclusion bodies. We can take the inclusion bodies, resolubilize them and do rapid dilution refolding all in a 1 ml reaction volume. This allows us to do many of these things quickly. 

 Slide 9    Once we  finish with  the  refolding, we  take what we have and we  load 

them onto our PerkinElmer GX  II  in 384‐well  format, and we screen  for things  that have bands  that made  it  through  the refolding process. And 

Page 5: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

5

on  the  top here  there's a representative gel  if you will of  the ones  that are refolded. 

   But that's not the end of the story because things maybe have refolded 

and  be  soluble,  but  they  may  be  soluble  aggregates.  So  we  take everything that gave a band and we load that onto an HPLC and we look for things that are monomeric and about the size that we want. So as you can see below, the red line is a protein that happens to be an aggregate, and the blue trace is what we're looking for. 

   And  this method has worked  very well  for us. We've  got  it down now 

where we can sort of flip it, and now 80% of our effort is translated into protein whereas before  it was only 20%, and that makes us very happy. But that doesn't give us all the targets we want. As our  list  is  finite, we need to move on to other efforts. 

 [0:10:11]  Slide 10    And so for this, we move to our insect production pipeline. We wanted to 

match this, have some sort of small‐scale effort for the insect pipeline as it can be very expensive to scale up from any failures. 

 Slide 11    So when we moved  to  this, we  decided we  needed  some  automation 

help,  and  what  we  did  was  we  contracted  PerkinElmer  to  build  us  a robot, a cell::explorer. Here's a layout. It's all built around a Janus Liquid Handling  Robot  and  has  a  six‐axis  arm.  It  has  a  plate  reader,  a  fax analyzer, some incubators. 

 Slide 12    And here are  some pictures of  the arm because  I  just  think  it's kind of 

neat. And what that allows us to do is it allows us to screen hundreds of viral  constructs  in  baculovirus,  and we  also  use  this  now  to  be make lentivirus and some of our other mammalian cultures. And so this allows us to screen mini conditions on the small scale and  it saves us time and money. 

 Slide 13  

Page 6: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

6

  So because of this we have taken two screening multiple cell lines. In this case I'm showing you two, Sf9 and Hi5, where we grow 3 ml cultures. We do a nickel pull‐down and we  look at what's expressed. In this case, you will notice that there's not much difference  in what can be expressed  in Hi5  and  Sf9,  but  often what we  see  is  the Hi5  gives  us  better  protein yields, so that's our go‐to with Sf9 being a rescue.  

 Slide 14    And similarly as with the refolding, just seeing a band doesn't tell you the 

whole story.  Slide 15    So what we have to do again is go back to our HPLC and see if what we're 

looking at  is a nice monomer or dimer  instead of an aggregate. And as you can see here, there's another example of the void, a void peak or an aggregate peak  and  a monomer. This  takes  a  lot of effort,  and  it's  still expensive  to do  this on a  small  scale  so we don't want  to waste  these samples. 

 Slide 14    So  in an effort to rescue them, we have trained our HPLCs to be able to 

do buffer screening, and so what you can see on this slide here  is  in the middle  you  can  see  that  there  are  some  peaks.  Some  of  those  are retained and some of  those are void.  If we apply a buffer screen which has  varying  pHs  and  high  and  low  salt  and  some  additives,  urea  or L‐arginine, what  you  can  see on C  is  that we  can move more of  those proteins  from  aggregate  into  retained peaks.  This  is  great  and  this has allowed us to rescue about 20% of our targets. 

 Slide 16    This  has  come  online  in  the  last  year  and  I'm  happy  to  report  some 

successes.  We  have  several  crystal  structures  from  our  baculoviral expression system. There are three here. We have several more that are being refined now. 

   So  as  I  said  before,  the  Immune  Function  Network  is  mostly  about 

structure but it's not all about structure. So we want to make these high‐value proteins  to be able  to use as  reagents  for structural studies or as antigens to generate antibodies or aptamers or something. 

 

Page 7: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

7

Slide 17    So  to  get  more  at  the  full‐length  proteins  we  have  a  mammalian 

expression  system.  We  do  this  two  ways.  One  is  we  do  a  sort  of traditional select and  integrate stable system. We use  the cell::explorer again  to do our  transfections here on  the  small  scale, and we can do a couple of hundred of  these a week. Again, we  let  them grow out  for a little  while  and  we  then  do  a  nickel  pull‐down  and  score  them  for expression. 

   The problem with this is that it takes a lot of time. It takes several weeks 

to  get  these  things  integrated  and  to  see  expression,  and  then  the expression  can  be  unstable  or  variable.  So  we've  also  incorporated  a lentiviral  system;  and  yet  again,  the  cell::exploration  allows  us  to  do many of these at a time. 

 [0:14:54]  Slide 18    So just a quick example of what our lentiviral system has been able to do, 

not only is it fast but we've seen, as you can see in this slide, that we've been able  to  increase  the amount of protein per  liter,  in  this case  from 15 milligrams  a  liter  up  to  90 milligrams  per  liter.  And  on  the  bottom which  is very difficult  for you  to see,  I'm sure, but what we've  found  is that with the GFP marker, if you let the cells grow out and you can then sort them. And as you do, you can see that you retain many, many more high‐expressing  cells,  and  so  this  adds  to  the  production  level  of  the protein. 

 Slide 19    When we first started using this, this was not high throughput. When we 

started out, it was using adherent cells; it required serum, purification of the  virus.  We  had  to  do  ultracentrifugation  overnight.  We  use  ion exchange and that just slowed the whole process down. 

   We've changed this around now and we're adapting it to use suspension 

cells. We've  incorporated  tubespin  bioreactors which  are  50 ml  Falcon tubes with a  little corkscrew  in there, and we've switched over to direct PEI mediated transfection method which is faster and cheaper. 

 Slide 20  

Page 8: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

8

  And the result is that now we have a system, a lentiviral system where we can  look at small‐scale screening rapidly for mini constructs. And so  just little highlights of the new system, we can produce 30 ml of virus at titers of 1x107. We can easily do 48 of these a week. And that leads to scale‐up production, and this goes  from clone to protein  in  less than two weeks, which is great for us. 

 Slide 21    And just to show some of what we've been doing, this is a slide of several 

important Ig superfamily members made as both Fc fusions for functional studies. And then on the end, we've actually made some of our domains that  have  been  fed  into  our  crystallography  pipeline.  And what we've found  is  that  this  is an excellent complement  to our other systems and we're being able to mine more targets out of our target list. 

 Slide 22    So just to close, I'd  like to tell you some of our keys to success. The first 

thing  to  take  away  is  that  there  are ways  to  overcome  the  difficulties associated  with  production  of  these  proteins.  We've  attacked  this problem  by  designing multiple  domains,  trying multiple  cell  lines  and expression  systems, and  screening multiple buffer  conditions whenever we can get the protein but maybe  it's not as soluble or as  in the proper form that we want. 

   The major takeaway from our experience  is that you should do as much 

as you can on the small scale. We prefer to fail quickly at the small scale than slowly at the large scale. Doing this and being able to test constructs on a small scale allows you to save quite a bit of time and money.  It's a good idea to try to figure out any way you can to incorporate automation into  this process because  that's only going  to  increase your  throughput and your reproducibility. 

 Slide 23    So with that, I'll close and give some acknowledgements here to some of 

the people that helped us create this pipeline in this center over the last year. Thank you. 

 Sean Sanders:  Fantastic! Thanks so much, Dr. Hillerich.  Slide 24  

Page 9: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

9

  We're  going  to  move  right  on  to  our  second  speaker  today.  That's Mr. Jason Payne. 

   Originally from the wheat fields of Washington State, Mr. Payne received 

his  bachelor's  and  master's  degrees  from  the  School  of  Molecular Biosciences at Washington State University. In 1999, he started his career with  Dow  Chemical,  which  had  just  begun  a  biotech  effort  in  the San Diego area. It was there that Mr. Payne and his colleagues developed the Pfenex Expression System, using Pseudomonas fluorescens strains. In late 2009, Dow spun out the company Pfenex based on this technology. 

   Mr. Payne is an analytical scientist with a broad range of experience in a 

number  of  technologies,  including  laboratory  automation,  SDS‐capillary gel  electrophoresis,  high‐pressure  liquid  chromatography,  and  liquid chromatography‐mass spectrometry. 

 [0:20:05]    Welcome and thanks for being with us, Mr. Payne.  Jason Payne:  Thank you, Sean.  Slide 25    So today  I'm going to tell you a  little bit about Pfenex. As Sean said, we 

produce  proteins  and  we're  located  in  San  Diego.  It's  based  on Pseudomonas  fluorescens, which  is where the Pf  in Pfenex comes  from. We have process development capabilities going from molecular biology all  the way  to purified protein. We're a non‐GMP  site, but we do have partners  that we can produce GMP quality proteins. We have about 35 employees. 

 Slide 26    We  have  several  different  business  segments  based  on  the  Pfenex 

Expression  System.  We  have  lead  proteins  that  we  work  with  other biopharmaceutical  companies  to  produce,  vaccines,  fusion  proteins, scaffold proteins. 

   We also have partnerships with government agencies to produce malaria 

antigens and our anthrax rPA antigen.    We have a reagent proteins business where you can go and buy reagent 

grade proteins at reagentproteins.com. 

Page 10: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

10

   And  we  also  are  getting  into  producing  several  different  biosimilar 

products such as GCSF and interferon products. So we have a lot going on for a small company. 

 Slide 27    So why do we need high throughput technologies? Well, we have a lot of 

strains based on  the number of promoters, different  ribosome binding strains,  many  different  secretion  leaders  to  target  the  periplasm  for correctly  folded and disulfide bond  formation. And we also have strains that have on the second plasmid chaperone overexpression and disulfide bond  isomerase  overexpression  in  order  again  to  try  to  get  soluble, quickly folded proteins. We also have many protease deletion strains for obvious reasons to keep our proteins intact. 

   And  if  you  do  the math  there,  there  are  thousands  and  thousands  of 

combinations  you  could  try  for  every  project.  So  we  end  up  with hundreds of thousands of samples and so we need some automated way to prepare those samples and analyze the protein expression. 

 Slide 28    So we have some robotics and we basically do everything we can  in 96‐

well  format  from  transformation  of  our  plasmid  ‐‐ well,  first  of  all, we have the gene of interest synthesized and then we put it into the plasmid of  choice,  usually  screened  several  different  secretion  leaders  and transform  those  into  various  host  strains,  start  a  seed  culture  and eventually inoculate and grow about 0.5 ml cultures in 96‐well format. 

   We usually evaluate about 1000 strains when we get a new protein and 

grow those up.  Slide 29    So  I'll talk a  little bit about why we screen so many strains. The thing  is 

you can't really predict what combination of strain and secretion  leader for  example  or  plasmid  will  produce  the  best  results  or  the  highest expression or the most soluble expression. So you can see in this cartoon that on the left you have plasmid, the different plasmids, and then going up the expression on the right you have the different strains and then an expression going up, and you can see  there's a variety of plasmids  that work  and  a  variety of  strains  that work, but  it's  the  combinations  that give you the highest expression that we're looking for. 

Page 11: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

11

 Slide 30    So we kind of take a two‐tiered approach similar to Brandan's group. We 

use CGE on the first tier often, or sometimes  if we have a binding assay we'll use Bio‐Layer Interferometry. With CGE you can run a 96‐well plate in about an hour and a half; and the BLI is a little bit faster, about a half an hour per plate. But it takes a little bit more development to get a good protein interaction assay going. 

   So then after we downselect maybe 50 or 100 samples, we'll do a second 

tier analysis using HPLC, even good old Western blots, LC‐MS, and  then sometimes go to BLI at that point to look at proper folding and binding if we have that assay. 

 Slide 31    So we have robotically enabled sample preparation. For some reason I'm 

not allowed to show you our robot, but it also looks pretty cool. We have multiple work  stations  where we  use  a  liquid  handler  to  harvest  and dilute  the  cells  and  then  sonicate.  The  cells  are  lysed  using  a  24‐pin sonicator  and  then  centrifuged  to  separate  our  soluble  and  insoluble fractions, and then we can also use the automation to prepare our CGE plates. 

 Slide 32    So I just want to say we run CGE every day for strain screening obviously. 

We  also perform design of experiments on  fermentation  samples  after we downselect strains; purification fractions which would be either based on  concentration or whatever  the high  levels of  salt  can need dilution; stability  study  samples  and  so  on.  And  then  last  year  we  ran  about 100,000 samples on our GX II instrument. 

 Slide 33    So  I'll  talk  a  little  bit  about  fermentation. Once we  do  our  two‐tiered 

screen and select about five strains, five of our best strains, it looked they have high expression, soluble expression. We'll take those  into our mini bioreactors which are 5 milliliter disposable cassettes that we can look at different  fermentation  conditions.  And  then  once  we  find  the  best conditions there, we can go to 1 liter or up to 20 liter fermentation scale based  on  how  much  material  we  need  for  purification  or  to  further optimize the fermentations. 

Page 12: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

12

 Slide 34    And  so we  also,  as  I mentioned,  use  CGE  for  downstream  processing. 

We'll  often  look  at  the  capturability,  if  you will,  of  the  proteins  using PhyTips, which are our  little resin plugs  in pipette  tips  to bind and  loop the proteins from the small‐scale expression. Or we can use filter plates if we want a little bit more resin to work with. 

   So  as  usual, with  the  plates  you  can  bind  your  protein  sample, wash, 

elute,  and  then  pick  your  parameters  to  go  to  bench‐scale chromatography,  and  also  we  have  pilot‐scale  chromatography  for production of several grams of material. 

 Slide 35    Here's an example of our resin screening using 96‐well format filter plate, 

the  Sciclone  liquid handler  and  a  centrifuge.  So with  the CGE,  growing samples isn't a problem, so we can easily run 96‐well plates, run the load, run  the  flow‐through,  the wash,  the elution  fractions. This  is an affinity resin and you can see different levels of expression and the amount was able to be purified with the affinity resin. 

 Slide 36    So  some  examples  of  proteins  we've  produced.  We've  produced 

messenger proteins such as interferon, antibody derivatives such as Fab, antibody  fragments, enzymes, and recently Protein G  is  the product we have. 

 [0:30:05]    Vaccine  manufacturing  for  components  such  as  TcdB,  cholera  toxin, 

tetanus  toxin  and  CRM197  carrier  protein, which we  have GMP  grade material, and then also rPA, the anthrax antigen. 

 Slide 37    Here's an example of the C. diff (TcdB) expression. It's a very large protein 

so we  had  to  use  the  high molecular weight  assay  on  the  GX,  but  it worked well.  And  the  nice  thing  is  it's  away  from  the main  expressed protein below. 

 Slide 38 

Page 13: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

13

   So  then we  picked  our  best  strains.  Okay,  here's  another  example  of 

tetanus  toxin  C  from  Clostridium  and  you  can  see  different  levels  of expression,  and  we  decided  to  purify  that  for  our  reagent  proteins business. 

 Slide 39    So here is an example of chromatography of the tetanus toxin. First of all, 

you've got anion exchange; and again, with  the CGE you can  run every fraction and it's not a problem. 

 Slide 40    The red box indicates the fractions we've proceeded to run on the second 

column, which was  a mixed mode  column,  and we're  able  to  get  over 95% purity with the two‐column process here. 

 Slide 41    And then, of course, we do other analytical such as binding activity and 

LC‐MS  to  confirm  that we've  actually  produced  the  protein  that we're trying to, and it's of high quality. 

 Slide 42    CRM197  is  another  protein we  produce.  It's  a  nontoxic mutant  of  the 

diphtheria toxin. It's a carrier protein of a number of approved vaccines, so it has a lot of possibilities. 

   We  also  transferred  this  to  a GMP manufacturing  partner  site  and  it's 

currently for sale.  Slide 43    Okay. So we're able to scale up the CRM197 production, and I  just want 

to point out  that  it's an animal‐free based process, and  it's currently  in phase one trials. 

 Slide 44    The other  thing we use CGE  for  is  the protein stability studies. You can 

easily run many samples incubated at different temperatures.  

Page 14: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

14

  We  have  an  example  of  here  of  a  wild  type  and  a  mutant  protein incubated for one year in the refrigerator and also at 25 degrees, and you can  see quite  a bit of degradation  going on  for  the wild  type with  the mutant folding up pretty well. 

   On  the  top  right  is  the electropherogram  from  the CGE. You  could  see 

quite a bit of detail there of what's going on, even more so perhaps than reverse‐phase HPLC on the bottom right. 

 Slide 45    So one more thing quickly that we use the GX  II  instrument for  is strain 

genotyping once we've selected production strains. We use the PCR and the CGE analysis to  look at the fragment sizes and verify that we  indeed have the strain that we started out with in the 96‐well plate. 

 Slide 46    So  in  summary,  we  can  produce  many  different  types  of  proteins  in 

Pfenex  Expression  Technology with  high  levels  of  expression  and  high quality. We use 96‐well format for expression screening and that allows us to screen a lot of strains and keep track of everything. 

   We also use CGE daily for pretty much everything again.  [0:34:57]    We  purify  a  variety  of  vaccine  antigens  and we  intend  to  develop  our 

biosimilar programs and vaccine programs continually.  Slide 47    I  want  to  thank  a  few  people.  Jeff  Allen  is  our  Director  of  Protein 

Sciences. Diane  is  our Head  of Molecular  Biology. Greg  is  our Head  of Analytical. And Nicole does a lot of our automation. 

   So thank you.  Sean Sanders:  Great. Thank you so much, Mr. Payne, and many  thanks  to both of our 

speakers  for  the  great presentations. We're  going  to move  right  on  to questions submitted by our online viewers. 

 

Page 15: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

15

  Just  a  reminder  to  those  watching  us  live  that  you  can  still  submit questions. Just type them into the textbox and click the submit button. If you don't see the box, click the red Q&A icon and it should appear. 

   So I'm going to go I guess right back to the beginning of the process with 

our  first  step. A  viewer  asks,  "When  you're  growing up  your  cultures," and  I  believe  this  is  particularly  for mammalian  cultures,  "How many parameters do you need  in place to optimize your clones and are there any  standard  conditions  that  can be used which will work most of  the time or do you need to optimize for each new protein?" We'll start with you, Dr. Hillerich, if you could address that. 

 Dr. Brandan Hillerich: So  in our case, most of  the proteins  that we're working with are of  the 

same  sort  of  class  and  so when we  start  out, we  start  out with  just  a standard  normal  off‐the‐shelf  media  and  just  standard  expression conditions.  If  that doesn't work, we  generally  start  changing either  the construct  or we  start  changing  the  ‐‐  look  at  how we  can  put  it  in  a different vector. At the very end is when we would try to work on media conditions and expression conditions. 

   But  in our case, which is different than Jason, we have a  large target  list 

and we are allowed to lose some of those targets. But in Jason's case, if a client comes and wants one protein, he has to throw everything he can at it. So ours is a little different. 

 Sean Sanders:  Mr. Payne, could you talk to that as well?  Jason Payne:  Yeah. We  try  to  start  from  the  beginning  and,  as  Brandan  said,  throw 

everything at it. Our media, even at the 96‐well scale, mimics as closely as possible our  fermentation media. So we  try  to start off giving ourselves the best chance. 

   We  don't  really  change  much.  We  sometimes  induce  at  different 

temperatures, sometimes different amounts of IPTG, but there are not a lot of parameters we change in the screening. 

 Sean Sanders:  Excellent.  The  next  question  is  regarding  the  lysis  step.  Can  you  talk  a 

little bit about some of the hurdles that you encountered at this point in the process? There was one specific question asking  if either of you use histone deacetylases  in  your  lysis buffers. Mr. Payne, maybe  you  could start us off. 

 Jason Payne:  No,  we  basically  dilute  usually  in  the  PBS  and  sonicate  with  our 

automated 24‐pin sonicator, and that breaks them right open. 

Page 16: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

16

 Sean Sanders:  Great. Dr. Hillerich?  Dr. Brandan Hillerich: So with our E. coli system, we do similar to what Jason does where you 

just  ‐‐  we  have  an  automated  sonicator.  We  add  some  protease inhibitors. We use a standard buffer.  It keeps pH at 7.5 with half molar salt and a little bit of glycerol and that just works. 

   For our  insect or mammalian  systems, both of  these  targets  that we're 

expressing are secreted. So we actually just spin the cells out and then we purify the protein from the media which has  its own challenges. But for the  ones  that  we  do,  the  mammalian  and  insect  proteins  that  are cytosolic, we've  found  that we  can  still use  similar buffers  through our E. coli pipeline and we  can do either  just  sort of a pressure or osmotic system to break the cells up and/or we use sonication. 

 [0:40:02]  Sean Sanders:  Excellent.  I'm  going  to  stay with  you Dr. Hillerich. We have  a question 

about the recovery rate of refolding proteins from  inclusion bodies. Can you talk about that? 

 Dr. Brandan Hillerich: Yes. As I said, one of our biggest problems was that when we decided we 

wanted  to  try  to  refold  all  these  proteins, we would  get  them  to  be expressed, but when we try to refold them they wouldn't refold.  In our hands,  even  with  domains  of  these  Ig  superfamily  proteins  we  were looking  at  success  rates of  sub  20%.  So  it's  a big  challenge,  and we've been  able  to  rescue  that  by  changing  buffers  and  changing  some conditions, but our real leap was trying to do this on a small scale. 

 Sean Sanders:  So Mr. Payne,  I  just go this question a  few minutes ago so  I thought  I'd 

shoot  it  out  to  you  quickly.  The  viewer  asked  that  he was  under  the impression  that one of  the  chief  advantages of  the Pfenex  system was that the proteins are secreted. So he was asking why you are sonicating the cells. 

 Jason Payne:  They're  actually  not  normally  secreted.  They're  secreted  through  the 

periplasm with our different secretion leaders and that allows for proper folding  and  disulfide  bonds  formation.  But  normally we  have  to  either lyse or do an osmotic shock step to release our targets. 

 Sean Sanders:  Excellent!  I'm going to stay with you Mr. Payne. A question asks, "Could 

you  talk  a  bit more  about  the  SDS‐CGE  system  that  you  use  to  screen colonies?" 

Page 17: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

17

 Jason Payne:  Sure. It's the PerkinElmer GX II. It uses a microfluidics chip that you prime 

with reagents that include a fluorescent dye. And then it's separated with electrophoresis on a very small scale, and each sample only takes about 40 seconds. So after the other steps involved, it only takes about an hour and a half to run the 96‐well plate. And you can run it reduced with DTT for example and non‐reduced. And as  I mentioned, you can also do the different reagent kits and ship for DNA analysis on the same instrument. 

 Sean Sanders:  Great. And just to clarify, we did get a question in about what CGE stands 

for. That's capillary gel electrophoresis, correct?  Jason Payne:  Right,  right.  And  the  gel‐like  images  that  both  Brandan  and  I  were 

showing, they're not actually gels. Those are images that are put together by the software. So each sample has an electropherogram and then that can be translated into what looks like a gel because that's what a lot of us like to look at. It's kind of a nice way to look at a lot of samples at once. But all those images that look like gels, they're not gels. 

 Sean Sanders:  Okay, excellent. I'm going to come to you, Dr. Hillerich, for a question on 

scaling.  A  viewer  asks,  "How well  do  small‐scale  optimized  conditions translate  to  production‐scale work,  and  is  there  a  difference  between bacteria and mammalian systems when you do this? 

 Dr. Brandan Hillerich: Yes. So as Jason said, what we try to do to make the scalability translate 

as best as it can is we match our small‐scale conditions to our large‐scale conditions, the same media, the same resin, the same way of  lysing the cells,  the  same buffers. What we've  found  is when we do  that  for our E. coli system and even the refolded proteins we're looking at about 80% scale‐up  success.  Now,  you  can  probably  rescue  some  of  those  by tweaking your large‐scale conditions. 

   And then for the insect and mammalian systems, we're looking at roughly 

about the same thing. It depends on the size of the protein. Often we find if  it's  a  really  large  protein  the  scale‐up  isn't  quite  as  good  as  if  it's  a smaller protein, but I guess that's not surprising. But even for our  insect and mammalian systems we're  looking at  I would say greater  than 70% scale‐up  rate  just  going  straight  through  without  much  extra optimization. 

 Sean Sanders:  Mr. Payne, anything to add?  Jason Payne:  No.  

Page 18: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

18

Sean Sanders:  Okay,  excellent.  The  next  question  is  about  glycosylation,  and maybe we'll start with you, Dr. Hillerich, and then Mr. Payne you can talk about the  Pfenex  system.  So what  about  proteins  that  require  glycosylation, how do you deal with this in your workflow? 

 [0:45:12]  Dr. Brandan Hillerich: So all of  the  Ig  superfamily  targets are potentially glycosylated because 

they're  secreted proteins. And  from our  standpoint  as  a  structural  lab, that's  sort  of  a  good  thing  and  a  bad  thing.  The  glycosylations, when they're made  in  insect cells or mammalian cells,  they  tend  to make  the protein more stable, which allows us to get the protein and get more of the  protein.  However,  when  we  move  to  crystallography,  often  the heterogeneous nature of  the glycosylations makes  it difficult  to get  the proteins to crystallize or to get higher resolution structures. We often use NaOH or something of that nature to cleave off the glycosylations. 

   And  then  for  the bacterial,  as  I  said,  there's no  glycosylation on  those, 

and those are only used in crystallographic studies.  Sean Sanders:  Mr. Payne?  Jason Payne:  Pfenex  is  for  gram‐negative  bacteria,  so  you're  not  going  to  have 

glycosylations in that case.  Sean Sanders:  Excellent. A question  for you, Mr. Payne. This  is about  the PhyTips  that 

you're using. How predictive do you find these in scale‐up purification?  Jason Payne:  The PhyTips?  Sean Sanders:  Yes.  Jason Payne:  It kind of depends on  the protein. We've  found  that  in  some cases  the 

filter plates work better. It's a little more work to create them. But we've had success with both, but it just kind of depends on the project and the expression level for which one we go with. 

 Sean Sanders:  Great. Dr. Hillerich, a question for you. Can you talk more about the how 

the lentiviral system expression system works and some of its advantages and drawbacks relative to the other systems that you're familiar with? 

 Dr. Brandan Hillerich: Yes. So we're using a  system called  the Daedalus  system, and  that was 

developed by Ashok that was at Seattle, but then we hired them to come over here and bring it to us. 

Page 19: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

19

   So in his system he has added some enhancement. He has a UCOE which 

allows  for  the  chromatin  to  stay  open.  He  has  also  changed  out  our promoter for another promoter to reduce silencing. 

   And also with the UCOE, it's a minimal UCOE which allows you to produce 

larger proteins.    One of  the drawbacks of  lentivirus  is, of course,  the packaging size, but 

what we've found is that it works very well for making high yield stables in  a  very  rapid  manner  because  it  takes  only  a  couple  of  weeks  to generate the virus and then the virus, once you get the cells infected, the virus goes and sticks 100, 200 copies of your gene in there and you have the chance of  instantly having a high yield  stable. And  if you add  some sorting into that, you can increase that even more.  

 Sean Sanders:  Excellent. Let me grab the next question. So  just coming back quickly to 

refolding, and I'll give  it to you, Dr. Hillerich, first, this viewer asks about the  best  conditions  and  perhaps  some  tricks  for  refolding  of  cytosolic proteins. 

 Dr. Brandan Hillerich: Yeah. There are a few published papers about sort of the best buffers to 

use. But one of the things that we have found that if you're going after a target that you really want,  it definitely pays to change pHs and change sort  of  your  denaturant  and  your  additives,  so  whether  you're  using arginine or DSB or something  like that,  if you can do a nice  little screen where you vary pH and additives and  reduction potentials,  then you're going to have a really good shot at getting the protein. 

 Sean Sanders:  Great! Mr. Payne?  Jason Payne:  Well, normally our goal is to produce protein  in the soluble fraction, but 

we have had a couple of projects where we've gone after the insoluble.  [0:50:05]    Trying a variety of detergents,  ionic detergents are sometimes helpful  in 

that they can be gentle enough that it may not even require a refold per se. You can solubilize the insoluble pellet that way. 

 Sean Sanders:  Great.  I'm  going  to  come  quickly  back  to  you,  Dr.  Hillerich,  about  the 

Daedalus system. There was a question that came in asking how large the changes  in expression  levels are with  the UCOE elements. What  sort of difference do you see? 

Page 20: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

20

 Dr. Brandan Hillerich: So we  actually  have  never  used  a  lentiviral  vector  that  doesn't  have  a 

UCOE element, but  I believe that  if you read  into some of the  literature that  supports  at  least  a  twofold  increase  if  not  closer  to  a  fivefold depending on your protein. 

 Sean Sanders:  Excellent. I'm going to stay with you for a second. This question is about 

the  cell::explorer  setup.  This  viewer  asks whether  this  kind  of  setup  is within  reach of most academic  labs and what would  it  take  in  terms of time to set up and cost. 

 Dr. Brandan Hillerich: Yeah.  So  unfortunately, my  answer  is  that  it's  probably  not within  the 

reach  of most  academic  labs. We  are  fortunate with  the  PSI  grants  to have  the  funding  to  do  it.  From  design  or  concept  to  installation  and getting  it  up  and  running,  it  probably  took  close  to  a  year,  which  is actually really fast if you ask me. But the price tag is large. It's a high six‐figure  to  seven‐figure  instrument, which  sort  of  does  put  it  out  of  the reach of a lot of people. 

 Sean Sanders:  Excellent. Mr. Payne,  the system  that you have set up, could you  talk a 

little bit about the setup time for that?  Jason Payne:  Yeah,  I  agree,  about  a  year  to  get  all  the  bugs  worked  out  and  the 

methods written and get it running. Yes, that's about right.  Sean Sanders:  Okay, excellent. Mr. Payne, a question that just came  in for you. Do you 

use LC‐NMR, and if not, why not?  Jason Payne:  We don't. We don't have one I guess is the short answer. But we do have 

LC‐MS  and  many  other  analytical  techniques,  light  scattering,  CD, fluorescence, things like that. 

 Sean Sanders:  Great. Another question  for you Mr. Payne about the biosimilar protein 

production,  and  they  ask  how  you  guarantee  the  highest  level  of similarity with  the  innovator protein and where do you get  the original and control. 

 Jason Payne:  Well,  I  mean  it's  obviously  very  important  to  have  the  similarity 

extremely high. There are various ways of getting the  innovator protein, and  I'm not  sure  ‐‐  I haven't done  it myself personally  so  I  can't  really comment on that. 

 

Page 21: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

21

Sean Sanders:  Okay. So the next question is for you Dr. Hillerich. How does the lentivirus expression  in  HEK  cells  compare  with  transient  transfection  in  these cells? 

 Dr. Brandan Hillerich: Yeah. So before I answer that question, I'd like to go back to the question 

before about  the cell::explorer, and  I would  like  to  tell people  that you don't  necessarily  have  to  have  a  million‐dollar  robot  to  do  high throughput. If you set your mind to it, you will be very surprised what you could do with a nice set of multichannel pipettes. 

   And on to the lentiviral question, so what we see is a definite increase, in 

some cases  fivefold or more,  from a normal  transient system. But what we actually have been able to do is show that if we could do a small‐scale transient  expression  and  check  that  by  either  Coomassie,  CGE  or Western. And  if we  see  it  there we're  relatively  sure  probably  80  plus percent of  the  time  that  if we go  to a  lentiviral system, we will also be able to produce that protein and increase the yield that we get. 

 [0:55:04]  Sean Sanders:  Great.  Thanks  for  that  addition  on  the  robot  system.  I  think  that's 

important information.    Quick question,  let me  go back  to Mr. Payne on  this one. What  about 

expression of membrane proteins? Are there specific factors that need to be considered and do you have experience in this area? 

 Jason Payne:  We  have  a  very  limited  experience  with  production  of  membrane 

proteins,  primarily  just  expression  of  the  nonmembrane  regions  of proteins.  I think with the bacterial system, you may only have  luck with the bacterial  type membrane proteins, but usually our vaccine antigens for example are subdomains of the larger proteins. 

 Sean Sanders:  Great. Dr. Hillerich?  Dr. Brandan Hillerich: Yes. So here, we don't do much work with membrane proteins, but my 

previous  experience,  I've  spent  three  years  in  a  high  throughput membrane  protein  production  lab,  and we've  found  that  some  of  the tricks  that  you  use  for  soluble  proteins  can  work  for  expression  of membrane  proteins.  You  can  change  temperatures,  change  strains, change constructs. Instead of doing our solubility screen like we do now, you can do  screening with different detergents and you often  find  that you're able to get soluble protein by just switching the detergent. So a lot 

Page 22: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

22

of these techniques I think that we talked about today can be taken over to look at membrane proteins. 

 Sean Sanders:  Fantastic. So we're almost at the end of our broadcast so I'm going to put 

just one more question to both of you and ask maybe a crystal ball type of question as to where you see this research moving  in the next five to ten years and also what you would  like or what technologies you would like  to  see  that might  drive  this  research  and  really  help  you with  the work that you're doing. 

   So Dr. Hillerich, we can start with you.  Dr. Brandan Hillerich: So for us, what I see coming in the next few years out of our work is that 

we're going to transfer some of our knowledge from just making protein to being able to screen things for functional studies, be it protein‐protein interactions  or  receptor‐ligand  discovery. We're  working  towards  that now, and  I  think  in  the next couple of years we're going  to make some really exciting developments in that. 

 Sean Sanders:  Excellent! Mr. Payne?  Jason Payne:  Yeah, I think looking forward to advances in the software to have it more 

automated so you have your data and then be able to generate a report from that and generate your list of top picks for example. And also we're developing a  LIMS  system  to be able  to  track everything and mine our data a little more efficiently. 

 Sean Sanders:  Fantastic. Well, unfortunately, we are out of  time  for  this broadcast.  It 

just remains for me to thank our speakers for providing such great talks and very interesting discussion, Dr. Brandan Hillerich from Albert Einstein College of Medicine and Mr. Jason Payne from Pfenex. 

   Many  thanks  to  our  online  audience  for  the  great  questions  you 

submitted. I'm sorry we didn't have time to get to all of them. Please go to the URL that  I'll be putting up  in your slide viewer right now to  learn more about resources related to today's discussion and look out for more webinars from Science available at webinar.sciencemag.org. 

   This  webinar  will  be  made  available  to  view  again  as  an  on‐demand 

presentation within about 48 hours  from now. We'd  love  to hear what you've thought of the webinar. Just send us an email at the address up in your slide viewer, [email protected]

 

Page 23: Advances in Protein Expression: High Throughput Tools for ......High Throughput Tools for Improving Analysis ... helpful. Note that you can resize or hide any of the windows in your

23

  Again,  thank  you  to  our  panel  and  to  PerkinElmer  for  their  kind sponsorship of today's educational seminar. Goodbye. 

 [1:00:27]  End of Audio