Strategies to improve Chlamydomonas reinhardtii as a recombinant protein host: from a small growth factor to a complex monoclonal antibody production

Abstract

Chlamydomonas reinhardtii has emerged as a promising alternative host for recombinant protein expression. Despite its advantageous characteristics and low-cost production, its use is hampered by low expression levels of nuclear transgenes. In this thesis we test several strategies designed to reduce or overcome this limitation. As a result, on the base of a secreted fusion protein comprising a small growth factor and a reporter, the use of regulatory and stabilizing regions resulted in expression levels ranging from 1 to 100 µg /L of culture. We report the expression of a fully-assembled monoclonal antibody in Chlamydomonas nucleus, therefore, validating Chlamydomonas as a host for complex protein production. The cassettes and high throughput screenings developed emerge as innovative tools expanding the molecular toolbox available for Chlamydomonas nucleus. In addition, a scalable purification method to recover the target protein from culture medium has been developed and validated indicating a simple downstream processing for secreted recombinant protein production. Finally, we report that Chlamydomonas secreted components induce proliferation of murine fibroblasts and have a synergistic effect with supplied hEGF, unveiling the potential of extracellular components of Chlamydomonas for a variety of applications.

Las proteínas recombinantes ofrecen un gran potencial para diversas aplicaciones impactando procesos industriales, investigación, el mercado cosmético y el mercado terapéutico. Chlamydomonas reinhardtii es un huésped prometedor para expresión de proteínas recombinantes. A pesar de ofrecer características ventajosas y bajos costes de producción, su uso se ve limitado por bajos niveles de expresión de transgenes nucleares. En la presente tesis se testan diversas estrategias con el objetivo de superar esta limitación. Como resultado, en base a la secreción de una proteína de fusión formada por un factor de crecimiento y un reportero, el uso de regiones reguladoras y estabilizadoras ha resultado en niveles de expresión entre 1 y 100 µg /L de cultivo. Además, en la presente tesis se recoge la expresión nuclear de un anticuerpo monoclonal en Chlamydomonas, así como su secreción y acumulación en el medio. Este anticuerpo está correctamente plegado y reconoce su antígeno. Esto representa un punto clave para Chlamydomonas ya que significa su validación como huésped para la expresión de proteínas complejas. Los vectores y cribados desarrollados emergen como recursos innovadores que expanden la batería de herramientas disponible para la modificación genética del núcleo de Chlamydomonas. Además, se ha desarrollado y validado un método de purificación de proteína recombinante des de medio. La simplicidad de este método de purificación indica la potencia de Chlamydomonas como huésped industrial para la expresión de proteínas recombinantes. Finalmente, en la presente tesis se reporta la proliferación de fibroblastos murinos inducida por componentes secretados por Chlamydomonas y su efecto sinérgico cuando se aplican con el factor de crecimiento humano, revelando así el potencial de los componentes extracelulares de Chlamydomonas.