Expression and refolding of the protective antigen of Bacillus anthracis: A model for high-throughput screening of antigenic recombinant protein refolding

Bacillus anthracis protective antigen (PA) is a well known and relevant immunogenic protein that is the basis for both anthrax vaccines and diagnostic methods. Properly folded antigenic PA is necessary for these applications. In this study a high level of PA was obtained in recombinant Escherichia coli. The protein was initially accumulated in inclusion bodies, which facilitated its efficient purification by simple washing steps; however, it could not be recognized by specific antibodies. Refolding conditions were subsequently analyzed in a high-throughput manner that enabled nearly a hundred different conditions to be tested simultaneously. The recovery of the ability of PA to be recognized by antibodies was screened by dot blot using a coefficient that provided a measure of properly refolded protein levels with a high degree of discrimination. The best refolding conditions resulted in a tenfold increase in the intensity of the dot blot compared to the control. The only refolding additive that consistently yielded good results was L-arginine. The statistical analysis identified both cooperative and negative interactions between the different refolding additives. The high-throughput approach described in this study that enabled overproduction, purification and refolding of PA in a simple and straightforward manner, can be potentially useful for the rapid screening of adequate refolding conditions for other overexpressed antigenic proteins.

ResumenEl antígeno protector de Bacillus anthracis (protective antigen, PA) es una importante proteína inmunogénica, en la que se basan tanto las vacunas contra el ántrax/carbunclo como varios métodos diagnósticos. Para estas aplicaciones es esencial que el PA mantenga sus propiedades antigénicas, para lo cual debe estar correctamente plegado. En este estudio se obtuvieron altos niveles del PA en Escherichia coli recombinante. Inicialmente, la proteína se acumuló desnaturalizada en cuerpos de inclusión, lo que facilitó su eficiente purificación en simples pasos de lavado, pero no fue reconocida por anticuerpos específicos. Se analizaron las condiciones de replegado con un sistema de alto rendimiento, evaluando simultáneamente casi un centenar de condiciones diferentes. La recuperación de la capacidad del PA de ser reconocido por los anticuerpos se evaluó por dot blot utilizando un coeficiente que proporcionó una medida de los niveles de proteína correctamente plegada, con un alto grado de discriminación. Las mejores condiciones de renaturalización permitieron un aumento de diez veces en la intensidad de los dot blots con respecto del control. El único aditivo que produjo buenos resultados de forma constante fue la l-arginina. El análisis estadístico de las interacciones entre los diferentes aditivos de replegado permitió identificar tanto interacciones cooperativas como negativas. El enfoque de alto rendimiento descripto en este trabajo, que permitió la sobreproducción, purificación y plegado del PA de una manera sencilla y directa, puede ser potencialmente útil para el rápido screening de las condiciones adecuadas de replegado cuando se sobreexpresan otras proteínas antigénicas.