Development of High Throughput Screening Systems of...

96
Development of High Throughput Screening Systems of Mutant Libraries for Sugar Modifying Enzymes (Glucose Oxidase and Cellulases) Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diploma de Licenta Raluca Ostafe aus Timisoara, Romania Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Rainer Fischer Universitätsprofessor Dr. Dirk Prüfer Tag der mündlichen Prüfung: 21.05.2013 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

Transcript of Development of High Throughput Screening Systems of...

Page 1: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

Development of High Throughput Screening Systems

of Mutant Libraries for Sugar Modifying Enzymes

(Glucose Oxidase and Cellulases)

Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH

Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der

Naturwissenschaften genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Diploma de Licenta

Raluca Ostafe

aus Timisoara, Romania

Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Rainer Fischer

Universitätsprofessor Dr. Dirk Prüfer

Tag der mündlichen Prüfung:

21.05.2013

Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

Page 2: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

TableofContentsI  Introduction .......................................................................................................................................... 6 

I.1  The Importance of Enzymes in Industry .......................................................................................... 6 

I.2  Glucose Oxidase ............................................................................................................................... 7 

I.3  Cellulases ......................................................................................................................................... 9 

I.4  Directed Evolution ......................................................................................................................... 10 

I.5  Diversity Generation ...................................................................................................................... 11 

I.6  High Throughput Screening (HTS) .................................................................................................. 13 

I.7  Fluorescence Assays ...................................................................................................................... 15 

I.7.1  Fluorescence assays for GOx ................................................................................................... 16 

I.7.2  Fluorescence assays for cellulases .......................................................................................... 17 

I.8  Enzyme‐induced Polymerization ................................................................................................... 19 

I.9  Project Objectives .......................................................................................................................... 21 

I.10  Project Overview ......................................................................................................................... 21 

II  Materials and Methods ....................................................................................................................... 24 

II.1  General Recipes for Media ............................................................................................................ 24 

II.1.1  LB media (Bertani 1951) ...................................................................................................... 24 

II.1.2  YNB CAA Glu/Gal, Raf (Karst et al. 1999) ............................................................................ 24 

II.1.3  YPD (Kaiser et al. 1994) ....................................................................................................... 24 

II.1.4  BMGY/BMMY (Invitrogen 2010) ......................................................................................... 24 

II.2  Directed Evolution of Glucose Oxidase .......................................................................................... 25 

II.2.1  ABTS MTP assay .................................................................................................................. 25 

II.2.2  Synthesis of fluorescein tyramide ....................................................................................... 25 

II.2.3  Creation of mutant libraries ................................................................................................ 25 

II.2.4  Transformation of S. cerevisiae EBY 100 cells..................................................................... 26 

II.2.5  Fluorescence staining of yeast cells without compartmentalization ................................. 26 

II.2.6  Enzymatic assay for FACS .................................................................................................... 26 

II.2.6.1  Agar plate ABTS assay .................................................................................. 27 

II.2.6.2  MTP analysis after FACS sorting ................................................................... 28 

II.2.7  DNA isolation from yeast .................................................................................................... 28 

II.2.8  Cloning in the pICZalpha A vector ....................................................................................... 29 

Page 3: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 4 

II.2.9  Transformation of Pichia pastoris ....................................................................................... 29 

II.2.10  Selection of the highest producer ....................................................................................... 30 

II.2.11  Fermentation in Pichia pastoris .......................................................................................... 30 

II.2.12  Protein purification ............................................................................................................. 30 

II.2.13  Determination of kinetic properties of the mutants .......................................................... 31 

II.3  Screening System for GOx Activity based on Alginate Beads ........................................................ 31 

II.3.1  Synthesis of tyramine alginate ............................................................................................ 31 

II.3.2  Modification of lyticase ....................................................................................................... 31 

II.3.3  Polymerization of beads ..................................................................................................... 32 

II.4  In Vitro Translation (IVT) of GOx .................................................................................................... 32 

II.5  Cellulase Screening System ............................................................................................................ 33 

II.5.1  APCC synthesis .................................................................................................................... 33 

II.5.2  APCC assay in MTPs ............................................................................................................ 34 

II.5.3  FACS assay and sorting ........................................................................................................ 34 

II.5.4  Agar plate assay for cellulases ............................................................................................ 35 

III  Results and discussion ........................................................................................................................ 36 

III.1  Directed Evolution of Glucose Oxidase ....................................................................................... 36 

III.1.1  Cloning in vector pCTCON2 .................................................................................................. 36 

III.1.2  Creation of mutant libraries ................................................................................................ 40 

III.1.3  Enzymatic assay for FACS .................................................................................................... 43 

III.1.4  FACS Sorting ........................................................................................................................ 47 

III.1.4.1  Survival of yeast cells .................................................................................. 47 

III.1.4.2  Reference libraries ...................................................................................... 48 

III.1.4.3  Sorting the consensus libraries ................................................................... 53 

III.1.5  MTP assays .......................................................................................................................... 54 

III.1.6  Cloning in P. pastoris ........................................................................................................... 57 

III.1.7  Purification .......................................................................................................................... 58 

III.1.8  Kinetic characterization ...................................................................................................... 60 

III.1.9  Thermal stability measurements ........................................................................................ 62 

III.2  In Vitro Translation (IVT) of Glucose Oxidase ............................................................................. 63 

III.3  Alginate Bead Selection System for GOx .................................................................................... 66 

Page 4: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 5 

III.4  Directed Evolution of Cellulases ................................................................................................. 69 

III.4.1  Enzyme assay ...................................................................................................................... 69 

III.4.2  FACS assay ........................................................................................................................... 71 

IV  Final Discussion ................................................................................................................................... 74 

IV.1  Glucose Oxidase Screening Systems ........................................................................................... 74 

IV.1.1  In vitro translation ............................................................................................................... 76 

IV.1.2  Alginate bead selection system for GOx ............................................................................. 77 

IV.1.3  Cellulase assay .................................................................................................................... 78 

V  Conclusions ......................................................................................................................................... 79 

VI  List of Abbreviations ........................................................................................................................... 81 

VII  Literature ....................................................................................................................................... 84 

 

   

Page 5: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 6 

I Introduction

I.1 The Importance of Enzymes in Industry 

For  centuries,  humankind  has  used  enzymes  for  a  variety  of  purposes  such  as  brewing, 

baking  and  the production of  alcohol. As  an example,  the  first production of  cheese  can be 

traced  back  to  3000  BC  in  Egypt  (Simoons  1971).  However, modern  enzyme  technology  is 

considered to have started in 1874 when a Danish scientist made the first enzyme preparation 

for  an  industrial  process  by  extracting  dried  calf  stomach with  a  saline.  The main  focus  of 

enzyme  scientists  in  the  nineteenth  century was  fermentation.  Liebig  and  Pasteur  raised  an 

interesting  debate,  Liebig  arguing  that  fermentation  products  are  obtained  by  a  chemical 

process  and  that  the  yeast  in  the  fermentation media  are unnecessary,  and Pasteur  arguing 

that the process could not occur unless viable organisms were present. The dispute was settled 

by the Buchner brothers who demonstrated that yeast extract can convert glucose to ethanol 

just like living yeast cells proving that the conversion is due to the enzymes present in the cells. 

The term “enzyme” was actually coined in 1876 by Kuhne derived from the Greek “en” meaning 

“in” and “zyme” meaning “yeast”. Numerous discoveries were made over the following decades 

but the real turning point for the use of enzymes in industry was made in the early 1960s when 

glucoamylase was shown to break down starch completely into glucose, and within a few years 

the  entire  glucose  production  industry  switched  from  acid  hydrolysis  to  enzyme  hydrolysis 

(Shanmugam 2009). In the last 20–30 years, enzymes have found their way into a large number 

of  industrial processes  including  the production of pharmaceuticals,  food, detergents, animal 

feed,  ethanol  and  even  diagnostics.  Today  it  is  estimated  that  the  global  industrial  enzyme 

market is worth approximately 3.3 billion USD per year (BIO030F 2011).  

World  enzyme  demand  grew  at  close  to  a  double‐digit pace  from  2003  to  2008,  helped 

significantly by the rapid increase in world energy prices which made enzyme‐related processes 

and  products  more  cost  effective  (Anon.  2009).  According  to  the  “European  Markets  for 

Enzymes  in  Industrial Applications” report (M145‐39 2007) the major objectives  in biocatalyst 

development are: 

1. The production of biocatalysts which are better, faster, less expensive and more versatile  

Page 6: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 7 

2.  The  development  of  biocatalysts  that  can  catalyze  a  greater  range  of  reactions,  have 

higher temperature stability and improved solvent compatibility. 

I.2 Glucose Oxidase 

Glucose oxidase  (GOx)  (‐D‐glucose: oxygen‐1‐oxidoreductase; EC 1.1.3.4)  is  found mainly 

on  the surface of  fungi  (where  it helps protect against bacterial  infections) and also  in honey 

where it acts as a natural preservative (White, Subers, and Schepartz 1963). Interestingly, most 

of  the  known natural GOx enzymes  come  from  fungi  (Kriechbaum et al. 1989; Murray et al. 

1997; Witt et al. 2000). However, recent discoveries have shown that GOx is also present in the 

saliva  of  some  insect  larva where  it  inhibits,  by  an  unknown mechanism,  the  production  of 

natural insecticidal substances by plants (Musser et al. 2005).  

More  than 90% of GOx publications  focus on enzymes produced by Aspergillus niger and 

Penicillium amagasakiense. The A. niger GOx is a homodimeric enzyme with a molecular weight 

of  110–325  kDa,  depending  on  the  degree  of  glycosylation  (Kriechbaum  et  al.  1989).  Each 

monomer  folds  into  two  distinct  domains,  one  binding  non‐covalently  but  tightly  the  flavin 

adenine dinucleotide (FAD) cofactor and the other binding the β‐D‐glucose substrate (Swoboda 

1969). The dimer contains two disulfide bonds and two free sulfhydryl groups (Tsuge, Natsuaki, 

and Ohashi  1975).  The  glycosylated  enzyme  can  have  a  carbohydrate  content  of up  to  16% 

(w/w) consisting mainly of N‐linked and O‐linked mannose (80% (w/w) attached to asparagine, 

threonine and  serine  residues via glycosidic bonds  (Takegawa et al. 1989). GOx catalyzes  the 

oxidation  of  β‐D‐glucose  to  D‐glucono‐1,5‐lactone.  Molecular  oxygen  acts  as  the  electron 

acceptor and is reduced to hydrogen peroxide as shown in Figure 1 (Pazur and Kleppe 1964).  

The Michaelis–Menten constant (kM) of the A. niger GOx for β‐D‐glucose varies from 11 to 

40 mM (30°C, pH 5.0). This enzyme has a high specificity for β‐D‐glucose (kM = 20 mM, kcat = 400 

s‐1), but 2‐deoxy‐D‐glucose can also be accepted as substrate (kM = 29 mM, kcat = 200 s‐1). GOx 

has a pH optimum  in the 5.5–6.0  interval  (Hatzinikolaou et al. 1996) and shows 20% reduced 

activity at physiological pH (Bright and Appleby 1969). The optimal temperature of this enzyme 

is  20°C,  but  the  enzyme  is  stable  at  temperatures  below  50°C  (Kalisz  et  al.  1991).  GOx  is 

Page 7: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 8 

inhibited by hydrogen peroxide  (one of  the  reaction products), halide  ions and heavy metals 

(Rogers and Brandt 1971). 

 

 

The  enzyme  species  most  widely  used  for  industrial  applications  comes  from  A.  niger 

probably because of the known gene sequence and 3D protein structure but also because of its 

commercial availability  (Leskovac et al. 2005). The natural host  is not  ideal  for  the  industrial 

manufacture of GOx because of the production of numerous other contaminants  (Witteveen, 

Veenhuis,  and  Visser  1992).  To  overcome  this  problem  Saccharomyces  cerevisiae  has  been 

selected  as  a  heterologous  host  for  production  of  recombinant GOx,  because  it  has  a well‐

defined  secretory  system  (Frederick  et  al.  1990).  The  secretion  of  foreign  proteins  can  be 

achieved  by  fusing  the  leader  peptide  of  the  yeast  α‐factor  pre‐pro‐sequence  to  the 

heterologous gene (Brake et al. 1984). The enzyme produced by S. cerevisiae shows extensive 

N‐linked hyperglycosylation  in comparison to the A. niger GOx (De Baetselier et al. 1991). The 

expression  of GOx  in  Escherichia  coli  generates  a  non‐glycosylated  enzyme,  but  this  usually 

accumulates within inclusion bodies (Witt, Singh, and Kalisz 1998). 

 

 

 

 

Figure 1 ‐ Glucose oxidase reaction. The product of the reductive half‐reaction, 

D‐gluconolactone, hydrolyses spontaneously to gluconic acid. In the oxidative half‐

reaction, reduced flavin is reoxidized to FAD by molecular oxygen (Witt et al. 2000).  

Page 8: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 9 

I.3 Cellulases 

Lignocelluose  is  one  of  the  most  abundant  renewable  energy  sources  on  Earth. 

Approximately 100 billion tons of carbon per year is thought to be fixed by photosynthesis and 

half  is  in  the  form  of  cellulose  (Ryu  and Mandels  1980).  Interest  in  the  decomposition  of 

cellulose  to  yield  soluble  sugars  can  be  traced  back  to  the  1950s,  and many  advances  in 

cellulose research have been reported since then with applications in the food, brewing, wine, 

animal  feed,  pulp/paper,  agriculture  and  renewable  energy  industries  (Bhat  2000).  The 

importance  of  such  enzymes  is  highlighted  by  the  fact  that  cellulases,  hemicellulases  and 

pectinases account for 20% of the global enzyme market (Mantyla, Paloheimo, and Suominen 

1998).  

Cellulose is a linear biopolymer composed of glucose units linked by β(1‐4) glycosidic bonds. 

Cellulase  activity  is  a  complex process because  the natural degradation of  cellulose biomass 

requires  a mixture  of hydrolytic  enzymes  comprising  endo‐acting  (endoglucanases)  and  exo‐

acting  cellulases  (cellobiohydrolases)  (Dashtban,  Schraft,  and  Qin  2009).  Both  enzymes  are 

inhibited by  their products, so  the efficient hydrolysis of cellulose  requires  the presence of a 

β‐glucosidase that cleaves the final glycosidic bonds of cellobiose and produces glucose (Maki, 

Leung,  and Qin  2009).  In  addition, non‐hydrolytic helper proteins  known  as  swollenins  form 

part of the hydrolytic complex, and act to make the cellulose substrate more accessible to the 

endo and exo‐acting enzymes (Saloheimo et al. 2002). 

The  decomposition  of  cellulose  into  soluble  sugars  can  be  achieved  chemically  or 

biologically.  In  the  chemical  process,  the  raw material must  be  treated  with  strong  acids, 

resulting  in product  losses  and equipment damage.  Enzyme‐based  approaches  are  therefore 

advantageous in principle, but the cost/efficiency ratio of enzymes is not yet competitive (Van 

de Vyver et al. 2011).  

Many  fungi  and  bacteria  possess  cellulosic  activity  but  Trichoderma  species  seem  to 

produce the most effective cellulase complexes which also happen to be resistant to chemical 

inhibitors.  These  cellulases  also  have  disadvantages  such  as  the  inability  to  digest  lignin, 

inactivation  under  typical  bioreactor  conditions  (50°C  for  48  h),  low  specific  activity  and 

Page 9: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 10 

feedback  inhibition  by  sugars  (Ryu  and Mandels  1980).  All  these  properties  are  therefore 

important targets for enzyme improvement. 

I.4 Directed Evolution 

Directed evolution is a protein engineering method used to generate proteins with novel or 

improved functions compared to their natural counterparts. Directed protein evolution differs 

from  natural Darwinian  evolution  because  it  requires  external  intelligence  rather  than  pure 

chance,  it does not  create new  species  (macroevolution) but  improvements within a  species 

(microevolution),  and  it  does  not  take millions  of  years  but  happens  rapidly  (Stemmer  and 

Holland  2003).  The  first  laboratory  experiments  in  this  field were  performed  by  Spiegelman 

who  introduced  the  concept  of  “evolution  in  a  test  tube”  (Mills,  Peterson,  and  Spiegelman 

1967). Since then the protein engineering field has blossomed, with success stories spanning a 

wide  range  of  applications,  including  biotransformation  for  chemical  synthesis  (Jaeger  and 

Eggert 2004), bioremediation (Furukawa 2003), biosensors (Doi and Yanagawa 1999), vaccines 

(Locher et al. 2004), therapeutic proteins (Kurtzman et al. 2001) and protein structure function 

relationships (Lee et al. 2000).  

A  typical  directed  evolution  experiment  includes  four major  steps  (Matsuura  and  Yomo 

2006): 1) diversity generation, 2) cloning and expression of variants, 3) screening for improved 

variants, and 4) isolating the gene encoding the improved protein variant (Figure 2). 

 

 

Figure  2  ‐  General  overview  of  a  directed  evolution  experiment 

(modified after Matsuura and Yomo 2006).

Page 10: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 11 

The fundamental challenges in directed evolution experiments are how to create unbiased 

diversity and how to scan through a statistically meaningful fraction of the resulting sequence 

space (Tuck Seng Wong, Zhurina, and Schwaneberg 2006).  

I.5 Diversity Generation 

Many  mutagenesis  methods  have  been  developed  over  the  last  30  years  although 

comprehensive comparative studies have not been carried out. PCR‐based methods, especially 

epPCR  (error prone PCR) are used  the most  frequently. Taq DNA polymerase  (from Thermus 

aquaticus) lacks a 3’→5’ proofreading exonuclease activity, and is used in epPCR because it has 

an  intrinsic high error rate of 8.0 x 10‐6 mutations/bp/duplication  (Cirino, Mayer, and Umeno 

2003).  This  achieves  approximately  one  substitution  per  125,000 bp per  PCR  cycle, which  is 

insufficient  to  randomize genes  that  seldom exceed 2000 bp  in  length. The error  rate of  the 

polymerase  can  be  increased  by  using MnCl2,  unbalanced  nucleotide  concentrations,  longer 

extension  times,  and  increased  concentrations of MgCl2  (Cadwell  and  Joyce  1992). Different 

polymerases with higher error rates can also be used, like the mutazyme polymerase (Hogrefe 

et al. 2002) or an engineered Pfu polymerase (Pfu‐Pol (exo‐) D473G) (Biles and Connolly 2004). 

In theory, the concentration of nucleotides or MnCl2 could be controlled to adjust the error rate 

to achieve an average of one, two or more amino acid substitutions per protein sequence. 

The advantages of epPCR methods are  their  robustness and simplicity. But  there are also 

disadvantages  like  the  high  number  of  transitions  which  give  hot  and  cold  spots  for 

mutagenesis in a protein sequence, the lack of consecutive nucleotide exchange which makes it 

impossible to obtain some amino acids substitutions, and the large number of stop codons and 

disruptive amino acids like Gly and Pro (Tuck Seng Wong, Roccatano, and Schwaneberg 2007). 

Due  to  the  redundancies  in  the  genetic  code  and  to  the  biased mutational  spectra  of DNA 

polymerase, epPCR methods  are  limited  in  their  ability  to  create diversity on  the  gene  level 

(Patrick, Firth, and Blackburn 2003). 

The  inherent bias of epPCR methods can be  reduced but  the high resulting diversity begs 

the question as to whether it is desirable to create extremely large random libraries rather than 

more focused high‐quality ones. This means that the libraries should contain a  low proportion 

Page 11: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 12 

of the template gene and few stop codons, they can be focused on certain types of amino acid 

exchanges such as charged or hydrophobic residues, or they can be focused onto localized parts 

of the protein sequence.  

Another popular method for diversity generation  is DNA shuffling (Muller and Arndt 2007; 

Jackel, Kast, and Hilvert 2008). The principle is based on recombining different gene sequences 

using multiple PCR  cycles  (Muller  and Arndt  2007;  Jackel, Kast,  and Hilvert  2008).  The most 

common form of this method starts from one or multiple genes that are digested by DNase to 

form double stranded DNA  fragments of 10–50 bp. Multiple  rounds of strand separation,  re‐

annealing and amplification  then  reassemble  the  full‐length gene. More  than 60%  identity  is 

usually  needed  between  the  sequences  that  are  recombined  (Powell  et  al.  2001). Multiple 

variations of this method exist with improved parameters (Reiter et al. 2007; Coco et al. 2001; 

Fujii, Kitaoka, and Hayashi 2006; Herman and Tawfik 2007). However, all these methods involve 

a certain degree of self‐hybridization among the starting genes, which lowers the quality of the 

mutant library due to the high proportion of starting sequences (Reetz 2008). 

Rational and  semi‐rational  library design  can also be used  for directed evolution but  this 

requires  some  structural knowledge  in order  to make appropriate decisions about  the  target 

residues. Once a target has been decided, the normal approach is to saturate that position with 

all 19 possible amino acid substitutions (Hogrefe et al. 2002).  

Another semi‐rational approach is based on consensus engineering, which is generally used 

to increase protein stability. This is based on the hypothesis that the consensus residue at any 

position in a group of aligned homologs is beneficial in terms of protein stability because it has 

been  conserved  during  the  natural  evolution  of  the  protein  (Lehmann & Wyss,  2001).  This 

remains an imprecise technique because all the residues present in a consensus sequence may 

not  necessarily  increase  protein  stability  or  activity.  For  example,  in  a  study  of  the  GroEL 

chaperones,  34  amino  acid  substitutions which  occur with  less  than  35%  frequency  in  their 

respective  positions  in  the  alignment were  chosen  for  analysis.  From  these  only  13  proved 

beneficial, 5 were neutral and 16 were destabilizing. However when amino acids that occurred 

with less than 20% frequency were selected, 13 of 18 positions proved beneficial (Wang et al. 

1999). The consensus approach is emerging and some fine tuning may be needed, but it has the 

Page 12: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 13 

potential  to  achieve  improvements  in  a  protein  that would  otherwise  take months  or  even 

years using classical directed evolution involving multiple cycles of evolution and the screening 

of millions of mutants. 

 

I.6 High Throughput Screening (HTS) 

In directed evolution, the production of an extensive and unbiased library is important, but 

the  availability  of  a  genuinely  high‐throughput  screening  system  for  the  targeted  activity 

remains  a  significant  bottleneck  (T  S  Wong  et  al.  2005).  Although  HTS  assays  have  been 

developed  to  screen  for  binding  interactions  (Fields  and  Song  1989;  Feldhaus  et  al.  2003; 

Georgiou 2000; Roberts 1999) selection based on enzyme activity is much more challenging.  

 

The  most  common  screening  methods  are:  (1)  colorimetric  or  fluorometric  assays  in 

microtiter plates (MTPs) (Cohen et al. 2001); and (2) solid‐phase screening on agar plates, filters 

or membranes  (Lin  and Cornish 2002). MTP methods  are  generally expensive,  laborious  and 

achieve only a moderate throughput (103‐105), and although solid‐phase methods are cheaper, 

they  are  less  sensitive  and  more  difficult  to  implement  although  with  a  slightly  higher 

throughput  (104‐106)  (M.  Olsen,  Iverson,  and  Georgiou  2000).  Flow  cytometry  (Figure  3)  is 

emerging  as  the most  promising  approach  because  ultra‐high‐throughput  screening  can  be 

 

Figure 3 – Flow chart for FACS screening of gene libraries. 

Page 13: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 14 

achieved (>107 per hour) (Aharoni et al. 2005) even though signal detection can be  limited to 

fluorescence and accuracy can be impaired by dye diffusion (S. Becker et al. 2004).  

The flow cytometer was developed in the 1970s and rapidly became an essential instrument 

for biological research, with many applications in medicine (Craig and Foon 2008; Campana and 

Coustan‐Smith 2004; Lenkei et al. 1998). State‐of‐the art flow cytometers can analyze up to 13 

parameters (forward scatter, side scatter, and 11 fluorescence colors) per cell at rates of up to 

100,000 cells per second (Givan 2001). More recently, the technique has been used in the areas 

of bacterial genetics and protein engineering (Daugherty, Iverson, and Georgiou 2000).  

Regardless of the screening or selection method, it is necessary to maintain a link between 

the  genotype  and  phenotype  of  the  target  enzymes  in  order  to  isolate  improved mutants 

(Mastrobattista et al. 2005). In the case of MTP assays, this connection  is maintained because 

individual wells can be matched to the corresponding clones. Linking is more difficult to achieve 

in FACS analysis and usually  involves some  form of  in vitro compartmentalization. This  is why 

flow  cytometry  screening  for  improved  mutants  has  been  restricted  to  the  intracellular 

expression of the mutated protein and to cases where the diffusion of the fluorescence product 

can be controlled (Kawarasaki et al. 2003) or where it can be trapped on the cell surface (M. J. 

Olsen et al. 2000).  

Griffiths and Tawfik have developed  in vitro compartmentalization methods  involving  the 

restriction  of  cells  and  genes  in  aqueous microdroplets  dispersed  in  water‐in‐oil  emulsions 

(Tawfik and Griffiths 1998). This means the gene and the product of the enzyme reaction are 

entrapped within  artificial  compartments  that mimic  the  role  of  the  cell membrane  during 

natural  evolution.  Furthermore,  fluorescent  aqueous  droplets  in  water‐oil‐water  double 

emulsions can be sorted by FACS and can be recovered intact without content loss (Bernath et 

al. 2004). Cells expressing the gene/enzyme of interest are encapsulated in the water‐oil‐water 

compartments  together with  the components necessary  for  the  fluorescence assay. After  the 

fluorescent product develops the droplets can be sorted using the flow cytometer (Figure 4).  

The authors proved the feasibility of the technology using two examples: directed evolution 

of  thiolactonases where  the enzyme was expressed  in E. coli cells subsequently entrapped  in 

double emulsions  (Aharoni et al. 2005), and directed evolution of  β‐galactosidase where  the 

Page 14: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 15 

enzyme was expressed directly in double emulsions by in vitro translation (Mastrobattista et al. 

2005). 

 

 

I.7 Fluorescence Assays  

The  first  rule of directed  evolution  is  “you  get what  you  screen  for”  (Arnold  and Volkov 

1999),  thus  screening  platforms must  be  designed  carefully  based  on  the  precise  catalytic 

activity  that  is sought, preferably using natural substrates. The use of artificial substrates can 

select for proteins that bind artificial substrates in preference to natural ones, e.g. the directed 

evolution  of  glycosyltransferase  CstII  identified  a  mutant  that  bound  to  the  fluorescent 

indicator dye strongly but was no more active than the wild‐type enzyme in the presence of the 

natural substrate (Aharoni et al. 2006).  

Since this project  involved  the development of a HTS assay based on FACS detection,  it  is 

also very important that the assay is compatible with flow cytometry detection systems. One of 

 

Figure 4 The principle of FACS using water‐in‐oil‐in‐water double emulsions. The cells or genes 

expressing  the  gene  of  interest  are  encapsulated  in  the  double  emulsions  together  with  the 

components  necessary  for  the  detection  of  enzyme  activity.  After  the  fluorescence  product  is 

formed,  the  droplets  can  be  sorted  by  the  flow  cytometry.  Multiple  rounds  of  sorting  can  be 

employed  in  order  to  increase  the  purity  of  the  final  population  of  droplets.  Modified  after 

(Mastrobattista et al. 2005; Aharoni et al. 2005). 

Page 15: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 16 

the products (or substrates) must be distinguished by the FACS  lasers and  fluorescence filters 

and must not cross‐react with any other components used in the screening process. 

 

I.7.1 Fluorescence assays for GOx 

There are numerous fluorescence assays in the literature for the detection of GOx activity. 

However most are incompatible either with the FACS detection system or with the cell system 

itself. The drawbacks of most of these assays are discussed  in one of our previous papers  (R. 

Prodanovic et al. 2012). As discussed above, the connection between the gene and the product 

of the enzymatic reaction detected  in the assay must be maintained, either by constraining  in 

the wells of  the MTP or using emulsions  in  the FACS screening system.  In  the  latter case  the 

product of  the enzymatic  reaction  is a  fluorescent  soluble compound  that,  if not enclosed,  it 

would diffuse away from the cell responsible for producing it. An example of this type of sorting 

is discussed in our ViPer assay paper (R. Prodanovic et al. 2012) and other publications (Aharoni 

et al. 2005; Mastrobattista et al. 2005). Another way of maintaining  the connection between 

genotype  and  phenotype  is  to  use  a  fluorescence  assay  that  covalently  stains  the  cells 

responsible  for  the  enzymatic  activity.  The  tyramide  fluorescein  assay  stains  yeast  cells  by 

binding  the  fluorescence‐labeled  tyramine  to  tyrosine  residues on  the cell  surface  (Figure 5). 

Since the encapsulation efficiency of yeast cells in double emulsions is less than 20%, covalent 

staining of the yeast surface increases the sorting speed by at least 10‐fold.  

Page 16: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 17 

 

 

 

I.7.2 Fluorescence assays for cellulases 

Cellulase  assays  can  be  classified  in  three  main  groups:  1)  those  detecting  product 

formation; 2) those monitoring substrate consumption; and 3) those monitoring changes in the 

physical properties of the substrate (P. Y.‐H. Zhang et al. 2006). 

Most assays belong to the first group, generally involving the detection of reducing sugars. 

The most  common  is  the  filter  paper  assay, which  is  the  IUPAC  standard  procedure  for  the 

measurement of cellulase activity. Whatman  filter paper  is used as a substrate and  the assay 

detects the formation of reducing sugars using 3,5‐diniotrosalycilic acid (DNS) (Miller 1959). The 

samples need to be boiled extensively to promote color development (Y. H. P. Zhang, Hong, and 

Ye 2009). This method has been optimized for the MTP format (Xiao, Storms, and Tsang 2004) 

but  is  generally  non‐reproducible,  time‐consuming,  labor‐intensive  and  has  a  low  sensitivity 

(Dashtban et al. 2010). 

Methods based on the detection of reducing sugars have also been developed to screen for 

endoglucanase activity, using carboxymethyl‐cellulose substrates. The reaction is performed at 

pH  4.8  and  50°C  (Mandels, Andreotti,  and Roche 1976)  after which  the  reducing  sugars  are 

detected  either  by HPLC  (Fujita  et  al.  2002),  the GOx/peroxidase  reaction  (Trinder  1969)  or 

 

Figure 5 Tyramine‐fluorescein labeling of proteins. 

Page 17: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 18 

using  a  suitable  colorimetric method  such  as  the  Somogyi‐Nelson  reaction  in which  copper 

oxide acts as an inorganic oxidant (Green, Clausen, and Highley 1989).  

Invitrogen  (Carlsbad, USA) markets a cellulase activity assay kit based on  the detection of 

the  reducing sugars using a coupled GOx/peroxidase  reaction  involving Amplex  red. However 

the  products  of  the  cellulose  hydrolysis  reaction  are  not  glucose  but  cellobiose  and  other 

polysaccharides. Since GOx  is highly  specific  for glucose and has very  low activity with other 

sugars  (Keilin  and  Hartree  1952)  this  assay  does  not  provide  an  accurate  determination  of 

cellulase activity unless the specific target is β‐glucosidase activity.  

Other types of cellulase assays, mostly used for exoglucanases and β‐glucosidases, employ 

an artificial  substrate  that  releases a chromophore or a  fluorophore after hydrolysis,  such as 

4‐methylumbelliferyl‐β‐cellobiose  (Boschker,  Cappenberg,  and  Using  1994),  Lucifer‐yellow‐

cellulose (Tang, Rowell, and Cumming 1995), resorufin‐β‐D‐cellobioside (Coleman, Studler, and 

Naleway 2007) and fluorescent microfibrils (Helbert et al. 2003). However, all these assays use 

unnatural substrates and therefore pose the risk of selecting for enzymes that happen to favor 

these substrates over natural cellulose. 

Other  assays  use  agar  plates  containing  cellulosic  substrates  and  colonies with  cellulase 

activity consume the cellulose around them. The agar plates are then stained with dyes such as 

Gram’s  iodine  (Kasana  et  al.  2008),  hexadecyltrimethyl  ammonium  bromide  (Hankin  and 

Anagnostakis 1977) or Congo Red (Teather and Wood 1982) allowing the identification of halos 

formed around microbes  containing  cellulase activity. These methods  can be used  to  screen 

large numbers of colonies but they are only plus/minus (qualitative) procedures since no linear 

relationship  can  be  established  between  halo  zones  and  enzyme  activities  (Dashtban  et  al. 

2010). 

The highest throughput cellulase assay currently available is based on the MTP format, but 

these  employ  unnatural  substrates  or  detect  reducing  sugars  using  a GOx‐coupled  reaction, 

with  the disadvantages noted above. GOx/peroxidase‐coupled assays are better because any 

natural or artificial substrate can be used. GOx  is highly  specific  for glucose, but  this sugar  is 

formed in low amounts during cellulose hydrolysis, so this type of coupled assay does not give a 

true representation of the cellulase activity. By adapting a novel GOx fluorescence assay (ViPer), 

Page 18: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 19 

previously developed for the detection of GOx activity, the fluorescent products of the reaction 

were found to be compatible with the HTS of double emulsions using FACS (R. Prodanovic et al. 

2012). For the cellulase assay, the same principle was applied but substituting GOx for hexose 

oxidase (HOx), because this has a much broader substrate specificity and can use D‐glucose, D‐

galactose, maltose,  cellobiose  and  lactose  as  substrates  (Hansen  and  Stougaard  1997).  This 

makes  it  possible  to  detect  a much wider  range  of  sugars  formed  during  cellulase  activity, 

starting from any natural or artificial cellulosic substrate.  

 

 

 

 

 

I.8 Enzyme‐induced Polymerization 

Alginates are  linear unbranched polymers containing β(1,4)‐linked D‐mannuronic acid  (M) 

and α(1,4)‐linked L‐guluronic acid (G) residues (Figure 6a) (Heng, Chan, and Wong 2003). They 

represent a class of copolymers usually found  in the brown algae such as Macrocystis pyrifera 

and Laminaria hyperborean, but also produced by bacteria such as Azotobacter vinelandii, A. 

chroococcum  and  several  Pseudomonas  species.  The  ratio  of  alternating  residues  differs 

according  to  the  source  organism,  and  the  different  monomer  ratios  lead  to  preferred 

copolymer  conformations  (Sabra,  Zeng,  and  Deckwer  2001).  The  free  carboxylic  acids make 

hydrogen  bonds with water molecules  (pKa M  3.38,  pKa G  3.65).  Ca2+  ions  can  replace  this 

hydrogen bonding,  zipping  the  guluronate  chains  together, but not  the mannuronate  chains 

(Figure 6b) (Draget et al. 2003).  

The main application of alginate is as a matrix polymer for the microencapsulation of drugs 

(Tonnesen and Karlsen 2002), proteins (Coradin, Nassif, and Livage 2003), cells (Smidsrod and 

Skjak‐Braek 1990) and DNA (Quong et al. 1998).  

Page 19: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 20 

 

Microencapsulation in calcium alginate beads has been explored in various techniques, each 

with  advantages  and  disadvantages.  The  most  common  preparation  method  for  calcium 

alginate microspheres  is extruding  sodium alginate  solution as droplets  into  calcium  chloride 

solution, which  generates beads  larger  than  100 µm  (Heng, Chan,  and Wong  2003).  Smaller 

particles  can be generated by emulsification methods  (Chan, Heng, and Wan 1997). Alginate 

microspheres have pore sizes of 6.8–16.6 nm (Klein, Stock, and Vorlop 1983), depending on the 

diameter  of  the  beads.  Producing  microbeads  in  which  the  capsule  membrane  has  a 

controllable weight cut off can be achieved by coating the bead surface with poly‐L‐lysine (PLL), 

by adjusting the alginate‐PLL reaction time, the molecular weight of the PLL, the concentration 

of PLL and by mixing PLL preparations with different molecular weights (King et al. 1987).  

Peroxidase is often used for the polymerization of phenol derivatives under mild conditions 

(Fukuoka, Uyama, and Kobayashi 2004; Kurisawa et al. 2005). Sakai et al. developed a phenol‐

substituted  alginate  which  could  form  cell‐enclosing  capsules  for  biomedical  applications. 

Phenol‐substituted  alginates  can  be  synthesized  from  alginate  and  tyramine  using  aqueous 

phase carbodiimide activation chemistry. Horseradish peroxidase (HRP) causes the gelation of 

the phenol alginate in the presence of peroxide (Sakai and Kawakami 2007) (see Figure 7). We 

can couple the GOx reaction to the gelation of tyramine alginates thus creating a new screening 

system based on GOx activity.  

 

 

Figure  6  ‐  a.  Structural  unit  of  alginates.  b.  Ca2+  ion  complexes  with  the 

guluronate chains (Draget et al. 2003). 

Page 20: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 21 

 

I.9 Project Objectives 

From  an  industrial  point  of  view  both GOx  and  cellulase  are  important  enzymes, with  a 

combined market  value  of more  than  7 million  USD  per  annum  (Godfrey  and West  1996; 

Newman and Turner 2005). High specific activity is the most desirable property because less of 

the  enzyme  is  needed  to  complete  the  process  and  this  can  significantly  reduce  production 

costs. As well as meeting  these  industrial  criteria by developing better  catalysts,  this project 

also set out to establish novel HTS systems for two different enzyme classes (oxidases and sugar 

hydrolases). We selected GOx and cellulase as our model enzymes, reflecting their importance 

as industrial biocatalysts. We set out to create a reliable screening system because this remains 

the bottleneck in any directed evolution approach (Gumulya and Reetz 2011). 

I.10 Project Overview 

We  aimed  to  develop  a  novel  HTS  system  for  the  selection  of  enzymes  with  tailored 

properties, based on FACS in double emulsions (Figure 8).  

Figure  7  a.  Formation  of  alginate  tyramine  conjugate.  b.  The 

gelation of alginate–tyramine conjugates by HRP‐catalyzed oxidative 

coupling of phenols (Sakai and Kawakami 2007). 

Page 21: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 22 

GOx  is used  in  the  food  industry  to  remove oxygen  from beverages  (Labuza  and Breene 

1989), as a source of hydrogen peroxide for food preservation (C. M. Wong, Wong, and Chen 

2008),  for  improving  dough  quality  (Rasiah  et  al.  2005)  and  as  a  stabilizer  for  some  food 

additives  (James and K Simpson 1996).  In pharmaceutical and analytical biochemistry, GOx  is 

used  for the quantitative determination of glucose  levels  (M Rossi, D Quach, and Rosenzweig 

2004)  and  in  the medical  field  it  is  an  important  component of biosensors  (G Wagner et  al. 

1998) and generators using blood glucose as  the energy  source  (Pizzariello, Stred’ansky, and 

Miertus  2002).  The  improvement  of GOx  activity would  therefore  benefit  a  broad  range  of 

applications,  but  this  project  focused  on  the  properties  of  GOx  required  for  its  use  in  the 

production of miniaturized biofuel cells. We aimed  (1)  to  increase electron  transfer  from  the 

electrode  to  the  enzyme  (increase  enzyme  activity);  and  (2)  to  improve  GOx  activity  under 

physiological  conditions, which  differ  from  the  optimal  conditions  of  the wild  type  enzyme 

(increased activity at pH 7.4, reduced value of kM for glucose). 

Cellulases are widely used in food processing (Kasai et al. 2006), textile manufacture and in 

laundry  detergents  (Kudriashova  et  al.  2009),  they  are  used  in  the  pulp  and  paper  industry 

(Prasetyo et al. 2011), in the conversion of biomass to biofuels (McMillan et al. 2011) and in a 

pharmaceutical  context  to  remove  undigested  plant  material  (phytobezoars)  from  the  gut 

(Fernández Morató et al. 2009). The  improvement of cellulases would  therefore also provide 

benefits  in many  industries,  thus we sought  to develop a FACS‐based screening system using 

natural cellulase substrates.  

In fulfilling these objectives we have developed HTS systems for both enzymes, establishing 

fluorescence assays  tailor‐made  for screening  the desired activities, but  the principles can be 

applied to all glycosidases and all oxidases. Improved GOx mutants were identified by screening 

gene libraries created using the consensus approach.  

Page 22: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I . Introduction    P a g e  | 23 

 

Figure 8 Flowchart of the PhD thesis work. The first step focused on technology development, e.g. finding the best way 

to  create mutant  gene  libraries, developing  a  reliable HTS  system  and  finding  suitable  expression hosts  for  the  selected 

enzymes. The second step focused on applying the developed technology to screen mutant gene libraries. 

 

 

 

 

 

Page 23: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 24 

II MaterialsandMethods

II.1 General Recipes for Media 

II.1.1 LB media (Bertani 1951) 

We prepared 0.5% (w/v) yeast extract, 1% (w/v) peptone, 1% (w/v) NaCl, pH 7.4. The media 

was autoclaved at 120°C  for 20 min. Agar plates were prepared by adding 1.5% agar before 

autoclaving. After the media cooled to 60°C, we added 100 µg/mL ampicillin, mixed thoroughly 

and poured the media into Petri dishes.  

II.1.2 YNB CAA Glu/Gal, Raf (Karst, Sadeghi, and Menees 1999) 

We  prepared  0.51%  (w/v)  ammonium  sulfate,  0.16%  (w/v)  yeast  nuclear  base  without 

ammonium  sulfate or amino acids, 0.5%  (w/v) casamino acids. The media was autoclaved at 

120°C for 20 min. Glucose solution was autoclaved separately and added to the media at a final 

concentration of 2%  (w/v). Gal/Raf media was prepared by  filter  sterilizing  the  solutions and 

adding to  final concentrations of 2% (w/v) galactose and 1% (w/v) raffinose. Chloramphenicol 

(50 µg/mL) was added to the media if necessary. Agar plates were prepared as above. 

II.1.3 YPD (Kaiser, Michaelis, and A. Mitchell 1994) 

We prepared 1% (w/v) yeast extract, 2% (w/v) peptone, 0.008% (w/v) adenine hemisulfate. 

The media was autoclaved at 120°C for 20 min. Glucose solution was autoclaved separately and 

added  to  the media  at  a  final  concentration of 2%  (w/v).  Zeocin was  added  to  the media  if 

necessary at different concentrations. Agar plates were prepared as above. 

II.1.4 BMGY/BMMY (Invitrogen 2010) 

We  prepared  1%  (w/v)  ammonium  sulfate,  0.34%  (w/v)  yeast  nuclear  base  without 

ammonium sulfate or amino acids, 1%  (w/v) yeast extract and 2%  (w/v) peptone. The media 

was autoclaved at 120°C for 20 min before supplementing with 100 mM potassium phosphate 

buffer pH 6.0  (autoclaved) and 0.00004%  (w/v) biotin  (filter  sterilized). Glycerol  solution was 

autoclaved separately and added to the media at a final concentration of 2% (v/v). To prepare 

Page 24: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 25 

BMMY medium, we added methanol  to a  final  concentration of 0.5%  (v/v). Chloramphenicol 

(50 µg/mL) was added to the media if necessary. Agar plates were prepared as above. 

II.2 Directed Evolution of Glucose Oxidase 

II.2.1 ABTS MTP assay 

For  rapid  confirmation of GOx activity, we used  the MTP plate  format of  the ABTS assay 

modified after (Zhu et al. 2006). Samples (1–10 µL) were added to an ABTS mix comprising 300 

mM glucose, 1 U/mL HRP and 4 mM ABTS. Absorbance was monitored at 405 nm for 10 min. 

The absorption coefficient of oxidized ABTS is εABTS ox = 36.8 cm2/µmol. 

II.2.2 Synthesis of fluorescein tyramide 

Fluorescein tyramide was synthesized as described (Van Gijlswijk et al. 1997) using 20 mM 

5/6‐carboxyfluorescein  succinimidyl  ester  (Pierce,  Illinois, USA)  in  dimethylformamide  (DMF) 

mixed  with  25 mM  triethylamine  and  20 mM  tyramine  HCl  (Sigma‐Aldrich  Chemie  GmbH, 

Munich, Germany) also in DMF. The mix was kept at room temperature for 2 h in the dark and 

ethanol was added in order to obtain a 2 mM fluorescein tyramide solution which was kept at 

4°C until required. Carboxy coumarin tyramide was obtained using the same synthesis protocol 

starting from N‐succinylimidil 7‐methoxy coumarin‐3‐carboxylate (Pierce, Illinois, USA). 

II.2.3 Creation of mutant libraries 

The consensus library was created using the Quick Change Multi site‐directed mutagenesis 

kit (Agilent Technologies, Santa Clara, USA) comprising PCR enzymes and E. coli XL10 Gold ultra‐

competent  cells.  Site‐directed  primers  were  designed  at  16  relevant  positions  and  were 

synthesized by Eurofins MWG Operon (Ebersberg, Germany). The PCR was performed according 

to  the manufacturer’s  instructions using  the GOx  sequence  cloned  in pCTCON2  (containing a 

c‐myc  tag)  as  the  template  (400  pg/µL)  and  the  primers  adjusted  to  200  nM.  The  cycling 

conditions were 95°C  for 1 min, 1 cycle; 95°C  for 1 min/55°C  for 1 min/65°C  for 16.5 min, 30 

cycles; 65°C  for 20 min, 1 cycle, after which  the products were digested with DpnI  for 3 h at 

37°C and stored at 4°C until required.  

Page 25: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 26 

Single stranded PCR products were  introduced into E. coli XL10 Gold cells according to the 

manufacturer’s protocol and the transformants were plated on LB Amp agar and grown at 37°C 

for 16 h. The cells from all the plates were collected  in  liquid LB Amp media and re‐grown for 

another 16 h at 37°C, 160 rpm. The DNA was then isolated using the Macherey‐Nagel Plasmid 

DNA kit (Düren, Germany).  

II.2.4 Transformation of S. cerevisiae EBY 100 cells 

The  S.  cerevisiae  EBY  100  strain  and  the  pCTCON2  vector were  kindly  provided  by Dane 

Wittrup  (MIT, MA, USA).  The DNA was  introduced  into  yeast  cells  (Gietz  and  Schiestl  2007) 

using a 2.5‐h 42°C heat shock. After transformation, the cells were grown directly  in YNB‐CAA 

glucose  medium  for  48  h  at  27°C,  160  rpm.  To  induce  GOx  expression,  the  cells  were 

transferred to YNB‐CAA Gal/Raf media and grown at 27°C, 160 rpm, for 16‐18 h and then used 

for FACS experiments. 

II.2.5 Fluorescence staining of yeast cells without compartmentalization 

Yeast  cells  expressing GOx were washed  three  times  in  PBS  and  diluted  to  109  cells/mL 

(OD600 = 1 is equivalent to 2 x 107 cells/mL). A 25 µL suspension containing 107 cells was mixed 

with  10  U/mL  HRP  (AppliChem  GmbH,  Gatersleben,  Germany)  and  with  the  specified 

concentrations of tyramide‐fluorescein or tyramide‐AMCA.  

II.2.6 Enzymatic assay for FACS 

Yeast  cells  expressing GOx were washed  three  times  in  PBS  and  diluted  to  109  cells/mL 

(OD600 = 1  is equivalent  to 2 x 107 cells/mL). A 25‐µL  suspension containing 107 cells, 20 µM 

tyramide‐fluorescein,  10  U/mL  HRP  (AppliChem  GmbH,  Germany)  and  5  U/mL  almond 

β‐glucosidase  (Sigma‐Aldrich Chemie GmbH, Germany) was added  to 500 µL 1.5% Abil Em 90 

(Tego,  Germany)  in  LMO  (Sigma‐Aldrich  Chemie  GmbH,  Germany).  The mix  was  emulsified 

using  a  MICCRA  D‐1  dispenser  at  8000  rpm  for  3  min  on  ice  and  supplemented  with 

octylglucoside (Sigma‐Aldrich Chemie GmbH, Germany) from a 37 mM solution in ethanol. The 

emulsion was vortexed for 30 s and incubated for 30 min at room temperature.  

Page 26: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 27 

Cells were  recovered  from  the  emulsion  by  stirring  (5 min,  1200  rpm) with  1 mL  LMO 

containing 3%  (v/v) Span 80  (Sigma‐Aldrich Chemie GmbH, Munich, Germany). The emulsion 

was centrifuged (2 min, 14,000 x g), the supernatant discarded and the cells were rinsed three 

times with LMO containing 3% (v/v) Span 80, twice with PBS containing 0.5% (v/v) Triton X‐100 

(Sigma‐Aldrich Chemie Gmbh, Munich, Germany) and finally three times with 0.1% (w/v) BSA in 

PBS. The cells were resuspended in 100 µL of the BSA solution, 30 µg/mL of mouse anti c‐myc 

antibody  (Abcam, Cambridge, UK) was  added  and  the mixture was  shaken  gently  for 1 h  at 

30°C. The cells were washed again three times with 0.1% (w/v) BSA in PBS and resuspended in 

100  µL  of  the  same  solution.  The  secondary  anti‐mouse  IgG  antibody  was  added  and  the 

mixture was  incubated at 4°C  for 1 h. The secondary antibody was either goat anti‐mouse Fc 

IgG phycoerythrin (Pierce,  Illinois, USA) (1:100 dilution) or goat anti‐mouse Fc  IgG Dylight 650 

(Abcam,  Cambridge, UK)  (1:50  dilution).  Before  FACS  analysis,  the  cells were washed  three 

times in 0.1% (w/v) BSA in PBS and finally resuspended in 1 mL PBS.  

The  cells were analyzed using a BD  FACS Diva  (NJ, USA)  flow  cytometry  system with  the 

trigger parameter set on forward scattering. The analysis rate was 1000–5000 events/s and the 

sorting  speed was 10–100 events/s. The 488  and 647 nm  laser excitation wavelengths were 

used for detection and emissions were detected using 530 and 670 nm filters. The positive cells 

were  gated  on  a  fluorescence  double  plot  as  specified  in  each  experiment.  The  cells were 

sorted in the single cell mode onto YNB‐CAA glucose chloramphenicol agar plates or into MTP 

wells containing 100 µL YNB‐CAA glucose liquid medium plus 50 µg/mL chloramphenicol. 

II.2.6.1 Agar plate ABTS assay 

After  FACS,  the  cells were  grown  at  27°C  for  3  d,  replica  plated  onto  YNB‐CAA Gal/Raf 

medium and cultivated  for another 24 h. Screening medium was prepared by mixing 2% agar 

with an equal volume of ABTS solution containing 333 mM glucose, 1.75 U/mL HRP and 7 mM 

ABTS. This was poured over  the agar cell plates. Green halos were observed around colonies 

with GOx activity. 

 

 

Page 27: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 28 

II.2.6.2 MTP analysis after FACS sorting 

We used a previously‐described protocol (Zhu et al. 2006; Baron et al. 1994; Sun et al. 2001) 

modified as follows. The cells were sorted into MTP wells and grown for 2 d at 30°C, 450 rpm, 

80%  humidity.  The  plates  were  sealed  with  Parafilm  to  prevent  evaporation.  We  then 

transferred 5 µL of the cell culture  to new MTP wells containing 25 µL YNB CAA Glu medium 

and  the cells were allowed  to grow  for a  further 24 h before adding 80 µL YNB CAA Gal/Raf 

medium and growing for another 24 h.  

We resuspended 5 µL of the above cells  in 70 µL PBS and the OD600 was determined, then 

70 µL ABTS solution was added and  the kinetics were measured at 405 nm every 20 s  for 10 

min.  Two  measurements  were  taken  from  each  culture,  one  using  4  mM  ABTS  solution 

containing 250 mM glucose and 1 U/mL HRP, and one with the same components but only 5 

mM glucose. 

For each well measurement, we calculated the slope of the  linear region. The slopes were 

normalized to the OD600 in each well and the values were compared with the values of the cells 

expressing  the  wild  type  enzyme.  The  best  mutants  were  selected  and  re‐screened  using 

columns 1 and 12 of an appropriate number of 96‐well plates filled with 20 µL of YNB CAA Glu 

chloramphenicol medium. These were  inoculated with 2 µL of a  saturated culture containing 

the mutants while two wells were used for the standard cells expressing the wild type enzyme. 

The  plates were wrapped  in  Parafilm  and  incubated  at  30°C  and  450  rpm  for  24  h  at  80% 

humidity. 

Columns  2  to  11  of  the  rescreening  plates  were  filled  with  25  µL  of  YNB  CAA  Glu 

chloramphenicol medium. Using an 8‐channel pipette, the cultures  in columns 1 and 12 were 

resuspended and 3 µL of each suspension was transferred from column 1 to columns 2–6 and 

from column 12 to columns 7–11. The screening protocol described above was repeated. 

II.2.7 DNA isolation from yeast 

The DNA  from mutants with  higher  activity  than  the wild  type  variant were  isolated  as 

described (Singh and Weil 2002) with the following modifications. The cells were grown for 1 d 

in 5 mL YNB CAA Glu medium at 27°C, 160 rpm. They were centrifuged at 11 000 x g for 1 min 

and the supernatant was discarded. We added 500 µL  lysis buffer (50 mM Tris‐HCl pH 7.5, 10 

Page 28: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 29 

mM  EDTA,  0.5%  (v/v)  β‐mercaptoethanol)  and  100  U/mL  lyticase  from  Arthrobactor  luteus 

(Sigma‐Aldrich Chemie Gmbh, Munich, Germany) and the reaction was incubated at 37⁰ C for 2 

h. The cells were centrifuged as above, plasmid DNA was  isolated using  the Macherey‐Nagel 

Plasmid DNA kit (Düren, Germany) and the DNA was sent for sequencing. 

II.2.8 Cloning in the pICZalpha A vector 

The best mutants were re‐cloned  in vector pICZalpha A (Invitrogen, Darmstadt, Germany). 

The cloning was performed using standard restriction/digestion and PCR methods  (94°C  for 4 

min, 1 cycle; 94°C for 1 min/55°C for 1 min/72°C for 2.3 min, 30 cycles; 72°C for 10 min, 1 cycle) 

using 0.04 U/µL Pfu DNA polymerase (Fermentas GmbH, St. Leon‐Rot, Germany), 0.2 mM dNTP 

mix  (Fermentas GmbH, St. Leon‐Rot, Germany), 0.5 µM  forward primer 5’‐ATC TCT CGA GAA 

AAG AAG CAA TGG CAT TGA AG‐3’, 0.5 µM reverse primer 5’‐GAA GCT CTA GAG CTC ACT GCA 

TGG‐3’ and 50 ng pCTCON2 plasmid containing mutant sequences as the template. The primers 

were ordered from Eurofins MWG Operon (Ebersberg, Germany). The purified fragments were 

digested  using  XhoI/XbaI  (New  England  Biolabs  GmbH,  Frankfurt  am  Main,  Germany)  and 

ligated  in  to  the pICZalpha A vector. The  ligation mixture was directly  introduced  into E. coli 

XL10 Gold cells  (Agilent Technologies, Santa Clara, USA). Plasmid DNA was  isolated using  the 

Macherey‐Nagel Plasmid DNA kit (Düren, Germany) and the DNA was sent for sequencing. 

II.2.9 Transformation of Pichia pastoris  

Competent Pichia pastoris KM71H  cells  (Invitorgen, Darmstadt, Germany) were prepared 

according to the published protocol (D. M. Becker and Guarente 1991). The DNA isolated from 

E. coli cells was digested with PmeI (New England Biolabs GmbH, Frankfurt am Main, Germany) 

and  purified  using  the Macherey‐Nagel  DNA  clean‐up  kit  (Düren,  Germany).  Up  to  5  µL  of 

solution containing 500–1000 ng of DNA was added to 40 µL of frozen competent cells on  ice 

and  left  to  thaw.  The  cells  were  mixed  with  the  DNA  and  transferred  to  2‐mm  gap 

electroporation cuvettes  for electroporation using an Eppendorf multiporator  (Eppendorf AG, 

Hamburg, Germany) at 2500 V  for 5 ms.  Ice‐cold 1 M  sorbitol was added and  the cells were 

transferred to 3 mL YPD medium and  left to recover for 1 h at 27°C, 160 rpm. The cells were 

Page 29: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 30 

then centrifuged at 3000 x g for 5 min, resuspended in 1 mL medium and plated on YPD plates 

containing 250 µg/mL zeocin and incubated for 3 d at 27°C. 

II.2.10 Selection of the highest producer 

We transferred 96 colonies  from the transformation plates  into MTP wells containing 100 

µL BMGY medium. The cells were grown to saturation (24 h) at 30°C, 450 rpm, 80% humidity 

and then diluted five times in 30 µL BMGY medium on new MTPs and grown for an additional 

24 h. We added 80 µL of BMMY and the cells were incubated under the same conditions for an 

additional 24 h to express GOx. The activity of each colony was determined using the ABTS MTP 

protocol described above with  the ABTS mix containing 250 mM glucose. The best producing 

clone of each mutant was selected. 

II.2.11 Fermentation in Pichia pastoris 

Cells from agar plates were inoculated into 25 mL BMGY medium and incubated for 24 h at 

27⁰C, 160 rpm. For the optimization of fermentation, the cells were centrifuged at 3000 x g, 10 

min  and  resuspended  in 5 mL BMMY medium  (OD600 ~30)  and  incubated  at 27⁰C, 160  rpm. 

Every 24 h, we added 0.5 % (v/v) methanol to the fermentation medium and the GOx activity 

was measured.  

Once the optimal conditions had been determined, the fermentation was scaled up to 2 L 

by transferring the 25 mL  initial culture  into 2 L BMGY medium followed by  incubation for an 

additional  24  h.  After  centrifugation  as  above  the  cells were  transferred  to  400 mL  BMMY 

medium. This protocol was modified from the manufacturer’s instructions (Invitrogen 2010). 

II.2.12 Protein purification 

After fermentation for 4 d according to Invitrogen recommendations, cells were pelleted by 

centrifugation  at  11,000  x  g  for  10 min  using  a  Beckman  Coulter  Avanti  J26  XP  centrifuge 

(Krefeld Germany). The  supernatant was collected and  filtered  through a 0.22‐µm PTFE  filter 

(Carl Roth GmbH, Germany) and the filtrate was concentrated to 5–10 mL using a Viva Flow 50 

system  with  a  50‐kDa  membrane  (Sartorius  AG,  Germany).  The  concentrate  was  dialyzed 

against 10 mM phosphate buffer (pH 6.0) overnight at 4°C, and loaded onto a 20 ‐ mL Fast Flow 

Page 30: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 31 

DEAE Sepharose column  (GE Healthcare Europe GmbH, Germany) using  the ÄKTApurifier  (GE 

Healthcare Europe GmbH, Germany). The protein was purified using a  linear gradient from 10 

to 300 mM phosphate buffer pH 6 over 15 column volumes. We tested 50‐mL fractions using 

the ABTS assay and those with separate peaks of GOx activity were collected and concentrated 

to 5 mL using 10‐kDa ultrafiltration columns (Sartorius AG, Germany). 

II.2.13 Determination of kinetic properties of the mutants 

The kinetic characteristics of each GOx variant were determined using triplicate MTP ABTS 

assays with glucose concentrations ranging from 1.2 to 266 mM, at pH 5.5 and 7.4. The slope of 

each measurement was  calculated  over  the  linear  region  and  fitted  onto Michaelis‐Menten 

curves  to allow  the kM and kcat values  to be determined. Lineweaver‐Burk, Eadie‐Hofstee and 

Hanes‐Woolf plots were also constructed, and  the outliers were  identified and  removed. We 

determined kcat values by measuring absorbance at 280 nm (the absorption of 1.5 mg/mL GOx 

is considered equivalent to 1 AU based on the sequence, as calculated using ProtParam). 

II.3 Screening System for GOx Activity based on Alginate Beads 

II.3.1 Synthesis of tyramine alginate 

Tyramide alginate was synthesized as previously described (Sakai and Kawakami 2007). We 

mixed 50 mL 1% (w/v) sodium alginate in water with 50 mL 9% (w/v) tyramine hydrochloride in 

water  containing  50.4 mM  EDAC  and  25.2 mM NHS.  The mix was  stirred  for  20  h  at  room 

temperature and dialyzed against water for 48 h with 5–6 changes. The resulting polymer was 

lyophilized  and  kept  at  room  temperature  until  needed.  All  chemicals  were  ordered  from 

Sigma‐Aldrich Chemie GmbH (Munich, Germany). 

II.3.2 Modification of lyticase 

The protocol we used was previously described  (Carraway  and  Triplett 1970; Anjaneyulu 

and Staros 1987) with the following modifications. We dissolved 2 mg poly‐L‐lysine in 1 mL PBS 

and slowly added 0.8 mg EDAC (4 mM final concentration) and 2.2 mg sulfo‐NHS (10 mM) with 

constant mixing. The solution was shaken gently at room temperature for 15 min and 2 mg/mL 

Page 31: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 32 

of Arthrobactor  luteus  lyticase was  added  and  incubated  for  4  h  at  room  temperature.  The 

solution was dialyzed against PBS and concentrated on a 10‐kDa ultrafiltration centrifugation 

column  (Sartorius AG, Goettingen, Germany). The concentration of enzyme was measured at 

280 nm and the samples were aliquotted and kept at –20⁰C until needed. All chemicals were 

purchased from Sigma‐Aldrich Chemie GmbH (Munich, Germany). 

II.3.3 Polymerization of beads 

We prepared a solution comprising 2% (w/v) tyramine alginate, 20 U/mL HRP and 250 mM 

glucose,  and mixed  200  µL with  either  GOx  xpressing  cells  (105  S.  cerevisiae  EBY  100  cells 

expressing GOx cloned in the pCTCON2 vector), a reference library or soluble GOx (5 U/mL). The 

mixture was transferred to 600 µL 3% (v/v) Span 80 in LMO and stirred with a magnetic stirrer 

at 10,000 rpm for 5 min and at 2000 rpm for 1 h. The beads and cells were removed from the 

emulsion by washing three times with 1% (v/v) Triton X‐100 and twice with 50 mM Tris‐HCl (pH 

7.4)  interspersed with 2‐min centrifugation steps at 200 x g. The beads and cells were shaken 

gently  for  1  h  in  0.15%  (w/v)  poly‐L‐lysine  and were  then  transferred  into  the  lyticase  lysis 

buffer  (50 mM Tris HCl pH 7.4, 10 mM EDTA, 0.5 %  (w/v)  β‐mercaptoethanol)  containing 15 

µg/mL  poly‐L‐lysine  cross‐linked  lyticase.  The  samples were  incubated  for  1  h  at  27⁰C  and 

plated on YNB CAA Glu medium. Colonies were counted and a  replica plate was prepared  to 

assess  the  positive  and  negative  cells  using  the  ABTS  agar  plate  assay.  All  chemicals  were 

obtained  from  Applichem  (Darmstadt, Germany)  except  the  LMO which was  acquired  from 

Sigma‐Aldrich Chemie GmbH (Munich, Germany). 

II.4 In Vitro Translation (IVT) of GOx 

GOx sequences were expressed using the EasyXpress  insect cell protein synthesis kit from 

Qiagen  (QIAGEN GmbH, Hilden, Germany). The wild‐type GOx was cloned  in vector pIX4 with 

and  without  the  pro‐‐factor  signal  sequence.  Cloning  was  carried  out  using  the  standard 

restriction/digestion  and  PCR methods  (94°C  for  4 min,  1  cycle;  94°C  for  1 min/55°C  for  1 

min/72°C for 2.3 min, 30 cycles; 72°C for 10 min, 1 cycle) in a mix comprising 0.04 U/µL Pfu DNA 

polymerase  (Fermentas GmbH, St. Leon‐Rot, Germany) 0.2 mM dNTP mix  (Fermentas GmbH, 

St. Leon‐Rot, Germany), 0.5 µM  forward primer 5’‐TCA TCG AGG AGG TCT CCC ATG AGA TTT 

Page 32: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 33 

CCT TCA ATT TTT AC‐3’  for  the pro‐‐factor  sequence or 5’‐ATC ATC GAG GAG GTC TCC CAT 

GAG CAA TGG CAT TGA AGC CAG‐3’ for the mature protein, 0.5 µM reverse primer 5’‐ATC ATC 

AGA  TCT  TTA CTG CAT GGA AGC ATA ATC  TT‐3’,  and 50 ng AF GOX pUC57  as  the  template 

plasmid.  The  primers were  ordered  form  Eurofins MWG Operon  (Ebersberg, Germany).  The 

purified fragments were digested using BseRI/BglII (New England Biolabs GmbH, Frankfurt am 

Main, Germany) and  ligated  into the pIX4 vector. The  ligation mixture was directly  introduced 

into E. coli XL10 Gold cells (Agilent Technologies, Santa Clara, USA). Plasmid DNA was  isolated 

using  the  Macherey‐Nagel  Plasmid  DNA  kit  (Düren,  Germany)  and  the  DNA  was  sent  for 

sequencing. 

We also tested the TnT® T7  Insect Cell Extract Protein Expression System (Promega GmbH 

Mannheim, Germany).  In  this case  the wild‐type GOx sequence was cloned with and without 

the pro‐‐factor  signal  sequence  into  vector pF25A, using  standard  restriction/digestion  and 

PCR methods (94°C for 4 min, 1 cycle; 94°C for 1 min/55°C for 1 min/72°C for 2.3 min, 30 cycles; 

72°C for 10 min, 1 cycle) in a mix comprising 0.04 U/µL Pfu DNA polymerase (Fermentas GmbH, 

St. Leon‐Rot, Germany) 0.2 mM dNTP mix (Fermentas GmbH, St. Leon‐Rot, Germany), 0.5 µM 

forward primer 5’‐ATC ATC GCG ATC GCA TGA GAT TTC CTT CAA TTT TTA C‐3’  for  the pro‐‐

factor  sequence or 5’‐ATC ATC GCG ATC GCA TGA GCA ATG GCA TTG AAG CCA G‐3’  for  the 

mature protein, 0.5 µM reverse primer 5’‐ATC ATC GTT TAA ACT CAC TGC ATG GAA GCA TAA 

TCT T‐3’ and 50 ng AF GOX pUC57 as  the  template plasmid. The primers were ordered  form 

Eurofins MWG Operon  (Ebersberg, Germany). Fragment purification,  ligation,  transformation, 

DNA isolation and sequencing were carried out as described above. 

IVT  was  carried  out  according  to  the manufacturer’s  instructions  and  GOx  activity  was 

detected using the ABTS assay (section II.2.1).  

II.5 Cellulase Screening System 

II.5.1 APCC synthesis 

We  synthesized 3‐carboxy‐7‐(4’‐aminophenoxy)‐coumarine  (APCC) as previously described 

(Khanna,  Chang,  and  Ullman  1989)  although  the  reduction  from  3‐carboethoxy‐7‐(4’‐

nitrophenoxy)coumarine to 3‐carboethoxy‐7‐(4’‐aminophenoxy) coumarine was achieved using 

Page 33: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 34 

iron  powder  in  ethanol  (Agrawal  and  Tratnyek  1996)  after  characterization  by  NMR 

spectroscopy  (Setsukinai  et  al.  2000).  The  substrate  for  APCC  synthesis  (3‐carboethoxy‐7‐

(hydroxy) coumarine) was synthesized as previously described (Chilvers et al. 2001). 

II.5.2 APCC assay in MTPs 

Fluorescence‐based assays were carried out in 96 MicroWell™ Nunclon™Δ Optical Black Flat 

Bottom  Plates  (Greiner  Bio One  GmbH,  Frickenhausen,  Germany)  using  a  BioTec  Synergy  2 

Multi‐Mode Microplate Reader  (Bad Friedrichshall, Germany)  in a total reaction volume of 50 

µL.  The  reaction mix  comprised  APCC  (500  µM),  VbrPOx  (0.1  U/mL),  Hox  (3.4  U/mL),  CMC 

(0.3%),  NaBr  (50 mM)  in  Tris  H2SO4  (50 mM,  pH  7.4),  supplemented  with  either  different 

concentrations of purified A. niger cellulase (Sigma‐Aldrich Chemie Gmbh, Munich, Germany) or 

107 cells expressing  cellulase Cel5A. HOx was  kindly provided by Danisco Deutschland GmbH 

(Frankfurt,  Germany).  S.  cerevisiae  YPH500  cells  (Agilent  Technologies,  Santa  Clara,  USA) 

expressing enzyme Cel5A using the pESC‐Trp vector were previously cloned  in our  laboratory. 

The assay was monitored at 360/460 nm excitation/emission wavelengths. Some assays used 

APF  (aminophenoxifluorescein)  (Invitrogen  Karlsruhe,  Germany)  in  place  of  APCC  and  were 

monitored at 485/528 nm excitation/emission wavelengths.  

II.5.3 FACS assay and sorting 

The  in  vitro  compartmentalization of  yeast  cells was  carried out  as previously described, 

with modifications  (Aharoni et  al. 2005).  The washed  yeast  cells,  together with  the  reaction 

components used  in the MTP assay described above  (25 µL) were added to 250 µL of the  ice 

cold oil phase, comprising 1.5% (v/v) ABIL EM 90 (Tego, Germany) in LMO. The two phases were 

homogenized on ice in a 2 mL round bottom cryotube for 3 min at 8000 rpm using a T18 basic 

ULTRA‐TURRAX® from IKA (Germany). The second water phase (250 µL) containing 1.5% (w/v) 

carboxy‐methylcellulose sodium salt (CMC) and 1% (v/v) Triton X‐100 in PBS was added to the 

primary emulsion and homogenized on ice for 3 min at 7000 rpm. Emulsions were diluted with 

PBS and analyzed using a BD FACS Diva (NJ, USA) flow cytometer. The trigger parameter was set 

to  forward scattering. The analysis rate was 8000–20,000 events/s and the sorting speed was 

10–100/s. We  used  488  and  375  nm  lasers  for  excitation  and  460  and  520  nm  filters  for 

Page 34: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I . Materials and Methods    P a g e  | 35 

detection. The positive emulsion droplets were gated on the FL3‐DAPI, FL1‐FITC plot and sorted 

in  single‐cell  mode  directly  onto  YNB‐CAA  Glu  agar  plates  supplemented  with  25  µg/mL 

chloramphenicol. After 2 days at 27°C, cellulase expression was induced by replica plating and 

the cells were cultivated on YNB CAA Gal/Raf containing 0.1% CMC (1 day, 27°C).  

II.5.4 Agar plate assay for cellulases 

The  agar  plate  method  to  detect  cellulase  activity  was  carried  out  as  described,  with 

modifications  (Farkas, Lisikova, and Biely 1985). Cells growing on YNB CAA Gal/Raf 0.1% CMC 

plates were overlaid with  0.1% Congo Red  (Sigma‐Aldrich Chemie Gmbh, Munich, Germany) 

and incubated for 30 min at room temperature. The plates were washed with 1 M NaCl and 5% 

acetic acid. Cells expressing cellulase activity were revealed by halos. 

   

Page 35: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 36 

III Results and discussion 

III.1 Directed Evolution of Glucose Oxidase 

III.1.1 Cloning in vector pCTCON2  

Transformation efficiency  is one of  the bottlenecks  in any directed evolution experiment. 

Although the highest transformation efficiencies are achieved in E. coli, GOx accumulates within 

inclusion  bodies  because  it  is  an  eukaryotic  enzyme with  two  disulfide  bonds  and multiple 

glycans  (Witt,  Singh,  and  Kalisz  1998).  An  eukaryotic  host  would  be more  suitable,  and  S. 

cerevisiae is a good candidate because of its transformation efficiency, the stability of episomal 

plasmid DNA and its fast growth.  

The linkage between the protein of interest and its corresponding gene must be maintained 

throughout the experiment.  It would be  ideal to have the protein displayed on the surface of 

the yeast cell especially  in  the case of FACS screening systems. For  this purpose we used  the 

pCTCON2 yeast display vector and S. cerevisiae strain EBY100.  

 

 

 

Figure  9  Expression  of  GOx  constructs  using  the 

EBY100  strain  and  pCTCON2  vector.  GOx  is  fused  to  an 

N‐terminal  Aga2p  tag  and  a  C‐terminal  c‐myc  tag. 

Modified after Boder (Boder and Wittrup 1997). 

Page 36: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 37 

The yeast display system uses the S. cerevisiae α‐agglutinin receptor to display heterologous 

proteins  on  the  cell  surface  (Boder  and Wittrup  1997).  The  system  comprises  two  subunits: 

AGA1 and AGA2. The EBY100 strain expresses the AGA1 peptide (which binds to β‐glucan) on 

the  surface of  the  yeast  cell  using  the Gal1  promoter  (Lu  et  al.  1995).  The AGA2  subunit  is 

encoded  by  the pCTCON2  vector  and  is  expressed  as  an N‐terminal  fusion  to  the  protein of 

interest.  The N‐terminal  region  of AGA2  binds  to AGA1  on  the  surface  of  the  yeast  cell,  by 

forming  two disulfide bonds  (Cappellaro et al. 1991). GOx was expressed also containing a C‐

terminal c‐myc tag (Figure 9). 

The GOx surface display construct was obtained starting from the wild‐type GOx synthetic 

gene ordered from Gene Script (accession number P13006). After cloning, the constructs were 

confirmed by sequencing and used to transform EBY 100 cells. The presence of GOx activity on 

the cell surface was confirmed using the ABTS assay (Zhu et al. 2006). 

A fermentation curve was created to determine the optimal time for expression. One yeast 

colony was picked from the agar plate and  inoculated  into YNB‐CCA Glu medium. The culture 

was later centrifuged and resuspended in YNB‐CAA galactose/raffinose medium at an OD600 of 

0.4,  and  the  GOx  activity  and OD600 were measured  every  2  h  in  the  supernatant  and  cell 

suspension.  The  fermentation  curve  in  Figure  10  shows  that  maximum  expression  occurs 

between 15 and 25 h. The enzyme activity then reaches a plateau and declines to undetectable 

levels  by  30  h.  Thus  for  all  further  experiments,  the  conditions were  adjusted  so  that  the 

expression was performed for 16–18 h. 

Page 37: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 38 

 

Cells expressing GOx were tested for enzyme molecules leaking from the surface. The cells 

were washed  several  times  in PBS and  the activity was determined after each washing  step. 

Figure 11  shows  that  the  supernatant  from  the original expression  culture medium  contains 

significant GOx activity, but after the first wash there is no remaining activity and after the third 

wash the activity of the cells remains constant, proving that GOx molecules remaining on the 

cells are  tightly bound  to  the  surface.  In order  to avoid any cross  talk between droplets,  the 

cells were always washed three times to make sure that all the non‐bound GOx molecules were 

removed.  The  FACS  screening  system  discussed  in  the  following  chapters  involves  the 

compartmentalization of  cells  in water‐in‐oil emulsions, and  the presence of  soluble enzyme 

would lead to cross‐contamination and a loss of connection between genotype and phenotype. 

Cells must  therefore  be washed  thoroughly  before  compartmentalization  so  that  no  soluble 

GOx is present in the solution even when the yeast surface display system is used.  

 

 

Figure 10 Fermentation curve of wild‐type GOx expressed  in S. cerevisiae EBY 100 cells. At 

each specified time point 1 mL of culture was removed from the fermentation flask and used to 

determine OD600 nm and for the ABTS assay (section II.2.1).  

Page 38: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 39 

 

The GOx cDNA was also modified by adding a 3’sequence encoding a C‐terminal c‐myc tag. 

This allows the quantitation of enzyme molecules expressed on the surface of the yeast cells by 

using  anti‐c‐myc  fluorescent  antibodies.  In most  directed  evolution  experiments  it  is  quite 

difficult  to  determine  the  specific  activity  of  the  enzyme  until  the  protein  is  purified.  By 

detecting the amount of enzyme molecules on one fluorescence channel and the activity of the 

enzyme on another, we could theoretically measure the specific activity of the enzyme and sort 

not only plus/minus variants but also mutants with higher activity. 

The  fermentation  conditions  were  optimized  to maximize  the  stable  expression  of  the 

enzyme,  which  occurs  between  16  and  24  h  and  then  declines.  Expression  was  therefore 

stopped at this time point.  

Because  the enzymes were expressed with  two  tags  (an N‐terminal AGA1  tag  for  surface 

display  and  a  C‐terminal  c‐myc  tag  for  antibody  staining) we were  concerned  that  the  tags 

would  inhibit enzyme activity.  Indeed  the  tagged  variants did  show  a  lower  activity, but  the 

ratios between the activities of the wild‐type and mutant enzymes remained constant making 

this construct suitable for directed evolution experiments.  

 

Figure  11  GOx  activity  in  the  supernatant  after  multiple  rounds  of 

washing.  1  mL  of  fermentation  medium  was  removed  12  h  after  the 

induction  of  enzyme  activity.  The  cells were  centrifuged,  the  supernatant 

collected and the cells were resuspended in same amount of fresh PBS. After 

each washing  step  the  activity was measured,  using  the  ABTS MTP  assay 

(section II.2.1) both in the supernatant and in the cell resuspension. 

Page 39: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 40 

III.1.2 Creation of mutant libraries 

Mutant gene  libraries were created using the consensus approach  (Martin Lehmann et al. 

2002). The  libraries were designed starting from A. niger GOx, accession number P13006, and 

using this as a BLAST query against the NCBI database (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi). 

The results were analyzed and all sequences with an  identity >80% and <40% were discarded. 

The remaining sequences were compared pairwise to ensure that none showed >90% similarity, 

and where this occurred only one sequence was kept for further analysis. The final result was a 

list of  seven protein  sequences  (Table 1), which were used  for multiple  sequence  alignment 

using BioEdit (Ibis Biosciences, CA, USA). The alignments were inspected and adjusted manually. 

Table 1 Sequence similarity table 

  A2I7K9  P13006  Q9HFQ1 A2QZ31 Q70FC9 B8MDS4

Q92452

A2I7K9  100  66  66 48 90 90  99 

P13006    100  85 49 67 61  66 

Q9HFQ      100 50 66 60  66 

A2QZ31      100 47 46  48 

Q70FC9      100 83  90 

B8MDS4      100  91 

Q92452        100 

A positional frequency report was generated using the seven selected sequences, showing 

for every position in the alignment the number of times that a certain amino acid appears in the 

series (Figure 12). The following positional frequencies were obtained: 0% (0 out of 7), 14.29% 

(1 out of 7), 28.57% (2 out of 7), 42.86% (3 out of 7), 57.14% (4 out of 7), 71.43% (5 out of 7), 

86.71% (6 out of 7) and 100% (7 out of 7). A score of 0% means that for the specified position 

the amino acid does not appear at all, 14.29% means that the amino acid appears in 1 of the 7 

proteins  in  the set at  that position and so on. For  the gene  libraries, we  initially selected  the 

positions that had an 86.71% frequency of certain amino acids, and only those with a different 

amino acid  in  the  starting gene  (P13006). These amino acids were  changed at each position 

with the most frequent amino acid from the series (with the amino acid present at that position 

in all the other six proteins used in the alignment, but not in the starting gene). There were nine 

positions with these properties and they were changed as follows: S53F, A192T, E310D, I403L, 

Page 40: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 41 

L429I,  I474L, H510N, M528L, M556V1.  If  only  these  positions were  used  for  the  library,  the 

library size would be 29 = 512 mutants. Since the screening capabilities of FACS are far beyond 

this  number,  we  also  looked  at  amino  acid  positions  with  other  frequencies:  71.42%  and 

57.14%.  Using  the  same  overall  approach,  the  following  additional  positions  were  chosen: 

V106I, V293I, I597V, R37K, E374D, R537K and N278D. The final number of substituted positions 

was 16, leading to a library of 65,536 mutants. In order to ensure the entire library is screened, 

100 copies of each clone should be analyzed, making the library size in the range of 107.  

 

After the positions were chosen, site‐directed mutagenesis primers were designed and used 

to  generate multiple mutants.  The  PCR  products were  introduced  into  XL10  Gold  chemical 

competent  cells  as  provided  with  the  kit.  Five  random  clones  were  isolated  and  sent  for 

                                                       1The numbers associated with the mutation position of each amino acid are the numbers corresponding to the mature protein sequence not the alignment sequence.  

Figure 12 Part of positional  frequency  report.  The  first  column  represents  the number of  the positions as  they 

appear from the sequence alignment. Row 1 represents the types of amino acids present in the sequence (all possible 

20 amino acids plus gaps). The report gives for every position the occurrence of each of the 20 possible amino acids. 

Page 41: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 42 

sequencing to verify the distribution of mutations in the clones. As shown in Table 2, nearly all 

the mutations are  represented,  the mutations are uniformly distributed  throughout  the gene 

and no wild‐type clones were detected. The DNA was extracted  from  the E. coli  libraries and 

used  to  transform  S.  cerevisiae  EBY  100  cells.  These  yeast  libraries were  used  for  the  FACS 

experiments. 

Table 2 Random sequence of clones from the consensus library 

Mutations  Clone1  Clone2  Clone3  Clone4  Clone5 

R37K      X   X    

S53F      X     X  

V106I    X        

A192T      X   X   

N278D    X        

V293I      X     

E310D      X      

E374D  X    X     X  

I403L    X   X     

L429I      X    X  

I474L      X     

H510N        X   

M528L           

R537K  X     x    X 

M556V          X  

I597V           

 

Using the consensus approach we obtained 105 different GOx clones multiplied to a library 

containing approximately 107 clones to ensure the entire diversity was available for screening. 

This  is  an optimal  size  for  the  FACS  screening  system because  the  entire population  can be 

screened in one experiment to increase reproducibility. 

 

 

Page 42: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 43 

III.1.3 Enzymatic assay for FACS 

The  tyramide  fluorescein  assay,  which  covalently  stains  the  surface  of  yeast  cells,  has 

previously been  tested using yeast cells expressing GOx  (positive cells) compared  to negative 

control  cells  containing  an  empty  plasmid.  Different mixtures  of  positive  and  negative  cells 

were tested. It can clearly be seen that by increasing the percentage of positive cells in the mix, 

the percentage of stained cells are also increases (Figure 13). It also can be seen that the entire 

population of cells shows an  increase  in florescence. This can be explained by the diffusion of 

the product form the active cells towards the negative cells. 

In  order  to  prevent  this  cross‐talk,  the  assay was  adapted  for  single  emulsions, with  an 

encapsulation efficiency of almost 100%. The emulsion components can be removed after the 

reaction is complete and the cells can be recovered and sorted using FACS without emulsions, 

thus  retaining  a  high  sorting  speed.  The  initial  protocol  required  the  cells  expressing  the 

enzyme  to be mixed with  the components used  in  the enzymatic  reaction  (glucose, HRP and 

tyramide‐fluorescein)  followed  by  a  compartmentalization  step  that  enclosed  all  these 

components  in single emulsions. Since  the compartmentalization step  takes at  least 3 min,  it 

means that the reaction starts before the compartments are formed, allowing a certain amount 

of cross‐talk and thus generating a high background signal. One way to solve this problem is the 

addition of ascorbic acid  to  the  reaction mix  (Radivoje Prodanovic et al. 2011). Ascorbic acid 

delays the start of the reaction by acting as a sacrificial substrate for HRP, which oxidases the 

ascorbic  acid  first  and moves  on  to  the  tyramide  substrate  only when  the  ascorbic  acid  is 

depleted.  The  initiation  of  the  fluorescence  reaction  start  can  thus  be  controlled  by  adding 

different amounts of ascorbic acid. The tyramide‐fluorescein assay cannot be tested using the 

 

Figure 13 Tyramide fluorescein assay using different mixtures of yeast cells expressing GOx (positive cells) and controls lacking the 

GOx gene (negative cells). 

Page 43: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 44 

MTP format because it requires a fluorescent molecule already present in the reaction medium 

to bind  the cell surface.  In other words,  the  fluorescence  is not dependent on  the enzymatic 

reaction, but the  fluorescent molecules are  instead covalently  linked to enzyme molecules on 

the surface of the cells.  

 

We therefore used the APCC assay to optimize the reaction conditions. As shown in Figure 

14,  increasing  the  amount of  ascorbic  acid delays  the  formation of  the  fluorescent product. 

When ascorbic acid and glucose are present at the same concentration, no fluorescent product 

can be detected. To start the fluorescence reaction after the emulsification process is complete, 

the  ratio between  the concentrations of glucose, ascorbic acid and GOx need  to be precisely 

controlled,  which  is  challenging  when  dealing  with  libraries  in  which  the  GOx  activity  is 

unknown. Figure 14 indicates that the optimal reaction contains 0.75 mM ascorbic acid, i.e. the 

product forms after 10 min and the signal is high, but this is not the case when cells are used in 

the system. In the presence of yeast cells, the amount of glucose that needs to be used in order 

to detect a positive reaction is much higher (at least 20 mM as compared to 1.5 mM in the case 

of  soluble  enzyme).  This  is  due  to  the  fact  that  the  cells  themselves  consume  glucose  as  a 

carbon source, depleting the glucose from the reaction mix. The problem is further amplified by 

 

Figure 14 APCC assay in MTP with commercial GOx using 0.5 mM APCC, 1.5 mM glucose, 5U/mL GOx, 

10U/mL HRP and the specified concentrations of ascorbic acid. 

Page 44: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 45 

the fact that in the emulsion (the reaction compartment) the quantity of cell / volume is more 

than 50%. All the drawbacks presented above make the system difficult to use and to adjust. 

The presence of  ascorbic  acid,  and  the encapsulation of  the  initial  reaction within  single 

water‐in‐oil emulsions, reduces the cross‐talk between positive and negative cells. When used 

to sort reference and epPCR libraries, we enriched the positive population from 4.7 to 33‐fold, 

but  it proved  impossible  to achieve a >40% proportion of positive  cells  (R. Prodanovic et al. 

2012).  In order  to overcome  the  above  challenges we have modified  the  assay  to  allow  the 

external  delivery  of  glucose.  This  completely  avoids  any  cross‐talk  between  the  droplets 

because the reaction only starts after the compartments are formed. In addition, antibodies are 

used  to detect GOx molecules present on  the  surface of  the  cells  in order  to determine  the 

specific activity of the enzyme. This makes it possible to use this assay not only as a plus/minus 

screening system but also to select higher activity mutants. 

External  delivery  is  achieved  by  pre‐mixing  all  the  components  needed  for  the  enzyme 

reaction,  except  glucose,  which  is  delivered  to  the  system  when  the  compartments  have 

formed  thus  allowing  the  reaction  to  start.  A  schematic  representation  of  the  process  is 

provided  in  Figure  15.  Glucose  is  delivered  through  the  oil  phase  as  β‐octylglucoside.  This 

compound has a detergent structure and accumulates at the oil‐water interface. In the aqueous 

phase, β‐glucosidase added at the beginning of the emulsification process catalyzes the release 

of glucose from the β‐octylglucoside, thus making glucose available for the GOx reaction in the 

aqueous phase. Once the glucose becomes available, the GOx reaction can start leading to the 

formation of peroxide. Peroxide,  in  the presence of HRP, oxidizes  the phenolic  rings of both 

tyramine  (from  the  tyramide‐fluorescein  substrate)  and  tyrosine  (from  the  proteins  on  the 

surface  of  the  yeast  cell),  creating  phenolic  radicals.  These  phenolic  radicals  polymerize 

amongst themselves and stain the surface of the cells. When the reaction  is complete, the oil 

phase is removed and the cells are analyzed and sorted by FACS.  

There  are  many  advantages  to  this  system.  First,  the  cross‐talk  between  different  cells  is 

completely  eliminated.  Second,  the  concentration of  glucose  available  to  the  system  can be 

precisely controlled. This  is  important  if we wish to select  for kM mutants,  for example, when 

the screening needs  to be performed under glucose  limiting conditions. Also,  the  time of  the 

Page 45: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 46 

reaction can be controlled, which could theoretically allow us to catch the enzymatic reaction 

on  the  linear  slope,  not  the  plateau.  This  feature,  combined  with  the  staining  of  enzyme 

molecules available on the surface of the cells with fluorescence‐labeled antibodies recognizing 

the c‐myc tag, would allow sorting on the basis of specific enzyme activity because it would be 

possible to determine the enzyme activity per number of enzyme molecules. 

 

 

Figure 15 The tyramide‐fluorescein screening system (section II.2.5). 

Page 46: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 47 

III.1.4 FACS Sorting 

III.1.4.1 Survival of yeast cells 

We  tested  the  influence of different assay  components and of FACS  sorting  itself on  the 

survival of  the yeast cells. First,  in order  to determine how FACS  sorting affects cell  survival, 

yeast cells were stained with 7‐aminoactinomycin D (7‐AAD), a fluorescent dye that intercalates 

in double stranded DNA (Steensma, Timm, and Witzig 2003). To access the DNA, the membrane 

needs to be compromised therefore all cells that are stained by this compound are considered 

to be dead.  Figure 16  shows  a  comparison between  cells  stained with 7‐AAD  and unstained 

controls, with the former appearing  in gate P4 and partially in P5. This means that the cells in 

gate P6 are not stained at all and consequently they are alive. Therefore 96 cells from gate P6 

were sorted directly into MTP wells and were grown for 2 days at 27⁰C, 160 rpm in YNB CAA Glu 

medium  (Invitrogen 2002) and  the number of wells  that had growing cells was counted. The 

results showed that 58 clones survived sorting, representing a 60% survival rate. 

 

The effect of the emulsion and reaction components on the survival of the yeast cells are 

presented in Table 3. None of the compounds had a significant influence on cell survival, with 

the exception of the oil used for the emulsification process. Since each mutant in the library is 

represented by at least 100 copies, even after FACS sorting and emulsification there should still 

 

Figure  16.  Flow  cytometric  analysis  of  EBY100  cells  transformed  with  the  empty 

pCTCON2 vector stained with 7‐aminoactinomycin D (7‐AAD). Bivariate histograms showing 

the correlation between side scattering (measurement of size) and fluorescence of 7‐AAD. 

Page 47: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 48 

be at least 20 surviving copies of each clone. Therefore the entire diversity is represented and 

none of it is lost due to the experimental conditions of screening.  

 

Table 3 Influence of different component used in the screening process on cell survival 

  Number 

of cells 

Survival 

rate 

Cells without any other compound  1568  100% 

Cells plus oil  1152  73% 

Cells plus β‐octylglucoside  1528  97% 

Cells plus β‐glucosidase  1544  98% 

Tyramide fluorescein  1502  95% 

 

III.1.4.2 Reference libraries 

In order  to test  the efficiency of  the enzyme assay, we  initially sorted a series of artificial 

reference libraries made by mixing different proportions of yeast cells expressing the wild type 

enzyme and control cells transformed with the empty vector. First, the cells were stained with a 

mouse anti‐c‐myc antibody and then with an anti‐mouse phycoerythrin (PE)‐labeled secondary 

antibody. Positive and negative cells were mixed in different concentrations according to their 

optical density, washed three times with PBS to remove unbound GOx molecules, mixed with 

the  reaction  components  and emulsified  for 3 min  at 8000  rpm  in mineral oil plus Abil  EM. 

When the emulsions were complete, 185 nmol of β‐octylglucoside was added through the oil 

phase (5 µL of 37 mM β‐octylglucoside dissolved in ethanol). The emulsions were shaken gently 

at  room  temperature  for 30 min  after which  the oil phase was  removed and  the  cells were 

analyzed by FACS.  

As shown in Figure 17, there is a clear correlation between the percentage of positive cells 

added to the mix and the number of positive cells observed after the reaction. The cells present 

in gate P4 were  sorted  from  the 0.01%, 0.1%, 1% and 5%  libraries, using yield mode  for  the 

0.01% and 0.1% libraries due to the very low number of cells present in the sorting gate. Single 

cell mode was used for the 1% and 5% libraries. 

Page 48: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 49 

 

Yield mode  increases the speed of sorting and reduces the number of aborted events but 

the purity of the final sorted population is lower. Single cell mode offers the highest purity but 

considerably reduces the sorting speed due to the large number of aborted events. The sorted 

cells were grown for 3 days at 27⁰C, replica‐plated on YNB CAA Gal/Raf plates and incubated for 

another 24 h before carrying out the ABTS agar plate assay. Figure 18 shows an example of cells 

sorted from the 5% reference library using the ABTS agar plate assay to detect positive clones 

before and after sorting. The results from all libraries are summarized in Table 4.  

 

 

 

Figure 18 ABTS agar plate assay  for GOx activity of cells before and after 

sorting of a 5% reference library.

 

Figure 17 FACS  recordings of different mixes of  referent  libraries. Bivariate histograms  showing correlation between FITC 

(measuring  enzyme  activity)  and  PE  fluorescence  (measuring  the  amount  of GOx molecules  on  the  surface  of  the  yeast  cell 

through the c‐myc epitope). (See section II.2.6 of Materials and Methods) 

Page 49: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 50 

As shown  in Table 4, we achieved high enrichment factors for all  libraries proving that the 

sorting  system  is effective. The purity of populations varied depending on  the proportions  in 

the starting library and the sorting mode. The purity obtained for the 0.01% and 0.1% libraries 

was quite  low, partly reflecting the use of yield sorting mode, which means that some events 

lacking  all  the  optimal  parameters  are  sorted  nevertheless. Alternatively,  the minimal  signal 

from the small number of positive cells may be close to background, making the sorting process 

vulnerable to measurements errors. This phenomenon also affects the 1%  library, with a final 

purity of ~50%. Optimal sorting occurs when starting with a 3–5% positive population, resulting 

in  92%  purity.  This means  that  the  best  strategy  for  sorting  libraries  with  a  <5%  starting 

concentration of positive cells would be to carry out a pre‐sorting step in yield mode to enrich 

for positive cells, followed by sorting in single‐cell mode to achieve >90% enrichment. 

 

Table 4 Results from the sorting of different reference libraries 

 

 

 

 

 

 

As  stated  above,  the  number  of  surface  enzyme molecules was  determined  by  antibody 

staining while  the enzyme activity was determined using  the  fluorescein‐tyramide assay. The 

emission spectra of PE and fluorescein overlap,  i.e. fluorescein excited at 488 nm emits  in the 

PE region (Figure 19 a). In order to avoid any compensation problems we decided to use other 

combinations of dyes. One option was  amino‐methyl‐coumarin‐acetate‐tyramide  (AMCA‐Tyr) 

as the substrate  instead of fluorescein tyramide. Even though the emission spectra of the two 

fluorophores do not overlap  (Figure 19 b),  the AMCA  staining  is much  less  intense  than  the 

corresponding fluorescein staining (Figure 20).  

 

 

Reference library   Before sorting  After sorting  Enrichment 

0.01%   0.01%   6.89%   689x  

0.1%   0.1%   7.1%   71x  

1%   1.4%   46.34%   33.1x  

5%  3.3%   92.6%   28x  

Page 50: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 51 

 

 

 

Figure 20 FACS recordings of yeast cells stained with tyramide fluorescein (top) and tyramide AMCA (bottom). 

Double plots representing the forward scattering versus the FITC and AMCA fluorescence, respectively  

 Figure 19 (a). Emission spectra of FITC and PE when using a 488 nm excitation laser. (b). AMCA and PE emission 

spectra at 375 nm (left) and 488 nm (right) excitation. (c). FITC and Alexa fluor 647 emission spectra at 488 nm and 

647 nm excitation. Data obtained using http://www.bdbiosciences.com/research/multicolor/spectrum_viewer/  

Page 51: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 52 

It  appears  that  a  10‐fold  higher  concentration  of  AMCA‐tyramide  is  required  to  achieve 

staining comparable with that of the  fluorescein derivate. Therefore by using AMCA‐tyramide 

instead  of  fluorescein‐tyramide  the  sensitivity  of  the  assay  would  be  reduced  significantly, 

which is not at all desirable. We therefore tested a different secondary antibody,  labeled with 

the alternative  fluorophore Dylight 647. As  shown  in  Figure 19  c,  there  is no  cross‐talk with 

fluorescein but the label is more sensitive than AMCA‐tyramide. 

To  improve  the  screening  system  even  more,  we  decided  to  change  the  order  of  the 

staining procedures. In the original method, the cells were stained with the antibodies first and 

then  compartmentalized within  emulsions  for  the  enzyme  reaction.  This  led  to  the  loss  of 

antibody fluorescence, probably because the cells were washed using oils and detergents that 

could displace the antibody‐antigen bonds when the emulsion components were removed.  In 

order  to avoid  this problem, we decided  to perform  the enzyme  reaction  first and apply  the 

antibodies when the emulsion was removed. The fluorescent staining from the enzyme assay is 

unaffected by the washing steps because the fluorophore  is covalently bonded to cell‐surface 

proteins. 

We have already demonstrated by sorting the reference libraries that the screening system 

is  suitable  for  plus/minus  type  of  sorting with  a  screening  capacity  of  107cells/hour,  but  a 

system that could select cells based on differential activity would be even more valuable. We 

therefore  introduced  certain  modifications  such  as  the  use  of  different  combinations  of 

fluorescent  dyes  to  simultaneously  measure  GOx  activity  and  the  abundance  of  the  GOx 

protein.  The  best  pairing  was  fluorescein‐tyramide  for  the  detection  of  GOx  activity  and 

antibodies coupled  to DyLight 647  to detect GOx molecules, because  these do not  show any 

cross‐talk between channels and have a high sensitivity. This combination of dyes was used to 

compare wild‐type GOx with a mutant that was five times more active. The greatest difference 

in activity was observed at low β‐octylglucoside concentrations, which shows that the reaction 

stops  in  the  linear  region  at  this  concentration  and  that  it  should be possible  to distinguish 

between  mutants  with  different  activities.  However,  due  to  high  standard  deviations  in 

expression  levels between  cells  and  the  small differences  in  fluorescence  levels,  the  current 

sensitivity for discrimination between mutants is approximately a five‐fold difference. 

Page 52: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 53 

III.1.4.3 Sortingtheconsensus libraries  

We pursued  the goal of quantitative screening  for GOx activity by  testing  real  libraries at 

different glucose concentrations. As shown  in Figure 21, more cells can be detected at higher 

glucose concentrations because under these conditions the system can detect even low activity 

clones.  When  lower  concentrations  of  glucose  are  available,  only  the  most  active  clones 

become positive. We therefore used 1.85 nmol β‐octylglucoside for further library screening. 

 

The  libraries were  sorted  twice under  these  conditions  and ~100  clones  from  the  sorted 

population were  tested  in MTP assays. The  rest of  the clones were seeded  into medium and 

GOx  expression  was  induced  before  the  next  round  of  sorting.  Figure  22  shows  that  the 

population of higher activity cells (gated at P1) increases after each round of sorting. 

 

 Figure 22 FACS recordings of a consensus library during multiple rounds of sorting (section II.2.6 ). These are double plots 

of FITC fluorescence (corresponding to enzyme activity) versus APC fluorescence (corresponding to enzyme abundance). 

 Figure  21  FACS  recordings  of  consensus  library  screens  at  three  different  β‐octylglucoside 

concentrations  using  the  protocol  from  section  II.2.6  but  varying  the  concentration  of 

β‐octylglucoside added to the oil phase. These are double plots of FITC fluorescence (corresponding 

to enzyme activity) versus APC fluorescence (corresponding to enzyme abundance).  

Page 53: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 54 

The FACS recordings showed that high concentrations of glucose result  in a  larger number 

of  cells  from  the  library  showing  enzyme  activity,  indicating  that  under  glucose‐limiting 

conditions only higher‐activity clones are detected. Performing multiple  rounds of  sorting on 

this  library  showed  that  the percentage of higher‐activity  clones  increases  after each  round, 

indicating that this system could be used to screen for clones with higher activity. 

III.1.5 MTP assays 

The cells collected  in MTP wells were analyzed using  the ABTS soluble assay with glucose 

concentrations  of  5  mM  (below  kM  of  the  wild‐type  enzyme)  and  250  mM  (saturating 

conditions). This helped  to determine whether  the mutants have an  improved kM or kcat. The 

measurements at 5 mM glucose report any improvement in kM/kcat and those at 250 mM report 

any improvement in kcat.  

The cells were grown for 3–4 days after FACS sorting in 100 μL YNB CAA Glu medium, 450 

rpm,  30°C,  80%  humidity,  then  inoculated  into  100  μL  of  the  same medium  and  incubated 

under the same conditions for 24 h in order to avoid any growth deviation. In the final step, 5 

μL of the saturated culture was inoculated into 25 μL fresh medium and incubated for another 

24 h before 80 μL of Gal medium was added. Enzyme activity was measured after 8 h. Each MTP 

included  three  wild  type  clones  for  expression  and  activity  standardization.  Clones  were 

considered to have no activity if the values were 10 times below those of the wild type enzyme. 

All the values were normalized to the OD600 of the cells  in each well. The data obtained from 

these experiments are presented in Figure 23. The proportion of cells with no activity decreases 

after  each  round  of  sorting  and  the  number  of  higher‐activity  clones  increases.  This  is  in 

accordance with the results obtained by FACS analysis (Figure 22). 

We  selected  approximately 50  clones  that  showed  improved  activity  for  re‐analysis.  Five 

copies of each (one per well) were grown in fresh MTPs in order to control for variation in cell 

growth and expression. The  standard deviation of all measurements was 2.4–17 %. The best 

five  mutants  were  picked,  sequenced  and  prepared  for  further  analysis.  The  mutations 

obtained from the sequencing results are compared with the parent strain in Table 5.  

 

 

Page 54: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 55 

 

 

Table  5  Sequences  of  the  improved mutants  compared with  the  wild  type  gene.  Light  blue  represents mutations 

common to the parent sequence and in purple represents new mutations 

Mutations 

Starting 

parent A2  A2‐1  AS1F5  F9  F9‐1 

T30V  X  X  X  X  X   X 

R37K    X X  X

I94V  X  X  X  X  X   X 

V106I    X  X

A162T  X  X  X  X   X 

V293I    X  

E310D    X  

R537K    X X X  

M556V    X X X X 

 

Three  hundred  clones  with  supposedly  higher  activity  were  sorted  from  the  consensus 

library and analyzed using the ABTS MTP screening system. This assay was optimized for MTPs 

so that the standard deviation never exceeded 17%, making the screening system reproducible 

and reliable. The sorted mutants were compared with the wild type clone and we found that 

the number of active clones increased in each round (as shown with the reference libraries) and 

that  the  number  of  higher‐activity  clones  increased,  showing  that  the  assay  is  quantitative. 

 Figure 23 Activity of GOx mutants after each round of sorting  in MTP assays. We collected 

100 mutants after each round of sorting and  the GOx activity was assessed  for each  individual 

clone at two glucose concentrations, 250 mM (saturation conditions, showing the kcat) and 5 mM 

representing the kM/kcat (see section II.2.6.2) 

Page 55: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 56 

These results match the FACS recordings, which also show a larger proportion of higher‐activity 

clones after each round of sorting. The sequences of the five most active mutants showed that 

certain mutations were present in several of the mutants and could be important for increasing 

GOx activity.  

In  order  to  confirm  the  quantitative  nature  of  the  assay, we  compared  two  clones with 

known activity (wild type vs. A2, which is five times more active). The two cell populations were 

emulsified  with  the  substrates  as  before  and  fed  with  β‐octylglucoside  at  different 

concentrations (185, 18.5 and 1.85 nmol). The emulsions were  incubated for 30 min then the 

emulsion components were removed and  the cells were stained with antibodies as described 

above prior to FACS analysis. There appeared to be no difference between the wild type and A2 

clones at high concentrations of glucose (Figure 24). 

 

Figure  24  FACS  analysis  of wild‐type  and  A2  clones  using  the  tyramide‐fluorescein  assay  at  different 

concentrations  of  β‐octylglucoside.  The  bivariate  histograms  show  FITC  fluorescence  corresponding  to  the 

enzyme activity and APC fluorescence corresponding to the enzyme concentration. 

Page 56: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 57 

However, at  lower  substrate  concentrations we observed a  clear difference between  the 

two clones, probably because in the latter case the reaction stops before it reaches the plateau, 

therefore we can detect  the slope of  the reaction. This suggests  that  it  is possible  to  identify 

differences in activity between clones in a library. 

III.1.6 Cloning in P. pastoris 

The  level of GOx expression  in  the EBY 100 cells  is 1–2 mg/L, with 75% of  the molecules 

linked to the cell surface by disulfide bonds. The amount of enzyme present in the extracellular 

medium (~0.5 mg/L) is too low to determine the kinetic properties accurately. The enzyme can 

be  removed  from  the  cell  surface  by  treating  cells  with  a  reducing  agent  such  as  DTT  or 

β‐mercaptoethanol,  but  this  would  also  destroy  the  intramolecular  disulfide  bonds  and 

denature the enzyme. An additional drawback of the surface display system is that even if the 

enzyme could be purified in sufficient amounts, the N‐terminal and C‐terminal tags might alter 

its kinetic properties. Therefore we needed to express these mutants in larger amounts without 

tags, which  is why  the P. pastoris expression  system was  chosen  for  the purification of GOx 

mutants. We selected P. pastoris KM71H strain  together with  the pICZalphaA vector because 

this has a methanol inducible promoter (Invitrogen 2010).  

Five mutants plus  the wild  type  clone were  inserted  into  the pICZalpha A vector and  the 

sequences were verified. Large quantities of the mutant plasmids were isolated from E. coli and 

linearized  to promote  integration  into  the yeast genome as  single or multiple  copies. Higher 

copy  numbers  tend  to  promote  higher  levels  of  recombinant  protein  expression.  The  best 

performing clones were selected  from among 96 colonies using a MTP assay to detect higher 

production, and were used for scaled‐up fermentation.  

Fermentation  conditions were  optimized  for  the wild‐type  clone  to  determine  the most 

suitable time for expression. The cells were inoculated into BMGY glycerol medium (Invitrogen 

2010)  to  an OD600  of  30  and  then  the  glycerol medium was  removed  by  centrifugation  and 

replaced with  BMGY methanol medium  at  an OD600  of  ~80  (0.1‐0.2  of  the  glycerol medium 

volume). The  cells were adapted  to  the glycerol medium gradually,  starting with one  colony 

seeded into 25 mL medium for 24 h and progressing to higher volumes each with a 24‐h growth 

phase.  The  cells  were  not  allowed  to  enter  the  stationary  phase  because  this  inhibits 

Page 57: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 58 

recombinant protein expression following  induction. After transfer to expression medium, the 

GOx activity was monitored every 24 h and the medium was supplemented with 0.5% methanol 

for induction every day. As shown in Figure 25, the largest amount of protein is obtained after 

fermentation  for 4 d. These  conditions were  therefore  chosen  for  the purification of mutant 

enzymes. We were able to detect 60–80 mg/L of protein under these conditions.  

 

III.1.7 Purification 

After  the  fourth day of expression,  fermentation was  stopped by centrifuging  the cells at 

11,000 x g  for 10 min. We obtained approximately 30–40 mg of GOx  from each mutant. The 

supernatant was  collected  and  filtered  to  remove  any  remaining  cells,  but  30%  of  enzyme 

activity  remained  connected  to  the  cell  surface. We  attempted  to  recover  some  of  these 

proteins by incubating the cells in concentrated salt solution, but the yield was too low and we 

therefore  proceeded  with  the  supernatant  alone.  The  proteins  in  the  supernatant  were 

concentrated to a volume of ~20 mL by cross‐flow ultrafiltration using a 50‐kDa membrane and 

were dialyzed against 10 mM phosphate buffer  (pH 6.0) before  separation on a DEAE 20 mL 

column using a 10–250 mM phosphate buffer gradient (pH 6.0) over 15 column volumes (CVs). 

The GOx peak eluted at ~26% buffer B (130 mM phosphate) as shown in Figure 26. 

 Figure  25  Optimization  of  fermentation  conditions  for  the wild  type  enzyme  using  P.  pastoris 

KM71H cells  (section  II.2.11). After  induction, 1 mL of  fermentation medium was removed every day 

and the activity of GOx was measured using the ABTS MTP assay (section II.2.1). 

Page 58: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 59 

 

All the mutants presented similar peaks and eluted at similar time points. After separation, 

the fractions corresponding to the GOx peak were pooled (~50 mL) and concentrated to 5 mL 

using 10 kDa ultrafiltration centrifugation columns. The protein concentration was measured by 

absorbance  at  280  nm  and  the  same  amount  of  each  mutant  was  loaded  on  a  SDS 

polyacrylamide  gel  which  confirmed  similar  purity  levels  for  each  clone  (Figure  27). 

Approximately 30 mg of each enzyme was  isolated using  this optimized purification method 

and the purity as determined by SDS‐PAGE was in each case sufficient for kinetic analysis.   

 

 Figure  27 Analysis of  purified mutants  by  SDS‐PAGE  (8%  acrylamide), 

with 0.3 mg protein loaded on each lane to compare purity. The amount of 

protein was estimated by absorbance at 280 nm. 

 Figure  26  Separation  of  GOx  mutants  by  DEAE  chromatography  using  the  concentrated 

extracellular medium from Pichia fermentation  loaded onto a HiPrep 16/20 DEAE FF column  (GE 

Healthcare) using 10 mM phosphate pH 6.0 as buffer A and 500 mM phosphate pH 6.0 as buffer B 

with a gradient form 0% B to 60 % B over 15 CV and a flow rate of 2 mL/min (section II.2.12). 

Page 59: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 60 

III.1.8 Kinetic characterization 

The kinetic characterization of  the mutants was performed  in  triplicate MTP ABTS assays, 

with measurements in the range of 1.2–266 mM glucose at pH 5.5 and 7.4. The pH optimum of 

GOx is 5.5, but miniature biofuel cells operating in human blood would need to be highly active 

at physiological pH. Therefore, the screening strategy was devised to select clones with higher 

activity at pH 7.4.  

The data were  fitted on Michaelis‐Menten curves but  the Lineweaver‐Burk, Eadie‐Hofstee 

and  Hanes‐Woolf  curves  were  also  plotted  to  check  for  any  irregularities.  We  decided  to 

exclude  data  showing  high measurement  errors  and  data  representing  outliers  from  these 

curves  but  only  one  point  needed  to  be  removed  since  all  the  other  measurements  had 

standard  deviations  around  5%  and  the  data  points  were  fitted  on  all  equations  with  a 

correlation coefficient of 0.99. Figure 28 shows the curves for the wild‐type enzyme in PBS but 

nevertheless this also represents the appearance of the curves for all mutants.  

 

 

Figure 28 Kinetic data for wild type GOx in PBS 

Page 60: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 61 

The kcat was determined by measuring the enzyme concentrations (absorbance at 280 nm) 

and  the  absorption  of  1.5 mg/mL  of  GOx was  considered  to  yield  one  active  unit  (AU)  as 

calculated  according  to  the  sequence using ProtParam. The  kinetic data of  all mutants were 

measured  in triplicate  in two different days and the  final values, which are averages of all six 

measurements, are presented in Table 6. The maximum standard deviation was 6%. 

 

Table 6 Kinetic constants for all mutants Acetate buffer pH 5.5 

kM average  kcat average Specificity 

constant 

(mM) s‐1 mM‐1∙s‐1 

Wild type 28.26 189.38 6.70 

Parent  15.13 266.37 17.60 

Commercial  23.96 376.03 15.68 

A2  18.93 578.32 30.55 

A21  15.75 466.18 29.59 

F5  16.05 368.16 22.93 

F9  13.05 350.97 26.88 

F19  15.06 321.53 21.34 

PBS buffer pH7.4 

kM average  kcat average Specificity 

constant 

(mM) s‐1 mM‐1∙s‐1 

wt  23.19 130.16 5.61 

parent  14.71 227.99 15.49 

commercial  18.86 372.01 19.72 

A2  13.08 432.17 33.11 

A21  10.93 350.77 32.09 

F5  14.26 308.44 21.62 

F9  10.37 228.36 22.02 

F19  9.53 266.80 27.99 

 

All the mutants showed a 3–4‐fold increase in activity compared to the wild type enzyme at 

pH 5.5, and a 3.6–6‐fold  increase at pH 7.4. This greater  improvement at pH 7.4  reflects  the 

screening conditions we imposed. All the mutants were also 1.3–1.9‐fold more active than the 

Page 61: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 62 

commercial variant of the enzyme, but this is not necessary a relevant comparison because the 

commercial enzyme is produced in A. niger and has different glycosylation pattern. The industry 

fermentation and purification processes for the production of GOx are also different from our 

methods, and the greatly increased scale could influence the determination of kinetic constants 

such as kcat. The commercial amino acid sequence is the same as the wild type variant that we 

used in this project. This variant is expressed in the same vector and strain system as the rest of 

the mutants and purified by the same protocol making the comparison between wild type and 

mutant strains relevant and important.  

III.1.9 Thermal stability measurements 

The thermal stability of the GOx mutants was determined by  incubating the enzyme  in 50 

mM  acetate buffer  (pH 5.5)  at 60°C  in  the  absence of  substrate. Aliquots  from  this  solution 

were withdrawn periodically and the residual activity was measured using the ABTS assay. The 

percentage of residual activity at time t was defined as A(t). This was compared to the activity 

when t = 0, which was arbitrarily considered 100%. By plotting t using an exponential equation 

it was possible to determine the inactivation rate constant (kd) as follows: ∙  

Figure 29  shows  the data  for mutant  F9 but  the other mutants were  similar.  Each point 

represents  an  average  of  three  measurements.  The  half  times  for  thermal  stability  were 

calculated by setting A(t) = 0.5. The values for all mutants are summarized in Table 7. 

 

Page 62: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 63 

 

 

 

Table 7 Thermal stability half times of GOx mutants 

  t1/2 (min)

Parent  9.00

Wild type  10.50

A2   11.74

A2‐1  13.86

AS1F5  11.74

F9   15.75

F9‐1  19.80

Commercial 22.35

 

All the mutants showed higher thermal stability than the parent and wild‐type enzymes, but 

mutant  F9‐1  was  the  best‐performing  mutant  with  double  the  wild‐type  half  time  of 

inactivation.  

III.2 In Vitro Translation (IVT) of Glucose Oxidase 

Thus far we have presented screening systems based on  in vivo expression platforms. Our 

data  show  that  the  encapsulation  of  yeast  cells  in  double  emulsions  is  <10%  efficient.  This 

problem was solved in the case of GOx by using an enzyme assay that directly stains the surface 

 Figure 29 Thermal inactivation curve for mutant F9.  

Page 63: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 64 

of the yeast cell, but the same approach could be more difficult to achieve for other enzymes 

and a  fluorescence assay with a  soluble product  seems more  feasible.  In addition  to  the  low 

encapsulation efficiency of double emulsions,  further difficulties with yeast  in vivo expression 

systems  include  the  low  transformation efficiencies,  low  survival  rates  in different conditions 

thus  narrowing  the  screening  possibilities,  and  the  long  generation  times  (Gietz &  Schiestl, 

2007;(Lindegren  and  Haddad  1954).  The  2–3  hour  generation  interval means  2–3  days  are 

required to recover yeast cells after each round of sorting restricting progress to two rounds of 

evolution per week.  

One  solution  that  could  help  address  all  these  problems  is  the  use  of  in  vitro 

transcription/translation  systems.  This  would  allow  multiple  rounds  of  evolution  to  be 

performed  in  one  day. Most  in  vitro  systems  are  based  on  E.  coli  extracts,  but  this  is  not 

appropriate  for  GOx  because  it  is  a  eukaryotic  glycosylated  enzyme  with  disulfide  bonds 

(Frederick  et  al.  1990).  Previous  attempts  to  express  GOx  in  vivo  in  E  coli  resulted  in  the 

formation of inclusion bodies that had to be solubilized to regain enzyme activity (Witt, Singh, 

and Kalisz 1998). This would not be appropriate for our system because the gene libraries need 

to  be  taken  directly  from  the  PCR  and  compartmentalized  in  emulsions  together  with  the 

transcription/translation mix and the enzyme reaction components. Translation in vitro usually 

takes 4 h (Qiagen 2006) which could be followed by FACS. The DNA from the positive droplets 

would  be  recovered  and  amplified  by  PCR  and  a  new  round  of  evolution  could  be  initiated 

immediately. 

We have chosen insect cell extracts as a more suitable IVT system because a variant of GOx 

was  found  to  be  natively  expressed  in  the  salivary  glands  of  some  insect  larva  suggesting 

compatibility  (Musser  et  al.  2005).  The  first  system  that  we  tried  was  the  insect  cell 

transcription/translation  kit  from  Qiagen  (Qiagen  2006).  Although  the  final  goal  would  be 

transcription directly form a PCR product template, the proper vectors can increase the yield of 

expressed  proteins.  Therefore,  the  wild‐type  GOx  gene  was  cloned  in  vector  pIX4  in  two 

formats,  with  and  without  an  N‐terminal  ‐factor  (AF)  pro‐peptide  sequence  to  direct  the 

protein into the secretory pathway. The manufacturers suggest that some signal peptides may 

not be compatible with the  insect cell‐free extract, therefore we followed the manufacturer’s 

Page 64: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 65 

recommendations  and  included  the  following  reactions  (1)  both  GOx  constructs  with  and 

without additional FAD in the reaction, (2) the positive luciferase control supplied with the kit, 

(3) the negative control without any DNA (also with and without FAD), and (4) a reaction with a 

defined amount of GOx added  to determine whether any  IVT  kit  components  interfere with 

GOx activity. The FAD was added to improve GOx expression because it is a flavin enzyme and 

the presence of FAD is essential in the folding process.  

GOx expression  could not be detected  in  any of  the  samples, whereas  luciferase  activity 

could be detected  in the control sample. The reactions containing added GOx showed normal 

activity meaning  that  the components of  the kit were not  responsible  for  the  loss of enzyme 

activity. The amount of enzyme that could theoretically be produced by this kit was too low for 

detection by Coomassie Brilliant Blue but sufficient for detection by western blot, but no GOx 

antibodies were available and the enzyme was expressed without a tag. Therefore we could not 

determine  whether  or  not  the  enzyme  was  expressed,  or  whether  it  was  expressed  but 

incorrectly folded hence inactive. We therefore attempted to denature and refold the enzyme 

by incubating with Triton X‐100 and sonicating for 10 min (Witt, Singh, and Kalisz 1998). A slight 

increase in absorbance was observed in the samples containing the AF variant but there was no 

increase over time, suggesting the activity remains close to zero (Figure 30). 

 

Because no clear positive results were obtained using the Qiagen kit we used an alternative 

commercial kit  incorporating a coupled  transcription  translation which  is more advantageous 

 Figure 30 ABTS measurements of IVT samples (section II.2.1). 

Page 65: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 66 

for screening  (Promega 2008). As stated above,  the  ideal screening process would create  the 

libraries by PCR and compartmentalize the PCR products in the emulsion for the measurement 

of  expression  and  activity. Where  transcription  and  translation  are  uncoupled,  transcription 

must be carried out separately and  the mRNA must be collected  for  the  translation  reaction, 

which means  that  the emulsions would have  to be broken after  the  first  step and  recreated 

around individual RNA molecules thus destroying the link between the gene and product.  

We cloned the wild type GOx gene in vector pF25A with and without the AF and carried out 

the same reactions as described above for the Qiagen kit. As above, we were unable to detect 

GOx activity  in any of  the  samples. We  carried out an additional experiment which  included 

biotinylated  lysine  tRNA molecules  in  the  translation  reaction,  allowing  the detection of  any 

newly‐synthesized protein by western blot. However no band corresponding to GOx could be 

distinguished in any sample.  

Therefore we can conclude that the insect cell IVT system is not suitable for the expression 

of GOx, at  least  in  its  current  formulation.  It may be possible  to achieve GOx production by 

modifying certain parameters, such as the DNA concentration, the time of expression and the 

temperature, all of which affect translation efficiency. Furthermore, the structure and spacing 

of elements such as the ribosome binding site and 5’ untranslated region can affect translation, 

so different vector systems could be tested. However, IVT systems are expensive and  in order 

to  try  out  all  the  different  possibilities  it would  be  advisable  to  develop  cheaper  and more 

controllable homemade systems.  

III.3 Alginate Bead Selection System for GOx 

Natural evolution shows that the true power of screening  involves selection methods that 

trigger  the  survival of  the  fittest. We have  therefore  attempted  to develop  such  a  selection 

system based on GOx activity, involving the encapsulation of yeast cells inside single emulsions 

together with a tyramide‐alginate, HRP and glucose in such a way that there is only one cell per 

compartment.  When  compartmentalization  is  complete,  the  tyramide  phenolic  groups  are 

polymerized  by GOx  leading  to  formation  of  solid  beads  around  the  cells with GOx  activity. 

When the emulsion components are removed, cells with GOx activity will be enclosed within a 

Page 66: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 67 

solid bead whereas those lacking GOx activity will be free in the medium. The addition of a cell 

wall degrading enzyme such as lyticase will then kill all the cells that are not protected by beads 

therefore  leaving  in  solution  only  those  cells  without  GOx  activity.  This  type  of  screening 

platform would  be more  useful  still  in  combination with  IVT  because  a  solid  compartment 

would form around DNA molecules expressing GOx activity allowing them to be separated from 

non‐enclosed DNA.  

In an  initial set of experiments, we aimed to prove that we can generate beads using HRP 

and externally provided peroxide. Alginate beads were  also prepared using  soluble GOx  and 

cells expressing the enzyme. When the experiment was carried out using 10% FITC‐stained cells 

expressing active GOx, and 90% non‐stained cells lacking GOx, the beads formed mostly around 

the cells expressing GOx (Figure 31).  

 

 Figure 31 Alginate‐tyramide reaction based on GOx activity using a mixture 

of 10% active  cells  stained with FITC and 90% non‐active  cells without  staining 

(section II.3.3). 

Page 67: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 68 

The second step was to determine optimum conditions for lyticase activity. Most available 

protocols use both chemical and enzymatic degradation to kill the cells, but our aim was to find 

appropriate conditions in which the cytotoxicity was entirely attributed to the lyticase activity. 

Therefore we tested different protocols to determine the influence of each component present 

in  the digestion buffer. The best protocol used a  lysis buffer  comprising 50 mM Tris‐HCl  (pH 

7.5), 10 mM EDTA and 0.5% (v/v) β‐mercaptoethanol. The lysis buffer did not affect the survival 

of the cells, but the addition of lyticase killed 97% of the cells.  

The assay was tested on reference libraries containing 5% positive cells and was compared 

to pure  cultures  containing all positive or all negative  cells. The  first experiment killed more 

than  95%  of  the  cells  regardless of  their origin,  suggesting  the  beads were  not  sufficient  to 

protect the cells from the lyticase activity probably because the pore size was large enough to 

allow the relatively small  lyticase enzyme (~40 kDa) to pass through. To reduce the pore size, 

the  beads were  incubated  in  poly‐L‐lysine  solution.  This  reduces  the  pore  size  because  the 

solute  is positively charged, and  therefore coats  the  surface of  the negatively‐charged beads 

(Klein, Stock, and Vorlop 1983). In addition the enzyme molecules were cross‐linked with poly‐

L‐lysine  molecules  using  the  EDAC  coupling  method  (Anjaneyulu  and  Staros  1987).  This 

increased the size of the lyticase without affecting its catalytic activity.  

The  improved protocols were  tested on  the pure  cultures of positive  and negative  cells, 

resulting  in  survival  rates  of  11%  and  7.7%,  respectively.  Although  the  survival  rate  of  the 

positive  cells  was  reproducibly  1.4‐fold  higher,  this  was  not  sufficient  for  a  HTS  system. 

Interestingly, when soluble GOx was added to the cells, the survival rates increased to 26–33%. 

This suggests  that  the assay  is not sensitive enough  for  the  levels of GOx present on  the cell 

surface and that higher GOx expression levels or more tyramide residues are needed to achieve 

stronger alginate polymerization.  

 

 

 

 

Page 68: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 69 

III.4 Directed Evolution of Cellulases 

III.4.1 Enzyme assay 

The  enzyme  assay  for  the  detection  of  cellulase  activity  is  based  on  the  ViPer  assay 

previously  developed  for  GOx  (R.  Prodanovic  et  al.  2012).  The  substrate  3‐carboxy‐7‐(4’‐

aminophenoxy)coumarin  (APCC)  can  be  prepared  from  an  fluorescent  compound  (3‐

carboethoxy‐umbelliferone) and an activated carboxylic aryl group (p‐fluoronitrobenzene). The 

aryl group acts as a cap that is sensitive to oxidation and quenches the fluorescent compound. 

In the presence of peroxidase, the aryl group is removed from the capped fluorogenic substrate 

and the fluorescent compound (3‐carboxy‐7‐hydroxycoumarin) is released. The compound was 

synthesized in our laboratory as previously described (Khanna, Chang, and Ullman 1989). 

As for the GOx assay, an emulsion is required to maintain the connection between the gene 

and  the  product  of  the  enzyme  reaction  (3‐carboxy‐7‐hydroxycoumarin).  This  product  is 

negatively charged and therefore does not diffuse  from the emulsion, and  is compatible with 

FACS.  Unlike  other  cellulase  assays  based  on  fluorescence,  this  one  can  use  any  natural 

cellulase  substrate.  In  theory  any  form  of  cellulose  would  be  suitable,  but  we  chose 

carboxymethylcellulose (CMC) because it is soluble and similar to natural cellulose. The reaction 

scheme is shown in Figure 32. 

Page 69: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 70 

 

The  reaction  was  initially  tested  in  a MTP  format  using  commercial  A.  niger  cellulase, 

resulting  in a 25‐fold  increase  in fluorescence over the control reaction without cellulase. The 

MTP assay was also tested using S. cerevisiae YDH 500 cells expressing cel5A (kindly provided by 

Dr. U. Commandeur) compared to an empty vector control. The four reactions are compared in 

Figure 33, revealing a  lag phase at the beginning of the reaction that can be attributed to the 

time required for cellulase to hydrolyze CMC into units that can be oxidized by HOx. The empty 

cells also show a slight increase in fluorescence that probably reflects the presence of sugars on 

the  surface  of  the  cells,  which  are  oxidized  by  HOx  and  give  a  marginal  increase  over 

background.  

 

Figure 32 Schematic representation of ViPer assay for cellulases. 

Page 70: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 71 

 

 

III.4.2 FACS assay 

After  successfully  establishing  a MTP  format  assay,  we  next  adapted  it  to  work  under 

emulsion  conditions.  The  empty  vector  cells  do  not  create  a  problematic  background  signal 

because their fluorescence remains constant over time. As shown  in Figure 34, the reaction  is 

much  slower within  the  emulsions  and  takes more  than 6 h  to  reach  a  steady  state.  This  is 

challenging because the cells have a low survival rate after 6 h under emulsion conditions which 

interferes with the subsequent FACS analysis.  

 

 

 

 Figure 33 Detection of cellulase activity in MTPs using the ViPer assay.  

Page 71: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 72 

 

Various methods were tested to  increase the assay sensitivity, culminating  in the use of a 

different substrate, namely aminophenoxyfluorescein (APF) (Invitrogen, Carlsbad, USA), whose 

fluorescence intensity is tenfold higher than APCC. Using this substrate, a significant difference 

between the positive and negative cells was observed after 2 hours incubation (Figure 35).  

Reference  libraries were sorted under  the P2 gate directly onto YNB‐CAA Glu agar plates. 

Cells were grown at 27°C for 3 d after sorting and then transferred by replica platting onto YNB 

CAA Gal/CMC plates for the induction of enzyme activity. They were incubated for a further 16–

24 h at 27°C and then tested using a Congo Red assay (Nakazawa et al. 2008) which revealed a 

12‐fold enrichment  in one round of sorting, as shown by halos around the positive colonies in 

Figure 36. The assay is therefore highly efficient for the screening of cellulase diversity libraries.  

Figure 34 FACS analysis of the ViPer cellulase assay over time,  in emulsions containing negative cells (S. cerevisiae 

YPH500 transformed with empty vector pESC‐Trp), positive cells (S. cerevisiae YPH500 transformed with vector pESC‐Trp 

containing cel5A cellulase) and the soluble enzyme (Sigma cellulase from A. niger). These are double plots of UV and FITC 

fluorescence with APCC used as the substrate. The enzyme activity was observed on the UV2 channel.  

Page 72: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I I I . Results and discussion    P a g e  | 73 

 

 

 

A novel florescent assay for the detection of cellulase activity was developed by modifying 

the previously published ViPer assay (R. Prodanovic et al. 2012) used for the detection of GOx. 

The  assay was modified  by  using HOx  to  detect  both monosaccharides  and  polysaccharides 

resulting from cellulase activity and thus has the advantage of compatibility with any natural or 

artificial  cellulose  substrate.  The  MTP  format  assay  revealed  a  25‐fold  difference  in 

fluorescence between the positive and control reaction when using either soluble cellulase of 

cells expressing cellulase. The emulsion  screening  format  showed a  clear difference between 

positive  and  negative  cells  despite  the  long  lag  phase  (4–6  h)  before  sufficient  fluorescent 

product accumulates for detection. In order to increase the sensitivity of the assay so that more 

cells survive for FACS analysis, the APCC fluorogenic substrate was replaced with APF. Using this 

 Figure 36 Reference  libraries  containing positive and negative  cells expressing cellulase activity before and 

after the FACS sorting. Cellulase activity is detected by the formation of halos in the Congo Red agar plate assay. 

 Figure 35  FACS  analysis of  the ViPer  cellulases assay over  time  in emulsions  containing negative  cells  (S. 

cerevisiae YPH500  transformed with  empty  vector pESC‐Trp),  positive  cells  (S.  cerevisiae YPH500  transformed 

with vector pESC‐Trp containing cel5A cellulase) and a reference library with 5% positive cells. These are bivariate 

histograms of forward scattering (FSC) and FITC.  

Page 73: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I V . Final Discussion    P a g e  | 74 

improved  system,  reference  libraries  were  sorted  and  the  active  cellulase  population  was 

increased 12‐fold in one round of sorting. 

IV Final Discussion 

IV.1 Glucose Oxidase Screening Systems 

For the directed evolution of GOx, the wild‐type gene was cloned in a surface display vector 

so  that  the expressed enzyme molecules were covalently  linked onto  the  surface of  the cell. 

This  maintains  the  connection  between  phenotype  and  genotype  at  all  times  during  the 

experiment. The  connection  is  further maintained by  the emulsion  compartments, but  if  the 

enzyme  is  not  initially  linked  covalently  to  the  cell  surface  then  some  enzyme  molecules 

produced  by  one  cell  can  end  up  in  another  compartment  making  the  detection  system 

inaccurate.  Also,  since we were  aiming  to  detect  not  only  the  presence  or  absence  of GOx 

activity but also a  specific activity,  the amount of enzyme molecules present on  the cell and 

responsible for the reaction need to be quantified as precisely as possible. This is not possible 

with  non‐surface  display  systems  because  the  cells  must  be  washed  extensively  during 

emulsification, enzyme  reaction  and  antibody  staining,  resulting  in  the  loss of many enzyme 

molecules and of the correlation between enzyme abundance and activity in the detection step. 

Surface display  is  therefore essential  if  the  tyramide‐fluorescein assay  is used  to quantify  the 

enzyme  as well  as  its  activity.  The  use  of  both N‐  and  C‐terminal  tags may  inhibit  enzyme 

activity but the  impact appeared to be similar across all enzyme variants because the relative 

activity of the wild‐type and different mutants remained the same even if the absolute activity 

was reduced. 

We  increased  the  accuracy  of  the  assay  further  by  delivering  the  substrate  once  the 

compartments had formed. In the initial assay procedure, glucose was included in the reaction 

mix  and  the  reaction  started before emulsification was  completed. The  fluorescein  tyramide 

radicals were  therefore  already  formed before  compartmentalization was  complete  and  this 

lead  to  cross‐staining  of  a  different  cell  than  the  one  producing  the  radical,  reducing  the 

accuracy of the assay and preventing the recovery of >40% positive cells in a sorted population. 

Page 74: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I V . Final Discussion    P a g e  | 75 

In  addition,  the  concentration  of  glucose  available  in  the  assay  could  never  be  precisely 

controlled since the yeast cells fed on the glucose. These problems were solved by the external 

delivery of the substrate in the form of β‐octylglucoside.  

We  also  found  the  optimal  combination  of  fluorescent  dyes  for  the  simultaneous 

measurement of enzyme activity and abundance. The best pairing was fluorescein to measure 

activity  and  DyLight647  to  measure  abundance.  Both  dyes  are  intense  enough  to  ensure 

sensitivity and there is no overlap between their excitation and emission spectra. 

By  testing  the assay with  reference  libraries, we  found  that  it was possible  to enrich  the 

active population of cells. Where the initial percentage of positive cells is <5%, the best strategy 

is to sort initially using yield mode to recover the entire positive population, followed by single 

cell mode to enrich for positive cells. We used the assay to distinguish between the wild‐type 

enzyme and a mutant with five times the wild‐type activity, and found that the populations of 

the two clones could be distinguished at low concentrations of glucose suggesting that it should 

be possible to sort the highly active clones from a mutant library. 

The  GOx  gene  library  was  created  using  the  consensus  approach  by  site  directed 

mutagenesis at 16 amino acid positions. The  library contained 105 different GOx mutants that 

were multiplied 100‐fold to generate a library of 107 clones to ensure all diversity was screened. 

This is necessary because of statistical sampling errors and because some cells are killed during 

the assay (70% survival rate under reaction conditions and 60% survival rate during FACS).  

The library was sorted using the tyramide fluorescein FACS based assay for two consecutive 

rounds using low glucose concentrations and stringent gating in order to increase the likelihood 

of  selecting high‐activity clones. One hundred clones were analyzed after each  sorting  round 

and were compared  to  the wild  type enzyme using a MTP  format assay. The  results  showed 

that the percentage of active clones increased after each round of sorting, reaching 100% after 

the second round, agreeing with  the reference  library experiments. The percentage of higher 

activity  clones  also  increased  after  each  round,  showing  that  the  assay was  suitable  for  the 

quantitative screening of enzyme activity.  

The  mutants  with  the  highest  activity  were  collected  and  re‐analyzed.  The  five  most 

promising candidates were re‐cloned  in P. pastoris expression vectors to remove the tags and 

Page 75: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I V . Final Discussion    P a g e  | 76 

produce  large  amounts  of  native  protein  for  accurate  kinetic  characterization.  Optimized 

fermentation  conditions  yielded  30–40  mg  of  protein  per  liter  of  fermentation  medium, 

although 30% remained tightly attached to the cell surface and this could not be recovered. The 

mutants  were  purified  from  the  fermentation  media  by  ultrafiltration  and  DEAE 

chromatography resulting in approximately 10–20 mg of highly pure protein.  

The kinetic parameters of all the mutants and the wild‐type enzyme were determined using 

the ABTS assay and the data were fitted on the Michaelis‐Menten equation. The screening was 

performed at pH 7.4 to favor the recovery of mutants that would function at the physiological 

pH of human blood. All  five mutants showed higher activity than wild‐type at their native pH 

but the difference was more pronounced at pH 7.4. The best‐performing mutant was A2 with a 

1.7‐fold  lower kM, a 3.3‐fold higher kcat and a 5.8‐fold higher specificity constant. Mutant F9‐1 

showed twice the thermostability as the parent and the wild type enzymes. The stability of the 

A2 mutant was similar to wild type suggesting that a combination of the mutations present  in 

these mutants could produce a synergic mutant with higher activity and thermostability. 

IV.1.1 In vitro translation 

Despite the success of in vivo expression systems for GOx, their drawbacks include the low 

transformation  efficiency  of  yeast  cells  (maximum  106/µg  of  DNA)  which  reduces  diversity 

unless  a  high  number  of  transformation  reactions  are  performed.  Additionally  the  2–3  day 

recovery time after sorting (reflecting the long generation interval of yeast cells) suggests that 

only two rounds of evolution can be achieved per week. The potential of directed evolution can 

be increased by eliminating these bottlenecks and reducing the screening time.  

Another  problem  with  cell‐based  systems  is  the  variable  survival  rates  under  different 

conditions, narrowing thus the properties that can be tested by screening. The high‐throughput 

in vivo  formats assay  the properties of each  individual cell, whereas  the MTP  format screens 

populations of (supposedly identical) cells. MTP screening always involves a master plate from 

which  clones  can  be  recovered  if  cells  are  killed  during  screening.  This makes  it  possible  to 

screen e.g.  for  thermostability  and oxidative  stability because  the  integrity of  the  cell  is not 

important and killed cells can be replaced. We encountered these while working with GOx but 

they also apply to other enzyme classes.  

Page 76: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I V . Final Discussion    P a g e  | 77 

One solution to all these problems would be the development of an assay based on in vitro 

translation  (IVT),  which  would  circumvent  the  limitations  of  transformation,  reduce  the 

generation time to a few hours thus allowing up to three rounds of evolution per day and all 

direct HTS  for  thermostability because DNA  is not affected at high  temperatures  in  the same 

way  as  cells.  For  GOx  screening, we were  able  to  develop  an  assay  based  on  the  covalent 

staining of  the  yeast  cells  surface but  such adaptations may not be possible  for many other 

enzymes. Developing a fluorescence assay with a soluble product would be simpler, but double 

emulsions would be  required  to maintain  the connection between  the gene and  the enzyme 

activity  during  screening.  However  the  encapsulation  efficiency  of  yeast  cells  in  double 

emulsions  is  ~10%  and  even  E.  coli  cells  cannot  exceed  ~25%, meaning  that  a  lot  of  empty 

droplets would be present in the mix. IVT systems would increase the encapsulation efficiency 

and allow the use of smaller and more homogeneous emulsions. 

Unfortunately,  our  attempts  to  express  GOx  by  IVT  using  insect  cell  extracts  were  not 

successful.  However,  there  are  numerous  potential  solutions  such  as  varying  the  DNA 

concentration, using different expression vectors or changing the temperature. Another option 

is to use different cell free extracts, e.g. yeast cells, wheat germ or E. coli. 

IV.1.2 Alginate bead selection system for GOx 

We developed a novel  selection system based on GOx activity by using alginate modified 

with  tyramide  residues. The  reaction  involves  the detection of hydrogen peroxide  formed by 

GOx, and  this  is used by HRP  to polymerize  the phenolic groups of  tyramide  resulting  in  the 

formation of  solid  compartments  around  cells expressing GOx. When  lyticase  is  added,  cells 

that are not protected by the alginate compartments are killed. We were able to demonstrate 

the  formation  of  stable  compartments  preferentially  around  cells  expressing GOx  despite  a 

certain amount of  cross‐talk. However no enrichment  for GOx‐positive  cells was observed  in 

different reference libraries after lyticase treatment and even population of 100% GOx‐positive 

cells showed  less than 3% survival suggesting that the alginate beads did not protect the cells 

against lyticase activity.  

We addressed this challenge by using poly‐L‐lysine to reduce the pore size of the beads and 

to  increase the size of  lyticase by cross‐linking. Unfortunately, even after these  improvements 

Page 77: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

I V . Final Discussion    P a g e  | 78 

there was  no  enrichment  of  the  reference  libraries  and  the  survival  rate  in  the  100% GOx‐

positive cells remained at 3%. However, by adding soluble GOx  the survival  rate  increased  to 

33%, suggesting that the GOx activity on the cell surface  is not sufficient to  induce significant 

polymerization of the tyramide‐alginate.  

IV.1.3 Cellulase assay 

We developed a new florescence assay for the detection of cellulase activity by modifying 

the ViPer GOx assay described before.  Instead of GOx for the detection of glucose monomers 

resulting from cellulase activity, we used HOx. This has broader substrate specificity than GOx 

and can oxidize both monosaccharides and oligosaccharides. Glucose is an uncommon product 

of cellulase degradation so this improvement in the assay is considerable, theoretically allowing 

the  use  of  any  cellulosic  substrate.  However, we  used  CMC  to  test  the  assay  because  it  is 

soluble and similar to natural cellulose.  

Initial MTP tests using soluble cellulase and the fluorogenic substrate APCC revealed a 25‐

fold  difference  in  fluorescence  between  reactions  containing  soluble  cellulase  and  controls 

lacking the enzyme. A lag phase was observed before the detection of fluorescence, which can 

be attributed to the time needed for the cellulase to produce saccharides that can be oxidized 

by HOx. Similar results were obtained when the soluble cellulase was replaced with yeast cells 

expressing  cellulase.  The  control  cells  (empty  vector)  also  generated  some  background 

fluorescence probably reflecting the oxidation of sugar residues on the cell surface, but unlike 

the cellulase‐expressing cells  this  fluorescence did not  increase over  time, resulting  in a clear 

difference between positive and negative cells by the assay end‐point.  

This optimized assay was used  to detect cellulase activity  inside double emulsions. When 

soluble cellulase was used we could detect fluorescence immediately after emulsification even 

though the signal was relatively low. When positive cells were used, a clear difference between 

positive and negative cells was observed only after 4 to 6 h of  incubation, at which point the 

survival of  the  cells was  compromised. We  therefore  replaced  the APCC  substrate with APF, 

which has a ten‐fold higher quantum yield making the assay ten times more sensitive. With this 

substrate,  fluorescence could be detected after 2 h of  incubation. A 5% reference  library was 

Page 78: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V . Conclusions    P a g e  | 79 

sorted using  this assay and 12‐fold enrichment of  the positive population was achieved after 

one sorting round, validating the use of this screening system. 

V Conclusions

We have developed a new and improved version of the previously‐ tyramide‐fluorescein 

assay for GOx (Radivoje Prodanovic et al. 2011) that avoids cross‐talk between droplets. 

We  developed  a  new  procedure  for  the  external  delivery  of  glucose  through  the  oil 

phase  in  the  form  of  ‐octylglucoside,  allowing  substrate  delivery  after 

compartmentalization is completed. 

We modified the assay to include the surface display of GOx variants bearing an epitope 

that allows quantitation using antibodies. 

The sorting of reference libraries using the new assay resulted in up to 90% enrichment 

for positive cell populations. 

Libraries  containing  105  different  GOx  mutants  were  created  using  the  consensus 

approach and 107 (100 copies of each) were screened using the new fluorescence assay. 

A purity of 99% positive clones was obtained after only two rounds of sorting. 

The  proposed  assay  can  be  used  to  screen  for  higher‐activity  clones,  not  only  as  a 

plus/minus  system. This was demonstrated after  two  rounds of  sorting, by  increasing 

the percentage of higher‐activity clones six‐fold. 

By sorting the consensus libraries, we isolated five mutants with 3–5.8‐fold more activity 

than the wild type GOx. 

One of the mutants demonstrated twice the thermal stability of the wild‐type enzyme. 

An alginate/tyramide‐based  selection  system was developed  for  the detection of GOx 

activity. 

The assay showed promising  results because beads  formed preferentially around cells 

expressing GOx activity. 

However when lyticase was added to the system, all the cells were killed suggesting that 

the beads do not protect the cells against lyticase activity. 

Page 79: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V . Conclusions    P a g e  | 80 

Cells  survive  only  when  high  concentrations  of  soluble  GOx  are  added  to  the 

compartments, suggesting that more GOx needs to be expressed on the cell surface or 

more tyramine molecules are needed on the modified alginate. 

A new high‐throughput fluorescence assay based on FACS screening in double emulsions 

was developed for the detection of cellulase activity, which can be used with any natural 

cellulosic substrate. 

The assay is based on the detection of cellulase hydrolysis products using an enzymatic 

cascade which leads to the formation of a fluorescent product. 

Using  this  assay,  reference  cellulase  libraries were  screened  and  60%  enrichment  for 

positive cells could be achieved after only one round of sorting. 

   

Page 80: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I . List of Abbreviations    P a g e  | 81 

VI ListofAbbreviations

ABTS   2,2′‐azino‐bis(3‐ethybenz‐thiazoline‐6‐sulfonic acid  

3D  tree dimensional (associate with protein structure) 

7‐AAD  7‐Aminoactinomycin D

AF  pre‐pro‐alpha factor signal sequence 

AMCA  amino‐methyl‐coumarin‐acetate

AMCA‐Tyr  amino‐methyl‐coumarin‐acetate Tyramine

APCC  3‐Carboxy‐7‐(4’‐aminophenoxy)‐coumarine 

APF  Aminophenoxy fluorescein

BLAST  basic local alignment search tool – an algorithm for comparing primary biological 

sequence information 

BMGY  Buffered Glycerol Yeast complex medium (see II.1.4) 

BMMY  Buffered Methanol Yeast complex medium (see II.1.4)

bp   base pair  

CMC  carboxy‐methyl cellulose

CV   column volume  

d  day 

DMF  dimethylformamide  

DMSO  dimethylsulfoxide  

DNA   2’‐Desoxynucleotide‐5’‐triphosphate  

DNase  deoxyribonuclease I 

DNS  3,5‐diniotrosalycilic acid (referred either to this chemical or to the method that use it) 

dNTP  desoxyribonucleicacid 

DTT  dithiothreitol 

EDAC  1‐Ethyl‐3‐[3‐dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride 

EDTA  ethylenediaminetetraacetic acid 

epPCR   Error‐prone polymerase chain reaction  

ER  endoplasmic reticulum

Page 81: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I . List of Abbreviations    P a g e  | 82 

FACS  fluorescence activated cell sorting

FAD   flavin adenine dinucleotide  

Fc IgG  fragment c of IgG 

FCS  forward scattering 

FITC  Fluorescein isothiocyanate

Gal  galactose 

Glu  glucose 

GOx   glucose oxidase  

h   hour  

Hox  hexose oxidase 

HPLC   high performance liquid chromatography  

HRP   horseradish peroxidase  

HTS  high throughput screening  

HTS   high throughput screening  

IgG  immunoglobulin G 

IUPAC  international union of pure and applied chemistry 

IVT  in vitro translation 

kcat   catalytic constant  

kM   Michaelis‐Menten constant  

LB   medium Luria‐Bertani medium 

LMO  light mineral oil 

min   minute  

mM   millimolar  

mol   mol  

MTP  microtiter plate 

NHS  N‐hydroxysuccinimide

nm   nanometer  

OD   optical density  

PAGE   polyacrylamide gel electrophoresis  

Page 82: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I . List of Abbreviations    P a g e  | 83 

PBS  phosphate buffer saline

PCR   polymerase chain reaction 

Pfu‐Pol   Pyrococcus furiosus DNA polymerase

pH  Pondus hydrogenii ("power of hydrogen") – pH is defined as the decimal logarithm of 

the reciprocal of the hydrogen ion activity 

PLL  poly‐L‐lysine  

PTFE  polytetrafluoroethylene – in this thesis, the reference is to the material used to made 

microbiological filters 

Raf  raffinose 

RNA  ribonucleic acid 

rpm   rotation per minute 

SDS   sodium dodecyl sulfate 

Span 80  a commercial name of a nonionic surfactant (Sorbitane monooleate) 

Taq DNA Pol  Thermus aquaticus DNA polymerase

Tris‐HCl   a buffer made with Tris(hydroxymethyl) aminomethane hydrochloride and 

hydrochloric acid 

Triton X‐100   comercial name of a nonionic surfactant (octyl phenol ethoxylate) 

tRNA  transfer RNA 

U   units 

UV   ultraviolet 

v/v  volulme / volume – referred to solutions (mixtures) preparation 

Vmax  maximum reaction speed

VnBrPO  vanadium bromo perodidase 

w/v  weight / volume – referred to solutions (mixtures) preparation 

w/w  weight / weight – referred to solutions (mixtures) preparation 

Wt   wild type 

YNB CAA 

Glu/Gal, Raf  

Yeast Nitrogen Base Casamino Acids media(see II.1.2) 

YPD   yeast extract/peptone/dextrose medium (see II.1.3) 

Page 83: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 84 

VII Literature

Agrawal, Abinash, and Paul G. Tratnyek. 1996. “Reduction of Nitro Aromatic Compounds by Zero‐Valent Iron Metal.” Environmental Science & Technology 30 (1) (January): 153–160. doi:10.1021/es950211h. http://dx.doi.org/10.1021/es950211h. 

Aharoni, Amir, Gil Amitai, Kalia Bernath, Shlomo Magdassi, and Dan S Tawfik. 2005. “High‐throughput Screening of Enzyme Libraries: Thiolactonases Evolved by Fluorescence‐activated Sorting of Single Cells in Emulsion Compartments.” Chemistry & Biology 12 (12) (December): 1281–9. doi:10.1016/j.chembiol.2005.09.012. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16356845. 

Aharoni, Amir, Karena Thieme, Cecilia P C Chiu, Sabrina Buchini, Luke L Lairson, Hongming Chen, Natalie C J Strynadka, Warren W Wakarchuk, and Stephen G Withers. 2006. “High‐throughput Screening Methodology for the Directed Evolution of Glycosyltransferases.” Nature Methods 3 (8): 609–614. doi:10.1038/NMETH899. 

Anjaneyulu, P S, and J V Staros. 1987. “Reactions of N‐hydroxysulfosuccinimide Active Esters.” International Journal of Peptide and Protein Research 30 (1) (July): 117–24. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3667072. 

Anon. 2009. World Enzymes Market. http://www.reportlinker.com/p0148002‐summary/World‐Enzymes‐Market.html. 

Arnold, F H, and A A Volkov. 1999. “Directed Evolution of Biocatalysts.” Current Opinion in Chemical Biology 3 (1) (February): 54–9. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10021399. 

De Baetselier, A, A Vasavada, P Dohet, V Ha‐Thi, M De Beukelaer, T Erpicum, L De Clerck, J Hanotier, and S Rosenberg. 1991. “Fermentation of a Yeast Producing A. Niger Glucose Oxidase: Scale‐up, Purification and Characterization of the Recombinant Enzyme.” Bio/technology (Nature Publishing Company) 9 (6) (June): 559–61. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1367226. 

Baron, A J, C Stevens, C Wilmot, K D Seneviratne, V Blakeley, D M Dooley, S E Phillips, P F Knowles, and M J McPherson. 1994. “Structure and Mechanism of Galactose Oxidase. The Free Radical Site.” Journal of Biologycal Chemistry 269 (40) (October): 25095–25105. http://www.jbc.org/cgi/content/abstract/269/40/25095. 

Becker, D M, and L Guarente. 1991. “High‐efficiency Transformation of Yeast by Electroporation.” Methods in Enzymology 194 (January): 182–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2005786. 

Becker, Stefan, Hans‐Ulrich Schmoldt, Thorsten Michael Adams, Susanne Wilhelm, and Harald Kolmar. 2004. “Ultra‐high‐throughput Screening Based on Cell‐surface Display and Fluorescence‐activated Cell Sorting for the Identification of Novel Biocatalysts.” Current Opinion in Biotechnology 15 (4) (August): 323–9. doi:10.1016/j.copbio.2004.06.001. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15296929. 

Bernath, Kalia, Mingtan Hai, Enrico Mastrobattista, Andrew D Griffiths, Shlomo Magdassi, and Dan S Tawfik. 2004. “In Vitro Compartmentalization by Double Emulsions: Sorting and Gene Enrichment by Fluorescence Activated Cell Sorting.” Analytical Biochemistry 325 (1) (February 1): 151–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14715296. 

Bertani, G. 1951. “Studies on Lysogenesis. I. The Mode of Phage Liberation by Lysogenic Escherichia Coli.” Journal of Bacteriology 62 (3) (September): 293–300. 

Page 84: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 85 

http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=386127&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Bhat, M K. 2000. “Cellulases and Related Enzymes in Biotechnology.” Biotechnology Advances 18 (5) (August): 355–83. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14538100. 

Biles, Benjamin D, and Bernard A Connolly. 2004. “Low‐fidelity Pyrococcus Furiosus DNA Polymerase Mutants Useful in Error‐prone PCR.” Nucleic Acids Research 32 (22) (January): e176. doi:10.1093/nar/gnh174. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=545472&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

BIO030F. 2011. Enzymes in Industrial Applications: Global Markets. Boder, Eric T., and K Dane Wittrup. 1997. “Yeast Surface Display for Screening Combinatorial 

Polypeptide Libraries.” Nature Biotechnology 15 (6) (June): 553–7. doi:10.1038/nbt0697‐553. http://dx.doi.org/10.1038/nbt0697‐553. 

Boschker, H T, T E Cappenberg, and A Sensitive Method Using. 1994. “A Sensitive Method Using 4‐methylumbelliferyl‐beta‐cellobiose as a Substrate to Measure (1,4)‐beta‐glucanase Activity in Sediments.” Applied and Environmental Microbiology 60 (10) (October): 3592–6. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=201860&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Brake, A J, J P Merryweather, D G Coit, U A Heberlein, F R Masiarz, G T Mullenbach, M S Urdea, P Valenzuela, and P J Barr. 1984. “Alpha‐factor‐directed Synthesis and Secretion of Mature Foreign Proteins in Saccharomyces Cerevisiae.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 81 (15) (August): 4642–6. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=391546&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Bright, H J, and M Appleby. 1969. “The pH Dependence of the Individual Steps in the Glucose Oxidase Reaction.” The Journal of Biological Chemistry 244 (13) (July 10): 3625–34. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/5794229. 

Cadwell, R C, and G F Joyce. 1992. “Randomization of Genes by PCR Mutagenesis.” PCR Methods and Applications 2 (1) (August): 28–33. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1490172. 

Campana, Dario, and Elaine Coustan‐Smith. 2004. “Minimal Residual Disease Studies by Flow Cytometry in Acute Leukemia.” Acta Haematologica 112 (1‐2) (January): 8–15. doi:10.1159/000077554. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15178999. 

Cappellaro, Corinna, Karin Hauser, Vladimir Mrsa, Manfred Watzele, Gabriele Watzele, Claudia Gruber, Widmar Tanner, and V Mrśa. 1991. “Saccharomyces Cerevisiae a‐ and Alpha‐agglutinin: Characterization of Their Molecular Interaction.” The European Molecular Biology Organization Journal 10 (13) (December): 4081–8. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=453156&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Carraway, K L, and R B Triplett. 1970. “Reaction of Carbodiimides with Protein Sulfhydryl Groups.” Biochimica Et Biophysica Acta 200 (3) (March 31): 564–6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/5461755. 

Page 85: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 86 

Chan, L W, P W Heng, and L S Wan. 1997. “Effect of Cellulose Derivatives on Alginate Microspheres Prepared by Emulsification.” Journal of Microencapsulation 14 (5): 545–55. doi:10.3109/02652049709006808. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9292431. 

Chilvers, K.F., J.D. Perry, A.L. James, and R.H. Reed. 2001. “Synthesis and Evaluation of Novel Fluorogenic Substrates for the Detection of Bacterial Beta‐galactosidase.” Journal of Applied Microbiology 91 (6) (December): 1118–1130. doi:10.1046/j.1365‐2672.2001.01484.x. http://doi.wiley.com/10.1046/j.1365‐2672.2001.01484.x. 

Cirino, Patrick C, Kimberly M Mayer, and Daisuke Umeno. 2003. “Generating Mutant Libraries Using Error‐prone PCR.” Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 231 (January): 3–9. doi:10.1385/1‐59259‐395‐X:3. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12824595. 

Coco, W M, W E Levinson, M J Crist, H J Hektor, A Darzins, P T Pienkos, C H Squires, and D J Monticello. 2001. “DNA Shuffling Method for Generating Highly Recombined Genes and Evolved Enzymes.” Nature Biotechnology 19 (4) (April): 354–9. doi:10.1038/86744. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11283594. 

Cohen, N, S Abramov, Y Dror, and A Freeman. 2001. “In Vitro Enzyme Evolution: The Screening Challenge of Isolating the One in a Million.” Trends in Biotechnology 19 (12) (December): 507–10. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11711194. 

Coleman, D.J., MJ Studler, and JJ Naleway. 2007. “A Long‐wavelength Fluorescent Substrate for Continuous Fluorometric Determination of Cellulase Activity: resorufin‐beta‐D‐cellobioside.” Analytical Biochemistry 371 (2) (December 15): 146–53. doi:10.1016/j.ab.2007.08.027. http://dx.doi.org/10.1016/j.ab.2007.08.027. 

Coradin, T, N Nassif, and J Livage. 2003. “Silica‐alginate Composites for Microencapsulation.” Applied Microbiology and Biotechnology 61 (5‐6) (June): 429–34. doi:10.1007/s00253‐003‐1308‐5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12700874. 

Craig, Fiona E, and Kenneth A Foon. 2008. “Flow Cytometric Immunophenotyping for Hematologic Neoplasms.” Blood 111 (8) (April 15): 3941–67. doi:10.1182/blood‐2007‐11‐120535. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18198345. 

Dashtban, Mehdi, Miranda Maki, Kam Tin Leung, Canquan Mao, and Wensheng Qin. 2010. “Cellulase Activities in Biomass Conversion: Measurement Methods and Comparison.” Critical Reviews in Biotechnology 30 (4) (December): 302–9. doi:10.3109/07388551.2010.490938. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20868219. 

Dashtban, Mehdi, Heidi Schraft, and Wensheng Qin. 2009. “Fungal Bioconversion of Lignocellulosic Residues; Opportunities & Perspectives.” International Journal of Biological Sciences 5 (6) (January): 578–95. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2748470&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Daugherty, P S, B L Iverson, and G Georgiou. 2000. “Flow Cytometric Screening of Cell‐based Libraries.” Journal of Imunological Methods 243 (1‐2) (September 21): 211–27. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10986416. 

Doi, N, and H Yanagawa. 1999. “Design of Generic Biosensors Based on Green Fluorescent Proteins with Allosteric Sites by Directed Evolution.” FEBS Letters 453 (3) (June 25): 305–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10405165. 

Draget, Kurt Ingar, Bjørn T Stokke, Yoshiaki Yuguchi, Hiroshi Urakawa, and Kanji Kajiwara. 2003. “Small‐angle X‐ray Scattering and Rheological Characterization of Alginate Gels. 3. Alginic 

Page 86: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 87 

Acid Gels.” Biomacromolecules 4 (6): 1661–8. doi:10.1021/bm034105g. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14606893. 

Farkas, V., Maria Lisikova, and P. Biely. 1985. “Novel Media for Detection of Microbial Producers of Cellulase and Xylanase.” FEMS Microbiology Letters 28 (2) (June): 137–140. doi:10.1111/j.1574‐6968.1985.tb00779.x. http://doi.wiley.com/10.1111/j.1574‐6968.1985.tb00779.x. 

Feldhaus, Michael J, Robert W Siegel, Lee K Opresko, James R Coleman, Jane M Weaver Feldhaus, Yik A Yeung, Jennifer R Cochran, et al. 2003. “Flow‐cytometric Isolation of Human Antibodies from a Nonimmune Saccharomyces Cerevisiae Surface Display Library.” Nature Biotechnology 21 (2) (February): 163–70. doi:10.1038/nbt785. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12536217. 

Fernández Morató, J, L Ilzarbe Sánchez, J Bessa Caserras, and J Mateu de Antonio. 2009. “[Cellulase Treatment in 3 Cases of Large Phytobezoars].” Farmacia Hospitalaria : Órgano Oficial De Expresión Científica De La Sociedad Española De Farmacia Hospitalaria 33 (2): 100–3. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19480798. 

Fields, S, and O Song. 1989. “A Novel Genetic System to Detect Protein‐protein Interactions.” Nature 340 (6230) (July 20): 245–6. doi:10.1038/340245a0. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2547163. 

Frederick, K R, J Tung, R S Emerick, F R Masiarz, S H Chamberlain, A Vasavada, S Rosenberg, S Chakraborty, L M Schopfer, and L M Schopter. 1990. “Glucose Oxidase from Aspergillus Niger. Cloning, Gene Sequence, Secretion from Saccharomyces Cerevisiae and Kinetic Analysis of a Yeast‐derived Enzyme.” The Journal of Biological Chemistry 265 (7) (March 5): 3793–802. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2406261. 

Fujii, Ryota, Motomitsu Kitaoka, and Kiyoshi Hayashi. 2006. “RAISE: a Simple and Novel Method of Generating Random Insertion and Deletion Mutations.” Nucleic Acids Research 34 (4) (January): e30. doi:10.1093/nar/gnj032. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1380258&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Fujita, Yasuya, Shouji Takahashi, Mitsuyoshi Ueda, Atsuo Tanaka, Hirofumi Okada, Yasushi Morikawa, Takashi Kawaguchi, Motoo Arai, Hideki Fukuda, and Akihiko Kondo. 2002. “Direct and Efficient Production of Ethanol from Cellulosic Material with a Yeast Strain Displaying Cellulolytic Enzymes.” Applied and Environmental Microbiology 68 (10) (October): 5136–41. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=126432&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Fukuoka, Tokuma, Hiroshi Uyama, and Shiro Kobayashi. 2004. “Polymerization of Polyfunctional Macromolecules: Synthesis of a New Class of High Molecular Weight Poly(amino Acid)s by Oxidative Coupling of Phenol‐containing Precursor Polymers.” Biomacromolecules 5 (3): 977–83. doi:10.1021/bm034490+. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15132690. 

Furukawa, Kensuke. 2003. “‘Super Bugs’ for Bioremediation.” Trends in Biotechnology 21 (5) (May): 187–90. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12727376. 

G Wagner, J, D W Schmidtke, C P Quinn, T F Fleming, B Bernacky, and A Heller. 1998. “Continuous Amperometric Monitoring of Glucose in a Brittle Diabetic Chimpanzee with a Miniature Subcutaneous Electrode.” Proceedings of the National Academy of Sciences of 

Page 87: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 88 

the United States of America 95 (11): 6379–6382. http://www.mendeley.com/research/continuous‐amperometric‐monitoring‐glucose‐brittle‐diabetic‐chimpanzee‐miniature‐subcutaneous‐electrode/. 

Georgiou, G. 2000. “Analysis of Large Libraries of Protein Mutants Using Flow Cytometry.” Advances in Protein Chemistry 55 (January): 293–315. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11050937. 

Gietz, R Daniel, and Robert H Schiestl. 2007. “High‐efficiency Yeast Transformation Using the LiAc/SS Carrier DNA/PEG Method.” Nature Protocols 2 (1) (January): 31–4. doi:10.1038/nprot.2007.13. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17401334. 

Van Gijlswijk, R P, H J Zijlmans, J Wiegant, M N Bobrow, T J Erickson, K E Adler, H J Tanke, and A K Raap. 1997. “Fluorochrome‐labeled Tyramides: Use in Immunocytochemistry and Fluorescence in Situ Hybridization.” The Journal of Histochemistry and Cytochemistry: Official Journal of the Histochemistry Society 45 (3) (March): 375–82. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9071319. 

Givan, A L. 2001. “Principles of Flow Cytometry: An Overview.” Methods in Cell Biology 63 (January): 19–50. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11060835. 

Godfrey, T., and S. West. 1996. Introduction to Industrial Enzymology. Ed. T. Godfrey and S. West. 2nd ed. Macmillan Press. 

Green, F, C A Clausen, and T L Highley. 1989. “Adaptation of the Nelson‐Somogyi Reducing‐sugar Assay to a Microassay Using Microtiter Plates.” Analytical Biochemistry 182 (2) (November 1): 197–9. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2610335. 

Gumulya, Yosephine, and Manfred T Reetz. 2011. “Enhancing the Thermal Robustness of an Enzyme by Directed Evolution: Least Favorable Starting Points and Inferior Mutants Can Map Superior Evolutionary Pathways.” Chembiochem : a European Journal of Chemical Biology 12 (16) (September 13): 2502–2510. doi:10.1002/cbic.201100412. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21913300. 

Hankin, L, and S L Anagnostakis. 1977. “Solid Media Containing Carboxymethylcellulose to Detect CX Cellulose Activity of Micro‐organisms.” Journal of General Microbiology 98 (1) (January): 109–15. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/401863. 

Hansen, O. C., and P. Stougaard. 1997. “Hexose Oxidase from the Red Alga Chondrus Crispus.” The Journal of Biological Chemistry 272 (17): 11581–11587. 

Hatzinikolaou, D G, O C Hansen, B J Macris, A Tingey, D Kekos, P Goodenough, and P Stougaard. 1996. “A New Glucose Oxidase from Aspergillus Niger: Characterization and Regulation Studies of Enzyme and Gene.” Applied Microbiology and Biotechnology 46 (4) (November): 371–81. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8987726. 

Helbert, William, Henri Chanzy, Tommy Lykke Husum, Martin Schülein, and Steffen Ernst. 2003. “Fluorescent Cellulose Microfibrils as Substrate for the Detection of Cellulase Activity.” Biomacromolecules 4 (3): 481–7. doi:10.1021/bm020076i. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12741760. 

Heng, P W S, L W Chan, and T W Wong. 2003. “Formation of Alginate Microspheres Produced Using Emulsification Technique.” Journal of Microencapsulation 20 (3): 401–13. doi:10.1080/0265204031000093069. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12881119. 

Herman, Asael, and Dan S Tawfik. 2007. “Incorporating Synthetic Oligonucleotides via Gene Reassembly (ISOR): a Versatile Tool for Generating Targeted Libraries.” Protein 

Page 88: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 89 

Engineering, Design & Selection : PEDS 20 (5) (May): 219–26. doi:10.1093/protein/gzm014. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17483523. 

Hogrefe, Holly H, Janice Cline, Geri L Youngblood, and Ronda M Allen. 2002. “Creating Randomized Amino Acid Libraries with the QuikChange Multi Site‐Directed Mutagenesis Kit.” BioTechniques 33 (5) (November): 1158–60, 1162, 1164–5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12449398. 

Invitrogen. 2002. “pYD1 Yeast Display Vector Kit” Catalog no. ———. 2010. EasySelect TM Pichia Expression Kit For Expression of Recombinant Proteins Using 

pPICZ and pPICZα in Pichia Pastoris. Computer Programs in Biomedicine. Vol. 18. Carlsbad. doi:Manual part no. 25‐0172. 

Jackel, C, P Kast, and D Hilvert. 2008. “Annual Review of Biophysics.” In Annual Review of Biophysics, 153–173. Palo Alto: Annual reviews. 

Jaeger, Karl‐Erich, and Thorsten Eggert. 2004. “Enantioselective Biocatalysis Optimized by Directed Evolution.” Current Opinion in Biotechnology 15 (4) (August): 305–13. doi:10.1016/j.copbio.2004.06.007. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15358000. 

James, J, and B K Simpson. 1996. “Application of Enzymes in Food Processing.” Critical Reviews in Food Science and Nutrition 36 (5): 437–463. http://www.mendeley.com/research/application‐enzymes‐food‐processing/. 

Kaiser, C., S. Michaelis, and A. Mitchell. 1994. Methods in Yeast Genetics. CSHL Press, Cold Spring Harbor. 

Kalisz, H M, H J Hecht, D Schomburg, and R D Schmid. 1991. “Effects of Carbohydrate Depletion on the Structure, Stability and Activity of Glucose Oxidase from Aspergillus Niger.” Biochimica Et Biophysica Acta 1080 (2) (October 25): 138–42. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1932088. 

Karst, S. M., N. Sadeghi, and T. M. Menees. 1999. “Cell Cycle Control of Reverse Transcriptase Activity for the Yeast Retrotransposon Ty3.” BioChemistry Biophysics Research Communication 254 (3): 679–84. 

Kasai, Naoya, Ayako Konishi, Kazuya Iwai, and Gou Maeda. 2006. “Efficient Digestion and Structural Characteristics of Cell Walls of Coffee Beans.” Journal of Agricultural and Food Chemistry 54 (17) (August 23): 6336–42. doi:10.1021/jf0609072. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16910728. 

Kasana, Ramesh Chand, Richa Salwan, Hena Dhar, Som Dutt, and Arvind Gulati. 2008. “A Rapid and Easy Method for the Detection of Microbial Cellulases on Agar Plates Using Gram’s Iodine.” Current Microbiology 57 (5) (November 1): 503–7. doi:10.1007/s00284‐008‐9276‐8. http://www.springerlink.com/content/q7g54721205r26k3/. 

Kawarasaki, Yasuaki, Karl E Griswold, James D Stevenson, Tzvia Selzer, Stephen J Benkovic, Brent L Iverson, and George Georgiou. 2003. “Enhanced Crossover SCRATCHY: Construction and High‐throughput Screening of a Combinatorial Library Containing Multiple Non‐homologous Crossovers.” Nucleic Acids Research 31 (21) (November 1): e126. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=275483&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Keilin, D, and E F Hartree. 1952. “Specificity of Glucose Oxidase (notatin).” The Biochemical Journal 50 (3) (January): 331–41. 

Page 89: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 90 

http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1197657&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Khanna, Pyare L., Chiu C. Chang, and Edwin F. Ullman. 1989. “Method for the Determination of Peroxidase Using Fluorogenic Substrates.” http://www.freepatentsonline.com/4857455.html. 

King, G.A., A.J. Daugulis, P. Faulkner, and M.F. Goosen. 1987. “Alginate‐polylysine Microcapsules of Controlled Membrane Molecular Weight Cutoff for Mammalian Cell Culture Engineering.” Biotechnology Progress 3: 231–240. 

Klein, J., J. Stock, and K.D. Vorlop. 1983. “Pore Size and Properties of Spherical Ca‐Alginate Biocatalysts.” European Journal of Applied Microbioly and Biotechnology 18: 86–91. 

Kriechbaum, M, H J Heilmann, F J Wientjes, M Hahn, K D Jany, H G Gassen, F Sharif, and G Alaeddinoglu. 1989. “Cloning and DNA Sequence Analysis of the Glucose Oxidase Gene from Aspergillus Niger NRRL‐3.” FEBS Letters 255 (1) (September 11): 63–6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2792372. 

Kudriashova, E V, I S Vasileva, I N Zorov, A P Sinitsyn, and A V Levashov. 2009. “Stabilization of Alkaline Proteinase and Cellulases via Complex Formation with Chitosan for Use as Detergent Components.” Bioorganicheskaia Khimiia 35 (3): 368–75. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19621052. 

Kurisawa, Motoichi, Joo Eun Chung, Yi Yan Yang, Shu Jun Gao, and Hiroshi Uyama. 2005. “Injectable Biodegradable Hydrogels Composed of Hyaluronic Acid‐tyramine Conjugates for Drug Delivery and Tissue Engineering.” Chemical Communications (Cambridge, England) (34) (September 14): 4312–4. doi:10.1039/b506989k. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16113732. 

Kurtzman, A L, S Govindarajan, K Vahle, J T Jones, V Heinrichs, and P A Patten. 2001. “Advances in Directed Protein Evolution by Recursive Genetic Recombination: Applications to Therapeutic Proteins.” Current Opinion in Biotechnology 12 (4) (August): 361–70. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11551464. 

Labuza, T P, and W Breene. 1989. “Application of ‘Active Packaging’ Technologies for the Improvement of Shelf‐life and Nutritional Quality of Fresh and Extended Shelf‐life Foods.” Bibliotheca Nutritio Et Dieta (43) (January): 252–9. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2658962. 

Lee, N, Y Bessho, K Wei, J W Szostak, and H Suga. 2000. “Ribozyme‐catalyzed tRNA Aminoacylation.” Nature Structural Biology 7 (1) (January): 28–33. doi:10.1038/71225. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10625423. 

Lehmann, M, and M Wyss. 2001. “Engineering Proteins for Thermostability: The Use of Sequence Alignments Versus Rational Design and Directed Evolution.” Current Opinion in Biotechnology 12 (4) (August): 371–5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11551465. 

Lehmann, Martin, Claudia Loch, Anke Middendorf, Dominik Studer, Søren F Lassen, Luis Pasamontes, Adolphus P G M van Loon, and Markus Wyss. 2002. “The Consensus Concept for Thermostability Engineering of Proteins: Further Proof of Concept.” Protein Engineering 15 (5) (May): 403–11. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12034860. 

Lenkei, R, J W Gratama, G Rothe, G Schmitz, J L D’hautcourt, A Arekrans, F Mandy, and G Marti. 1998. “Performance of Calibration Standards for Antigen Quantitation with Flow 

Page 90: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 91 

Cytometry.” Cytometry 33 (2) (October 1): 188–96. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9773879. 

Leskovac, V, S Trivić, G Wohlfahrt, J Kandrac, and D Pericin. 2005. “Glucose Oxidase from Aspergillus Niger: The Mechanism of Action with Molecular Oxygen, Quinones, and One‐electron Acceptors.” The International Journal of Biochemistry & Cell Biology 37 (4) (April): 731–50. doi:10.1016/j.biocel.2004.10.014. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15694834. 

Lin, Hening, and Virginia W Cornish. 2002. “Screening and Selection Methods for Large‐scale Analysis of Protein Function.” Angewandte Chemie (International Ed. in English) 41 (23) (December 2): 4402–25. doi:10.1002/1521‐3773(20021202)41:23<4402::AID‐ANIE4402>3.0.CO;2‐H. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12458502. 

Lindegren, C.C., and S.A Haddad. 1954. “Growth Rate of Individual Yeast Cells.” Genetica 27 (164): 45–53. 

Locher, Christopher P, Nay Wei Soong, Robert G Whalen, and Juha Punnonen. 2004. “Development of Novel Vaccines Using DNA Shuffling and Screening Strategies.” Current Opinion in Molecular Therapeutics 6 (1) (March): 34–9. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15011779. 

Lu, C F, R C Montijn, J L Brown, F Klis, J Kurjan, H Bussey, and P N Lipke. 1995. “Glycosyl Phosphatidylinositol‐dependent Cross‐linking of Alpha‐agglutinin and Beta 1,6‐glucan in the Saccharomyces Cerevisiae Cell Wall.” The Journal of Cell Biology 128 (3) (February): 333–40. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2120349&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

M Rossi, Liane, Ashley D Quach, and Zeev Rosenzweig. 2004. “Glucose Oxidase‐magnetite Nanoparticle Bioconjugate for Glucose Sensing.” Analytical and Bioanalytical Chemistry 380 (4): 606–613. http://www.mendeley.com/research/glucose‐oxidasemagnetite‐nanoparticle‐bioconjugate‐glucose‐sensing/. 

M145‐39. 2007. European Markets for Enzymes in Industrial Applications. Maki, Miranda, Kam Tin Leung, and Wensheng Qin. 2009. “The Prospects of Cellulase‐producing 

Bacteria for the Bioconversion of Lignocellulosic Biomass.” International Journal of Biological Sciences 5 (5) (January): 500–16. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2726447&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Mandels, M, R Andreotti, and C Roche. 1976. “Measurement of Saccharifying Cellulase.” Biotechnology and Bioengineering Symposium (6) (January): 21–33. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1000065. 

Mantyla, A., M. Paloheimo, and P. Suominen. 1998. “Industrial Mutants and Recombinant Strains of Trichoderma Reesei.” In Trichoderma & Gliocladium—Enzymes, Biological Control and Commercial Applications, ed. GF Harman and CP Kubicek, 291–309. London: Taylor & Francis. 

Mastrobattista, Enrico, Valerie Taly, Estelle Chanudet, Patrick Treacy, Bernard T Kelly, and Andrew D Griffiths. 2005. “High‐throughput Screening of Enzyme Libraries: In Vitro Evolution of a Beta‐galactosidase by Fluorescence‐activated Sorting of Double Emulsions.” 

Page 91: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 92 

Chemistry & Biology 12 (12) (December): 1291–300. doi:10.1016/j.chembiol.2005.09.016. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16356846. 

Matsuura, Tomoaki, and Tetsuya Yomo. 2006. “In Vitro Evolution of Proteins.” Journal of Bioscience and Bioengineering 101 (6) (June): 449–56. doi:10.1263/jbb.101.449. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16935245. 

McMillan, James D, Edward W Jennings, Ali Mohagheghi, and Mildred Zuccarello. 2011. “Comparative Performance of Precommercial Cellulases Hydrolyzing Pretreated Corn Stover.” Biotechnology for Biofuels 4 (January): 29. doi:10.1186/1754‐6834‐4‐29. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21899748. 

Miller, G. L. 1959. “Use of Dinitrosalicylic Acid Reagent for Determination of Reducing Sugar.” Analytical Chemistry 31 (3) (March 1): 426–428. doi:10.1021/ac60147a030. http://dx.doi.org/10.1021/ac60147a030. 

Mills, D R, R L Peterson, and S Spiegelman. 1967. “An Extracellular Darwinian Experiment with a Self‐duplicating Nucleic Acid Molecule.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 58 (1) (July): 217–24. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=335620&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Muller, K. M., and K. M. Arndt. 2007. Protein Engineering Protocols (Methods in Molecular Biology). Ed. K. M. Muller and K. M. Arndt. Totowa: Humana Press. http://www.amazon.com/Protein‐Engineering‐Protocols‐Methods‐Molecular/dp/1617373389. 

Murray, F R, D J Llewellyn, W J Peacock, and E S Dennis. 1997. “Isolation of the Glucose Oxidase Gene from Talaromyces Flavus and Characterisation of Its Role in the Biocontrol of Verticillium Dahliae.” Current Genetics 32 (5) (November): 367–75. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9371889. 

Musser, Richard O, Don F Cipollini, Sue M Hum‐Musser, Spencer A Williams, Judith K Brown, and Gary W Felton. 2005. “Evidence That the Caterpillar Salivary Enzyme Glucose Oxidase Provides Herbivore Offense in Solanaceous Plants.” Archives of Insect Biochemistry and Physiology 58 (2) (February): 128–37. doi:10.1002/arch.20039. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15660363. 

Nakazawa, Hikaru, Katsunori Okada, Ryota Kobayashi, Tetsuya Kubota, Tomoko Onodera, Nobuhiro Ochiai, Naoki Omata, Wataru Ogasawara, Hirofumi Okada, and Yasushi Morikawa. 2008. “Characterization of the Catalytic Domains of Trichoderma Reesei Endoglucanase I, II, and III, Expressed in Escherichia Coli.” Applied Microbiology and Biotechnology 81 (4) (December): 681–9. doi:10.1007/s00253‐008‐1667‐z. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18762935. 

Newman, Jeffrey D, and Anthony P F Turner. 2005. “Home Blood Glucose Biosensors: a Commercial Perspective.” Biosensors & Bioelectronics 20 (12) (June 15): 2435–53. doi:10.1016/j.bios.2004.11.012. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15854818. 

Olsen, M, B Iverson, and G Georgiou. 2000. “High‐throughput Screening of Enzyme Libraries.” Current Opinion in Biotechnology 11 (4) (August): 331–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10975452. 

Page 92: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 93 

Olsen, M J, D Stephens, D Griffiths, P Daugherty, G Georgiou, and B L Iverson. 2000. “Function‐based Isolation of Novel Enzymes from a Large Library.” Nature Biotechnology 18 (10) (October): 1071–4. doi:10.1038/80267. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11017045. 

Patrick, Wayne M, Andrew E Firth, and Jonathan M Blackburn. 2003. “User‐friendly Algorithms for Estimating Completeness and Diversity in Randomized Protein‐encoding Libraries.” Protein Engineering 16 (6) (June): 451–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12874379. 

Pazur, J H, and K Kleppe. 1964. “The Oxidation of Glucose and Related Compounds by Glucose Oxidase from Aspergillus Niger.” Biochemistry 3 (April): 578–83. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14188176. 

Pizzariello, A, M Stred’ansky, and S Miertus. 2002. “A Glucose/hydrogen Peroxide Biofuel Cell That Uses Oxidase and Peroxidase as Catalysts by Composite Bulk‐modified Bioelectrodes Based on a Solid Binding Matrix.” Bioelectrochemistry Amsterdam Netherlands 56 (1‐2): 99–105. http://www.mendeley.com/research/glucosehydrogen‐peroxide‐biofuel‐cell‐uses‐oxidase‐peroxidase‐catalysts‐composite‐bulkmodified‐bioelectrodes‐based‐solid‐binding‐matrix/. 

Powell, Keith A., Sandra W. Ramer, Stephen B. Del Cardayré, Willem P. C. Stemmer, Matthew B. Tobin, Pascal F. Longchamp, and Gjalt W. Huisman. 2001. “Directed Evolution and Biocatalysis.” Angewandte Chemie (International Ed. in English) 40 (21) (November 5): 3948–3959. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12404465. 

Prasetyo, Joni, Kazuya Naruse, Tatsuya Kato, Chuenchit Boonchird, Satoshi Harashima, and Enoch Y Park. 2011. “Bio‐conversion of Paper Sludge to Biofuel by Simultaneous Saccharification and Fermentation Using a Cellulase of Paper Sludge Origin and Thermotolerant Saccharomyces Cerevisiae TJ14.” Biotechnology for Biofuels 4 (1) (September 29): 35. doi:10.1186/1754‐6834‐4‐35. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21958421. 

Prodanovic, R., R. Ostafe, M. Blanusa, and U. Schwaneberg. 2012. “ViPer Assay for Flow Cytometry Sorting of Glucose Oxidase Gene Libraries in Double Emulsions.” Analytical and Bioanalytical Chemistry 404 (5): 1439–1474. 

Prodanovic, Radivoje, Raluca Ostafe, Andreea Scacioc, and Ulrich Schwaneberg. 2011. “Ultrahigh‐throughput Screening System for Directed Glucose Oxidase Evolution in Yeast Cells.” Combinatorial Chemistry & High Throughput Screening 14 (1) (January): 55–60. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20958255. 

Promega. 2008. “TNT® T7 Insect Cell Extract Protein Expression System” Part# TM30. Qiagen. 2006. “June 2006 EasyXpress TM Insect Cell Protein Synthesis Handbook.” Quong, D, R J Neufeld, G Skjåk‐Braek, and D Poncelet. 1998. “External Versus Internal Source of 

Calcium During the Gelation of Alginate Beads for DNA Encapsulation.” Biotechnology and Bioengineering 57 (4) (February 20): 438–46. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10099220. 

Rasiah, I.A., K.H. Sutton, F.L. Low, H.‐M. Lin, and J.A. Gerrard. 2005. “Crosslinking of Wheat Dough Proteins by Glucose Oxidase and the Resulting Effects on Bread and Croissants.” Food Chemistry 89 (3) (February): 325–332. doi:10.1016/j.foodchem.2004.02.052. http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2004.02.052. 

Page 93: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 94 

Reetz, M. T. 2008. “Asymmetric Organic Synthesis with Enzymes.” In Asymmetric Organic Synthesis with Enzymes, ed. Vicente Gotor, Ignacio Alfonso, and Eduardo Garca‐Urdiales. Weinheim, Germany: Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi:10.1002/9783527622481. http://doi.wiley.com/10.1002/9783527622481. 

Reiter, Birgit, Alexander Faschinger, Anton Glieder, and Helmut Schwab. 2007. “Random Strand Transfer Recombination (RSTR) for Homology‐independent Nucleic Acid Recombination.” Journal of Biotechnology 129 (1) (March 30): 39–49. doi:10.1016/j.jbiotec.2006.10.002. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17175057. 

Roberts, R W. 1999. “Totally in Vitro Protein Selection Using mRNA‐protein Fusions and Ribosome Display.” Current Opinion in Chemical Biology 3 (3) (June): 268–73. doi:10.1016/S1367‐5931(99)80042‐8. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10359713. 

Rogers, M J, and K G Brandt. 1971. “Multiple Inhibition Analysis of Aspergillus Niger Glucose Oxidase by D‐glucal and Halide Ions.” Biochemistry 10 (25) (December 7): 4636–41. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/5140182. 

Ryu, Dewey D.Y., and Mary Mandels. 1980. “Cellulases: Biosynthesis and Applications.” Enzyme and Microbial Technology. doi:10.1016/0141‐0229(80)90063‐0. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0141022980900630. 

Sabra, W, A P Zeng, and W D Deckwer. 2001. “Bacterial Alginate: Physiology, Product Quality and Process Aspects.” Applied Microbiology and Biotechnology 56 (3‐4) (August): 315–25. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11548998. 

Sakai, Shinji, and Koei Kawakami. 2007. “Synthesis and Characterization of Both Ionically and Enzymatically Cross‐linkable Alginate.” Acta Biomaterialia 3 (4) (July): 495–501. doi:10.1016/j.actbio.2006.12.002. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17275429. 

Saloheimo, Markku, Marja Paloheimo, Satu Hakola, Jaakko Pere, Barbara Swanson, Eini Nyyssönen, Amit Bhatia, Michael Ward, and Merja Penttilä. 2002. “Swollenin, a Trichoderma Reesei Protein with Sequence Similarity to the Plant Expansins, Exhibits Disruption Activity on Cellulosic Materials.” European Journal of Biochemistry / FEBS 269 (17) (September): 4202–11. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12199698. 

Setsukinai, Ken‐ichi, Yasuteru Urano, Kazuya Kikuchi, Tsunehiko Higuchi, and Tetsuo Nagano. 2000. “Fluorescence Switching by O‐dearylation of 7‐aryloxycoumarins. Development of Novel Fluorescence Probes to Detect Reactive Oxygen Species with High Selectivity.” Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 2 (12) (November 7): 2453–2457. doi:10.1039/b006449l. http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2000/p2/b006449l. 

Shanmugam, S. 2009. Enzyme Technology. I. K. International Pvt Ltd. http://books.google.com/books?id=KrGn_obcy6QC&pgis=1. 

Simoons, F.J. 1971. “The Antiquity of Dairying in Asia and Africa.” Geographical Review 61 (3). Singh, Madhu V, and P Anthony Weil. 2002. “A Method for Plasmid Purification Directly from 

Yeast.” Analytical Biochemistry 307 (1) (August 1): 13–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12137773. 

Smidsrod, O, and G Skjak‐Braek. 1990. “Alginate as Immobilization Matrix for Cells.” Trends in Biotechnology 8 (3) (March): 71–8. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1366500. 

Steensma, David P, Michael Timm, and Thomas E Witzig. 2003. “Flow Cytometric Methods for Detection and Quantification of Apoptosis.” Methods in Molecular Medicine 85 (January): 

Page 94: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 95 

323–32. doi:10.1385/1‐59259‐380‐1:323. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12710217. 

Stemmer, Willem, and Brett Holland. 2003. “Survival of the Fittest Molecule.” American Scientist 91 (6): 526. doi:10.1511/2003.6.526. http://www.mendeley.com/research/survival‐fittest‐molecule/. 

Sun, L., I. P. Petrounia, M. Yagasaki, G. Bandara, and F. H. Arnold. 2001. “Expression and Stabilization of Galactose Oxidase in Escherichia Coli by Directed Evolution.” Protein Engineering Design and Selection 14 (9) (September 1): 699–704. doi:10.1093/protein/14.9.699. http://peds.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/14/9/699. 

Swoboda, B E. 1969. “The Mechanism of Binding of Flavin‐adenine Dinucleotide to the Apoenzyme of Glucose Oxidase and Evidence for the Involvement of Multiple Bonds.” Biochimica Et Biophysica Acta 175 (2) (March): 380–7. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4305100. 

Takegawa, K, K Fujiwara, S Iwahara, K Yamamoto, and T Tochikura. 1989. “Effect of Deglycosylation of N‐linked Sugar Chains on Glucose Oxidase from Aspergillus Niger.” Biochemistry and Cell Biology = Biochimie Et Biologie Cellulaire 67 (8) (August): 460–4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2511903. 

Tang, Lian X., Frederick J. Rowell, and Robert H. Cumming. 1995. “Ultra‐rapid Fluorescence Assay for Cellulase Using a Substrate‐immobilized Mini‐bioreactor.” Analytical Proceedings Including Analytical Communications 32 (12) (January 1): 519. doi:10.1039/ai9953200519. http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/1995/ai/ai9953200519. 

Tawfik, D S, and A D Griffiths. 1998. “Man‐made Cell‐like Compartments for Molecular Evolution.” Nature Biotechnology 16 (7) (July): 652–6. doi:10.1038/nbt0798‐652. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9661199. 

Teather, R.M, and P.J. Wood. 1982. “Use of Congo Red Polysaccharide Interactions Complex Formation Between Congo Red and Polysaccharide in Detection and Assay of Polysaccharide Hydrolases.” Methods in Enzymology 160: 59–74. 

Tonnesen, Hanne Hjorth, and Jan Karlsen. 2002. “Alginate in Drug Delivery Systems.” Drug Development and Industrial Pharmacy 28 (6) (July): 621–30. doi:10.1081/DDC‐120003853. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12149954. 

Trinder, P. 1969. “Determination of Blood Glucose Using 4‐amino Phenazone as Oxygen Acceptor.” Journal of Clinical Pathology 22 (2) (March): 246. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=474047&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Tsuge, H, O Natsuaki, and K Ohashi. 1975. “Purification, Properties, and Molecular Features of Glucose Oxidase from Aspergillus Niger.” Journal of Biochemistry 78 (4) (October): 835–43. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1213991. 

Van de Vyver, Stijn, Jan Geboers, Pierre A. Jacobs, and Bert F. Sels. 2011. “Recent Advances in the Catalytic Conversion of Cellulose.” ChemCatChem 3 (1) (January 10): 82–94. doi:10.1002/cctc.201000302. http://doi.wiley.com/10.1002/cctc.201000302. 

Wang, Q, A M Buckle, N W Foster, C M Johnson, and A R Fersht. 1999. “Design of Highly Stable Functional GroEL Minichaperones.” Protein Science: a Publication of the Protein Society 8 (10) (October): 2186–93. doi:10.1110/ps.8.10.2186. 

Page 95: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 96 

http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2144126&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

White, J W, M H Subers, and A I Schepartz. 1963. “The Identification of Inhibine, the Antibacterial Factor in Honey, as Hydrogen Peroxide and Its Origin in a Honey Glucose‐oxidase System.” Biochimica Et Biophysica Acta 73 (May 7): 57–70. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14000328. 

Witt, S, M Singh, and H M Kalisz. 1998. “Structural and Kinetic Properties of Nonglycosylated Recombinant Penicillium Amagasakiense Glucose Oxidase Expressed in Escherichia Coli.” Applied and Environmental Microbiology 64 (4) (April): 1405–11. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=106162&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Witt, S, G Wohlfahrt, D Schomburg, H J Hecht, and H M Kalisz. 2000. “Conserved Arginine‐516 of Penicillium Amagasakiense Glucose Oxidase Is Essential for the Efficient Binding of beta‐D‐glucose.” The Biochemical Journal 347 (Pt 2) (April 15): 553–9. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1220989&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Witteveen, C F, M Veenhuis, and J Visser. 1992. “Localization of Glucose Oxidase and Catalase Activities in Aspergillus Niger.” Applied and Environmental Microbiology 58 (4) (April): 1190–4. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=195573&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. 

Wong, Chun Ming, Kwun Hei Wong, and Xiao Dong Chen. 2008. “Glucose Oxidase: Natural Occurrence, Function, Properties and Industrial Applications.” Applied Microbiology and Biotechnology 78 (6) (April): 927–38. doi:10.1007/s00253‐008‐1407‐4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18330562. 

Wong, T S, N Wu, D Roccatano, M Zacharias, and U Schwaneberg. 2005. “Sensitive Assay for Laboratory Evolution of Hydroxylases Toward Aromatic and Heterocyclic Compounds.” Journal of Biomolecular Screening 10 (3) (April): 246–52. doi:10.1177/1087057104273336. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15809320. 

Wong, Tuck Seng, Danilo Roccatano, and Ulrich Schwaneberg. 2007. “Are Transversion Mutations Better? A Mutagenesis Assistant Program Analysis on P450 BM‐3 Heme Domain.” Biotechnology Journal 2 (1) (January): 133–42. doi:10.1002/biot.200600201. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17183510. 

Wong, Tuck Seng, Daria Zhurina, and Ulrich Schwaneberg. 2006. “The Diversity Challenge in Directed Protein Evolution.” Combinatorial Chemistry & High Throughput Screening 9 (4) (May): 271–88. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16724918. 

Xiao, Zhizhuang, Reginald Storms, and Adrian Tsang. 2004. “Microplate‐based Filter Paper Assay to Measure Total Cellulase Activity.” Biotechnology and Bioengineering 88 (7) (December 30): 832–7. doi:10.1002/bit.20286. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15459905. 

Zhang, P. Y‐H, Michael E Himmel, Jonathan R Mielenz, and Y‐H Percival Zhang. 2006. “Outlook for Cellulase Improvement: Screening and Selection Strategies.” Biotechnology Advances 24 (5): 452–81. doi:10.1016/j.biotechadv.2006.03.003. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16690241. 

Page 96: Development of High Throughput Screening Systems of …darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2013/4674/pdf/4674.pdf · II.1 General Recipes for Media ... II.2.6 Enzymatic assay

V I I . Literature    P a g e  | 97 

Zhang, Y H Percival, Jiong Hong, and Xinhao Ye. 2009. “Cellulase Assays.” Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 581 (January): 213–31. doi:10.1007/978‐1‐60761‐214‐8_14. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19768625. 

Zhu, Ziwei, Carmen Momeu, Maxim Zakhartsev, and Ulrich Schwaneberg. 2006. “Making Glucose Oxidase Fit for Biofuel Cell Applications by Directed Protein Evolution.” Biosensors & Bioelectronics 21 (11) (May 15): 2046–51. doi:10.1016/j.bios.2005.11.018. http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2005.11.018.