本文介绍了三种热沉淀方法,可在进行任何其他纯化步骤之前,有效去除烟草提取物中超过90%的宿主细胞蛋白(HCPs)。植物HCPs在温度高于60 °C时会发生不可逆聚集。
本文介绍了三种热沉淀方法,可在进行任何其他纯化步骤之前,有效去除烟草提取物中超过90%的宿主细胞蛋白(HCPs)。植物HCPs在温度高于60 °C时会发生不可逆聚集。
植物不仅为人类提供食物、饲料和原材料,还被开发为一种经济的生物制药蛋白生产系统,例如抗体、疫苗候选物和酶。这些蛋白必须从植物生物量中纯化,但植物提取物中高浓度的宿主细胞蛋白(HCPs)会阻碍层析步骤的进行。然而,大多数HCPs在温度高于60 °C时会发生不可逆聚集,从而有利于目标蛋白的后续纯化。本文介绍了三种在完整叶片或提取物中实现烟草HCP热沉淀的方法。对完整叶片进行烫漂处理可轻松整合到现有工艺中,但可能对后续过滤步骤产生不利影响。而在搅拌容器中对叶片提取物进行热沉淀则相反,尽管需要对工艺设备设计(如匀浆器几何结构)进行较大改动,但可改善下游操作的性能。最后,换热器装置在传热条件方面具有良好的可表征性且易于放大,但清洗可能较为困难,并可能对过滤能力产生负面影响。通过实验设计方法可确定影响HCP去除和产物回收率的最关键工艺参数。这有助于将每种方法应用于其他表达平台,并为特定纯化策略选择最合适的方法。
现代医疗系统日益依赖生物制药蛋白1。与传统的表达系统相比,利用植物生产这些蛋白具有病原体负担低和可扩展性更强的优势2-4。然而,植物源性药品的下游加工(DSP)可能面临挑战,因为破坏性的提取过程会产生大量颗粒,浊度超过5,000散射浊度单位(NTUs),且宿主细胞蛋白(HCP)浓度通常超过95% [m/m]5,6。
去除分散的颗粒需要复杂的澄清步骤7-9,但如果在早期步骤中能有效去除宿主细胞蛋白(HCP),则在初始产物回收阶段,亲和-洗脱模式下的色谱设备运行成本更低10,11。这可以通过絮凝剂12或低pH值13,14使目标蛋白沉淀来实现,也可以通过促使HCP聚集来完成。通过添加聚乙二醇可促进核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)的选择性聚集,该蛋白是烟草(Nicotiana tabacum)等绿色植物中最丰富的HCP15,但该方法成本较高,且不适用于大规模生产。热处理已被证明可使超过95%的烟草HCP变性并沉淀,而诸如Vax8等蛋白质疟疾候选疫苗在溶液中仍能保持稳定16-18。
采用三种不同方法实现烟草HCPs的热诱导沉淀:(i)焯烫, 即, 将完整叶片浸入热液体中,(ii) 温度可控的搅拌容器,以及 (iii) 热交换器(图1) 16对于完整的叶片,热烫处理可实现宿主细胞蛋白的快速高效沉淀,且易于放大,与现有的大规模生产工艺兼容,这些工艺均包含对植物生物量进行清洗的初始步骤。 19相比之下,某些工艺中已具备温度控制容器,可用于植物提取物的热处理 20但其可扩展性和能量传递速率受限,因为在工艺规模下,反应罐的表面积与体积比逐渐降低,变得不适宜。换热器是相较于加热搅拌容器在技术上更为明确的替代方案,但需要大量供应加热和冷却介质。 例如, 蒸汽和冷水,以及根据换热器几何结构和介质特性调整的严格控制的体积流量 例如比热容。本文展示了这三种方法均可用于烟草热致宿主细胞蛋白(HCP)沉淀,以及植物HCP的一般性研究。在实验室条件下建立并运行每种方法,可用于评估其在大规模工艺中的适用性。主要挑战在于为每项操作确定合适的缩小模型及运行条件,以模拟工艺规模生产中所使用的设备和条件。本文所呈现的数据来自转基因烟草植物的实验,这些植物表达疟疾疫苗候选抗原Vax8和荧光蛋白DsRed。 16,但该方法也已成功应用于 N. benthamiana 瞬时表达其他生物制药蛋白的植物 21.
采用实验设计(DoE)方法22可促进工艺开发,絮凝剂23在此背景下也可能具有积极作用,如先前所述8。热烫、加热容器与热交换器之间的主要区别在于,热烫是在工艺早期应用于完整的叶片,而其他方法则应用于植物提取物(图1)。

图1: 三种不同烟草HCP热沉淀方法实施流程示意图。 植物材料在澄清和纯化前经过清洗和均质处理。漂烫步骤(红色)所用设备可轻松添加至现有机械系统中。相比之下,使用搅拌罐(橙色)尤其是换热器(蓝色)则需要增加一个或多个额外装置及管路。请点击此处查看该图的放大版本。
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1. 培养烟草植株
2. 可选:通过焯烫进行热沉淀
注意:请按顺序执行步骤 2.1 至 2.12,以通过热烫法沉淀烟草宿主细胞蛋白(HCP)。如果将使用加热容器(第 4 节)或换热器(第 5 节)进行 HCP 沉淀,则跳过整个第 2 节。
3. 从烟草叶片中提取蛋白质
注意:接下来的步骤涉及带有旋转刀片的搅拌机。当搅拌机桶安装在搅拌机电机上时,切勿在其中进行操作。
4. 可选:在搅拌容器中进行热沉淀
注意:请按顺序执行第4.2至4.11节所述步骤,以在搅拌容器中沉淀烟草HCP。如果HCP已通过烫漂(第2节)沉淀,或计划使用换热器进行沉淀(第5节),则跳过整个第4节。
5. 可选:在热交换器中进行热沉淀
注意:按照 5.2 至 5.12 节所述步骤,使用换热器沉淀烟草宿主细胞蛋白(HCP)。如果宿主细胞蛋白已通过焯烫法(第 2 节)或在加热容器中(第 4 节)完成沉淀,则跳过整个第 5 节。
6. 植物提取物的袋式过滤
7. 样品分析
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通过焯烫实现烟草宿主细胞蛋白的热沉淀
第2节所述的漂白程序已成功用于从烟草叶片中沉淀宿主细胞蛋白(HCPs) 70 °C,使总悬浮颗粒物减少96 ± 1%(n = 3),同时回收高达51%的Vax8目标蛋白,从而在色谱分离前将其纯度从0.1%提高至1.2% 16此外,还可回收83 ± 1%(n = 3)的荧光蛋白DsRed,使其纯度从3.3%提高至64.1%。漂白步骤可轻松整合到标准的提取与澄清流程中,该流程包括生物质洗涤、均质化、袋式过滤和深层过滤。图1) 7. 准备漂烫设备(图2加入澄清装置的设置时间约增加了5分钟,而该装置的常规设置时间为20分钟。此外,对完整叶片进行烫漂操作还需额外7分钟,加上常规的提取和澄清时间45分钟。然而,这额外的7分钟中仅有2分钟为实际操作时间。另外,短时间孵育(少于1分钟)也是可行的,可将烫漂时间从7分钟缩短至约3分钟。因此,烫漂不仅可提高粗植物提取物中目标产物的初始纯度,而且可在无需额外工艺设备的情况...
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上述三种热沉淀方法可在任何色谱纯化步骤之前有效去除烟草宿主细胞蛋白(HCPs) 16,17它们补充了旨在提高初始产物纯度的其他策略, 例如, 吐水现象 29,根系分泌物 30 或离心萃取 31,32,这些方法均仅限于分泌蛋白。然而,基于加热的方法只有在目标蛋白能够耐受约 60 °C 以上的最低沉淀温度持续超过 1 分钟时,才能有意义地使用。因此,这三种方法的第一步均为设计具有足够高熔解温度的目标分子,该策略已应用于多种疟疾疫苗候选蛋白,这些蛋白由来自不同区域的多个结构域组成 恶性疟原虫 抗原 16,18,21在已证实目标蛋白的热稳定性后,可根据现有设备与培养基、预期的最终工艺规模以及后续的下游加工(DSP)操作,选择三种方法之一。 16.
烫漂是所有方法中速度最快的,且对附加设备的要求极低,因此可轻松整合到现有的实验室规模植物源重组蛋白纯化方案中。充分搅动烫漂液是一个重要的工艺参数,实证数据和理论计算均表明该参数会影...
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作者声明无利益冲突。
我们感谢 Thomas Rademacher 博士、Alexander Boes 和 Veronique Beiß 提供转基因烟草种子,以及 Ibrahim Al Amedi 在烟草植株培养方面的协助。作者谨此感谢 Richard M. Twyman 博士在编辑方面提供的帮助,以及 Güven Edgü 提供的 MSP1-19 参考样品。本工作部分由欧洲研究理事会高级资助项目“Future-Pharma”(项目编号 269110)、弗劳恩霍夫未来基金会(Fraunhofer-Zukunftsstiftung)以及弗劳恩霍夫协会内部项目(资助编号 Attract 125-600164)提供资金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2100P 便携式浊度计 | Hach | 4650000 | 浊度计 |
| 胺偶联试剂盒 | GE Healthcare | BR100050 | SPR 芯片偶联试剂盒 |
| 高压灭菌篮 | Nalgene | 6917-0230 | 叶片漂烫用篮子 |
| Biacore T200 | GE Healthcare | 28-9750-01 | SPR 检测仪 |
| Bio Cell Analyser BCA 003 R&D 带 3D ORM | Sequip | n.a. | 粒径分析仪 |
| 搅拌机 | Waring | 800EG | 搅拌机 |
| BP-410 | Furh | 2632410001 | 袋式过滤器 |
| Centrifuge 5415D | Eppendorf | 5424 000.410 | 离心机 |
| 15 ml 离心管 | Labomedic | 2017106 | 反应管 |
| 50 ml 自立式离心管 | Labomedic | 1110504 | 反应管 |
| CM5 芯片 | GE Healthcare | BR100012 | SPR 测量用芯片 |
| 比色皿 10 × 10 × 45 | Sarsted | 67.754 | Zetasizer Nano ZS 用比色皿 |
| Design-Expert(R) 8 | Stat-Ease, Inc. | n.a. | 实验设计软件 |
| 磷酸氢二钠 | Carl Roth GmbH | 4984.3 | 培养基组分 |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | 肥料 |
| Forma -86C 超低温冰箱 | ThermoFisher | 88400 | 冰箱 |
| 温室 | n.a. | n.a. | 用于植物培养 |
| Grodan 岩棉块 10 × 10 cm | Grodan | 102446 | 岩棉块 |
| 二十圈热交换器(4.8 m 长) | n.a.(定制设计) | n.a. | 热交换器 |
| HEPES | Carl Roth GmbH | 9105.3 | 培养基组分 |
| K200P 60D | Pall | 5302303 | 深层过滤层 |
| KS50P 60D | Pall | B12486 | 深层过滤层 |
| Lauda E300 | Lauda Dr Wobser GmbH | Z90010 | 水浴恒温器 |
| L/S 24 | Masterflex | SN-06508-24 | 管路 |
| mAb 5.2 | American Type Culture Collection | HB-9148 | Vax8 特异性抗体 |
| Masterflex L/S | Masterflex | HV-77921-75 | 蠕动泵 |
| Miracloth | Labomedic | 475855-1R | 滤布 |
| MultiLine Multi 3410 IDS | WTW | WTW_2020 | pH 计 / 电导率计 |
| Osram 冷白光 36 W | Osram | 4930440 | 光源 |
| 植物生长室 | Ilka Zell | n.a. | 用于植物培养 |
| 亚硫酸钠 | Carl Roth GmbH | 8554.1 | 培养基组分 |
| 氯化钠 | Carl Roth GmbH | P029.2 | 培养基组分 |
| 不锈钢容器;0.7 kg 2.0 L;高 180 mm;直径 120 mm | n.a.(定制设计) | n.a. | 热沉淀用容器 |
| Synergy HT | BioTek | SIAFRT | 荧光与光谱酶标仪 |
| VelaPad 60 | Pall | VP60G03KNH4 | 滤器外壳 |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern | ZEN3600 | DLS 粒径分布测量 |
| Zetasizer 软件 v7.11 | Malvern | n.a. | 用于操作 Zetasizer Nano ZS 设备的软件 |
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