Кіріспе
Биохимиялық әдіс. Ақуызды тазарту – бұл әдетте жасушалар, тіндер немесе толық организмдерден бір немесе бірнеше ақуызды бөліп алуға бағытталған процестердің тізбегі. Ақуызды тазарту зерттелетін ақуыздың функциясын, құрылымын және өзара әрекеттесуін анықтау үшін маңызды. Тазарту процесі қоспаның ақуыздық және ақуыздық емес бөліктерін бөліп, соңында қажетті ақуызды басқа барлық ақуыздардан оқшаулайды. Зерттелетін ақуыздың құрылымын және қызметін зерттеу кезінде қоспалардың бөгет болмауы үшін оны жасушаның басқа компоненттерінен бөліп алу қажет. Бір ақуызды басқаларынан бөлу әдетте ақуызды тазартудың ең қиын кезеңі болып табылады. Бөлу кезеңдері әдетте ақуыздың мөлшері, физикалық-химиялық қасиеттері, байланысу қабілеті және биологиялық белсенділігі арасындағы айырмашылықтарды пайдаланады. Тазартылған нәтиже ақуыз изоляты деп аталуы мүмкін.
Protein purification is a series of processes intended to isolate one or a few proteins from a complex mixture, usually cells, tissues or whole organisms. Protein purification is vital for the specification of the function, structure and interactions of the protein of interest. The purification process may separate the protein and non protein parts of the mixture, and finally separate the desired protein from all other proteins. Ideally, to study a protein of interest, it must be separated from other components of the cell so that contaminants will not interfere in the examination of the protein of interest's structure and function. Separation of one protein from all others is typically the most laborious aspect of protein purification. Separation steps usually exploit differences in protein size, physico chemical properties, binding affinity and biological activity. The pure result may be termed protein isolate.
Мақсаты
Ақуыз өндірісінің құны жоғары болып қалады және тиімді әрі жылдам ақуыз тазарту әдістерін әзірлеуге деген қажеттілік артып келеді. Ақуыз тазартудың әртүрлі әдістерін түсіну және өңдеудің келесі сатыларын оңтайландыру өндіріс шығындарын азайту үшін маңызды, сонымен бірге қанағаттанарлық гомогендік стандарттарының сапасын сақтау қажет. Ақуыз тазарту дайындық немесе талдау мақсатында жүзеге асырылады. Дайындық тазартулар кейін пайдалану үшін салыстырмалы түрде көп мөлшерде тазартылған ақуыз алуға бағытталған. Мысалдарға ферменттер (мысалы, лактаза), тағамдық ақуыздар (мысалы, соя ақуызының оқшаулануы) және белгілі бір биофармацевтикалық препараттар (мысалы, инсулин) сияқты коммерциялық өнімдерді дайындау жатады. Пациент денсаулығына қауіп төндіретін, мысалы, жасушалардың қосалқы өнімдерін (хост жасуша ақуыздары) жою үшін бірнеше дайындық тазарту кезеңдері жиі қолданылады. Талдау тазарту зерттеу немесе талдау мақсатында ақуыздың салыстырмалы түрде аз мөлшерін өндіреді, оның ішінде ақуыздың құрылымын, трансляциядан кейінгі өзгерістерін және функциясын анықтау, сандық бағалау және зерттеу. Ақуыз тазарту схемасының әрбір қадамы бақыланады және тазарту деңгейі мен өнімділігі ескеріледі. Жоғары тазарту деңгейі және нашар өнімділік тәжірибе жүргізу үшін жеткілікті ақуызды қалдырмайды. Керісінше, жоғары өнімділік және төмен тазарту деңгейі зерттеу мақсатына кедеріс келтіретін көптеген қоспаларды (зерттелетін ақуызға жатпайтын ақуыздар) қалдырады. Соңында, жасуша қалдықтарын дифференциалдық центрифугалау арқылы жоюға болады, бұл гомогенатты төмен жылдамдықпен, содан кейін жоғары күшпен центрифугалау процедурасы, нәтижесінде ядролардан және супернатанттан тұратын шөгінді алынады. Бұл азайтылатын тығыздыққа ие бірнеше фракцияларды береді, онда бір фракцияға қатысты ажырату әдістері қолданылады. немесе тазартуды жеңілдету үшін Strep белгісін пайдалану, қажетті тазарту кезеңдерінің санын азайту. Талдау тазарту әдетте ақуыздарды бөлу үшін үш қасиетті пайдаланады. Біріншіден, ақуыздарды рН-градиенті бар гель немесе ион алмасу бағанасы арқылы өткізу арқылы олардың изоэлектрлік нүктелеріне сәйкес тазартуға болады. Екіншіден, ақуыздарды олардың мөлшеріне немесе молекулалық салмағына қарай мөлшерді алып тастау хроматографиясы немесе SDS-PAGE (натрий додецилсульфаты полиакриламид гель электрофорезі) талдауы арқылы бөлуге болады. Ақуыздар көбінесе 2D-PAGE әдісімен тазартылады, содан кейін ақуыздың сәйкестігін анықтау үшін пептидтік массалық саусақ іздері арқылы талданады. Бұл ғылыми мақсаттар үшін өте пайдалы, ал ақуызды анықтау шегі қазіргі уақытта өте төмен, ал ақуыздың нанограммдық мөлшері оларды талдау үшін жеткілікті. Үшіншіден, ақуыздарды жоғары өнімді сұйық хроматография немесе кері фазалық хроматография арқылы полярлығы/гидрофобтылығы бойынша бөлуге болады. Әдетте, ақуыз тазарту протоколында бір немесе бірнеше хроматографиялық кезеңдер болады. Хроматографияның негізгі процедурасы - ақуызды қамтитын ерітіндіні әртүрлі материалдармен толтырылған бағана арқылы ағызу. Әртүрлі ақуыздар бағана материалымен әртүрлі әрекеттеседі, сондықтан оларды бағанадан өту үшін қажетті уақыт немесе бағанадан ақуызды алу үшін қажетті жағдайлар бойынша бөліп алуға болады. Әдетте, ақуыздар 280 нм толқын ұзындығындағы сіңіру арқылы бағанадан шығу кезінде анықталады. Көптеген әртүрлі хроматографиялық әдістер бар:
Жауын-шашын және әртүрлі ерігіштігі
Көптеген ақуыздар суда еру үшін тұз қажет, бұл процеске тұздану дейді. Тұз концентрациясы артқан сайын ақуыздар тұншығып, тұздану процесі ақуыздың ерігіштігін өзгертеді. Бұл аммиак сульфатын көбейтіп қосу және тұнған ақуыздың әртүрлі фракцияларын жинау арқылы іске асырылады. Кейін аммиак сульфатын диализ арқылы (жартылай өткізгіш мембрана арқылы ақуыздарды кішкентай молекулалардан бөлу) алып тастауға болады. Сонымен қатар, қолданылатын орта басқа хроматографиялық әдістерге қарағанда денатурациялаудың кем қатал жағдайларын пайдаланады, осылайша қызығушылық тудыратын ақуызды оның табиғи және функционалдық күйінде сақтауға көмектеседі. Таза суда шайыр мен ақуыздың гидрофобтық аймақтары арасындағы өзара әрекеттесу өте әлсіз болады, бірақ бұл өзара әрекеттесу жоғары иондық күшті буферде HIC шайырына ақуыз үлгісін қолдану арқылы күшейтіледі. Буфердің иондық күші гидрофобтылықтың азаюына қарай ақуыздарды элюциялау үшін төмендетіледі.
Афинитеттік хроматография
Афинитеттік хроматография – молекулалық конформацияға негізделген, қызығушылық тудыратын ақуызды жоғары дәлдікпен бөліп алуға мүмкіндік беретін тағы бір қуатты әдіс, ол көбінесе мақсатқа бағытталған шайырларды пайдаланады. Бұл шайырлардың бетінде бөлінуі қажетті заттарға тән лигандтар болады. Көбінесе бұл лигандтар антидене-антиген өзара әрекеттесуі сияқты қағида бойынша жұмыс істейді. Лиганд пен оның мақсатты қосылысы арасындағы "кілт пен құлып" сияқты үйлесімділік оны өте ерекшелендіреді, көбінесе бір ғана шыңды қамтиды, ал үлгідегі қалғандары сақталмайды. Көптеген мембраналық ақуыздар гликопротеиндер болып табылады және оларды лектиндік афинитеттік хроматография арқылы тазартуға болады. Дитергентте ерітілген ақуыздарды, ковалентті байланысқан лектині бар хроматографиялық шайырға байланыстыруға болады. Лектинге байланыспайтын ақуыздар жуылып алынады, содан кейін лектинмен байланысу орнында байланысқан гликопротеиндермен бәсекелесетін жоғары концентрациялы қант қосылып, арнайы байланысқан гликопротеиндерді элюциялауға болады. Кейбір лектиндер гликопротеиндердің олигосахаридтеріне жоғары бейімділікпен байланысады, осыған байланысты қантпен бәсекелесу қиын, сондықтан байланысқан гликопротеиндерді босату үшін лектинді денатурациялау қажет.
Иммуноафинитеттік хроматография
Иммуноафинитеттік хроматография мақсатты белокты іріктеп тазарту үшін антидене-антигеннің ерекше байланысын пайдаланады. Процедурада белок қатты субстратқа (мысалы, кеуекті гранулаға немесе мембранаға) бекітіледі, содан кейін ол мақсатты белокты таңдап байлайды, ал қалғандары ағып өтеді. Мақсатты белокты pH немесе тұздылықты өзгерту арқылы элюциялауға болады. Бекітілген лиганд антидене (мысалы, иммуноглобулин G) немесе белок (мысалы, белок A) болуы мүмкін. Бұл әдіс белгіні (tag) енгізуді қажет етпегендіктен, табиғи көздерден алынған белоктар үшін де қолданылуы мүмкін.
HPLC
Жоғары өнімді сұйық хроматографиясы немесе жоғары қысымды сұйық хроматографиясы – бұл ерітінділерді бағана арқылы жылдам өткізу үшін жоғары қысым қолданылатын хроматографияның бір түрі. Бұл диффузияны шектейді және ажыратымдылықты жақсартады. Ең көп қолданылатын түрі – "кері фазалы" HPLC, онда бағана материалы гидрофобты болады. Белоктар актонитрил сияқты органикалық еріткіштің мөлшерін біртіндеп арттыру арқылы элюцияланады. Белоктардың элюциялануы олардың гидрофобтық қасиеттеріне байланысты жүзеге асады. HPLC арқылы тазартылған белок тек ұшқыш қосылыстардан тұратын ерітіндіде болады, сондықтан оны оңай лиофилизациялауға болады. HPLC тазарту көбінесе тазартылған белоктардың денатурациялануына әкеледі, демек, өздігінен қайта жиналмайтын белоктарға қолданылмайды.
Белгіленген белокты тазарту
Белоктарды таңбалаудың тағы бір тәсілі – белокқа антигендік пептидтік таңбаны енгізу, содан кейін белокты бағанада тазарту немесе қозғалмайтын антителомен жабылған ерітінді смоласымен инкубациялау. Бұл нақты процедура иммунопреципитация деп аталады. Иммунопреципитация өте нақты өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді, нәтижесінде көбінесе тек қажетті белок ғана байланысады. Тазартылған таңбаланған белоктарды ерітіндідегі басқа белоктардан оңай бөліп алып, кейін таза ерітіндіге қайта элюциялауға болады. Егер таңбалар енді қажет болмаса, оларды протеаза арқылы кесіп тастауға болады. Бұл көбінесе таңба мен белок арасына протеаза кесу орнын енгізуді қамтиды. Өзін-өзі кесетін таңба тазалау процесінде мақсатты белоктан таңбаны бөлу үшін протеаза қолдану қажеттілігін жояды (мысалы, iCapTag™). Таңбаның негізгі құралы – интеин, ол pH өзгергеннен кейін ғана кесіледі. Таңбасы жоқ, таза мақсатты белок элюциялық буферге шығарылады.
Тазартылған белоктың концентрациясы
Белок тазалаудың соңында белокты шоғырландыру қажет болады. Әртүрлі әдістер бар.
Лиофилизация
Егер ерітіндіде сұралып отырған ақуыздан басқа ешқандай ерігіш компонент болмаса, ақуызды лиофилизациялауға (құрғатуға) болады. Бұл көбінесе HPLC жүргізілгеннен кейін жасалады. Бұл жай ғана барлық ұшқыш компоненттерді жойып, ақуыздарды қалдырады.
Ультрафильтрация
Ультрафильтрация селективті өткізгіш мембраналар арқылы ақуыз ерітіндісін концентрациялайды. Мембрананың міндеті – су мен кішкентай молекулаларды өткізіп, ақуызды ұстап қалу болып табылады. Ерітінді механикалық сорғы, газ қысымы немесе центрифугалаудың күшімен мембранаға бағытталады.
Тазарту өнімділігін бағалау
Тазарту процесін бақылаудың ең жалпы әдісі – әртүрлі қадамдардың SDS PAGE-ін жүргізу болып табылады. Бұл әдіс қоспадағы әртүрлі ақуыздардың мөлшерін шамамен ғана анықтайды және ұқсас молекулалық салмағы бар ақуыздарды ажырата алмайды. Егер ақуыздың ерекше спектроскопиялық қасиеті немесе ферменттік белсенділігі болса, бұл қасиетті нақты ақуызды анықтау және мөлшерлеу үшін, сондай-ақ ақуызды қамтитын бөлініс фракцияларын таңдау үшін пайдалануға болады. Егер ақуызға қарсы антиденелер болса, онда Вестерн блоттинг және ELISA әдістері арқылы қажетті ақуыздың мөлшерін нақты анықтап, мөлшерлеуге болады. Кейбір ақуыздар рецепторлар ретінде жұмыс істейді және оларды тазарту кезеңдерінде лигандты байланыстыру арқылы, көбінесе радиоактивті лиганд қолданып анықтауға болады. Көп қадамды тазарту процесін бағалау үшін нақты ақуыздың мөлшерін жалпы ақуыздың мөлшерімен салыстыру қажет. Жалпы ақуыздың мөлшерін Брэдфордтың жалпы ақуыздық сынағымен немесе 280 нм толқын ұзындығындағы жарық сіңіру арқылы анықтауға болады, бірақ тазарту процесінде қолданылатын кейбір реагенттер мөлшерлеуге кедергі келтіруі мүмкін. Мысалы, имидазол (полигистидинмен таңбаланған рекомбинантты ақуыздарды тазарту үшін жиі қолданылады) – аминқышқылының аналогы және төмен концентрацияда біцинхонин қышқылының (BCA) жалпы ақуызды мөлшерлеуіне кедергі келтіреді. Төмен сапалы имидазолдағы қоспалар 280 нм толқын ұзындығында сіңіріледі, нәтижесінде УФ-сіңіру арқылы ақуыз концентрациясының дұрыс емес мәні шығады. Тағы бір қарастырылатын әдіс – беттік плазмондық резонанс (SPR). SPR чип бетіндегі белгісіз молекулалардың байланысын анықтай алады. Егер қажетті ақуыз антидене болса, байланыс ақуыздың белсенділігіне тікелей байланысты болады. Ақуыздың белсенді концентрациясын жалпы ақуыздың проценттік мөлшері ретінде көрсетуге болады. SPR ақуыздың белсенділігі мен жалпы өнімділікті жылдам анықтауға мүмкіндік беретін қуатты әдіс болып табылады. Бұл қуатты технология, оны жүзеге асыру үшін арнайы құрал қажет.
Денетуралау жағдайындағы электрофорез
Гельдік электрофорез – зертханада кең қолданылатын әдіс, оны дайындау және талдау мақсатында пайдалануға болады. Электрофорездің негізгі принципі – электр өрісінде зарядталған иондардың қозғалысы. Іс жүзінде, ақуыздар жуғыш зат (SDS) бар ерітіндіде денатурацияланады. Осы жағдайда ақуыздар жазылып, теріс зарядталған жуғыш молекулалармен қапталады. SDS-PAGE-де ақуыздар тек олардың мөлшеріне сәйкес бөлінеді. Талдау әдістерінде ақуыздар мөлшеріне қарай жолақтар түрінде жылжып өтеді. Әр жолақты Кумасси көк бояуы немесе күміс бояуы сияқты бояулар арқылы анықтауға болады. Көп мөлшердегі ақуызды тазартуға арналған дайындау әдістері электрофоретикалық гельден ақуызды алуды қажет етеді. Бұл алу жолақты қамтитын гельдің бөлігін кесіп алуды немесе жолақты гельдің шетінен ағып шыққанда тікелей алуды қамтиды. Тазарту стратегиясы тұрғысынан, денатурациялық электрофорез мөлшерді алып тастау хроматографиясына қарағанда жоғары ажыратымдылықты қамтамасыз етеді, бірақ үлгідегі ақуыздардың көп мөлшерін және соңғы хроматографиялық бағандарды масштабтау мүмкіндігі төмен.
Денатурацияланбаған жағдайда электрофорез
Күрделі ақуыз қоспаларындағы биоактивті металлопротеиндерді оқшаулауға арналған денатурацияламайтын электрофоретикалық әдіс – препараттық туған ПАГЕ. Оқшауланған ақуыздың сақталуы немесе құрылымдық толықтығы тәуелсіз әдіспен расталуы керек.