Введение
Биохимический метод
Очистка белка – это совокупность процессов, направленных на выделение одного или нескольких белков из сложной смеси, как правило, клеток, тканей или целых организмов. Очистка белков необходима для определения функции, структуры и взаимодействий интересующего белка. Процесс очистки может разделять белки и небелковые компоненты смеси и, в конечном итоге, выделять целевой белок из всех остальных белков. В идеале, для изучения интересующего белка, его необходимо отделить от других клеточных компонентов, чтобы примеси не мешали исследованию его структуры и функции. Выделение одного белка из всех остальных обычно является наиболее трудоемким этапом очистки белка. Этапы разделения обычно используют различия в размере белка, физико-химических свойствах, сродстве к лигандам и биологической активности. Полученный чистый продукт может быть назван белковым изолятом.
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.
Цель
Стоимость производства белков остается высокой, и растет потребность в разработке экономически эффективных и быстрых методов очистки белков. Понимание различных методов очистки белков и оптимизация последующей обработки имеют решающее значение для минимизации производственных затрат при сохранении качества, соответствующего приемлемым стандартам однородности. Очистка белков может быть препаративной или аналитической. Препаративная очистка направлена на получение относительно большого количества очищенных белков для последующего использования. Примеры включают производство коммерческих продуктов, таких как ферменты (например, лактаза), пищевые белки (например, изолят соевого белка) и некоторые биофармацевтические препараты (например, инсулин). Для удаления побочных продуктов, таких как белки клеток-хозяев, представляющие потенциальную угрозу для здоровья пациента, часто применяют несколько этапов препаративной очистки. Аналитическая очистка позволяет получить относительно небольшое количество белка для различных исследовательских или аналитических целей, включая идентификацию, количественное определение и изучение структуры белка, посттрансляционных модификаций и функции. Каждый этап схемы очистки белка контролируется с учетом уровней очистки и выхода. Высокий уровень очистки при низком выходе оставляет недостаточное количество белка для проведения экспериментов. С другой стороны, высокий выход при низком уровне очистки приводит к наличию множества загрязнителей (белков, отличных от целевого), которые мешают исследованиям. Наконец, клеточный детрит можно удалить с помощью дифференциальной центрифугирования – процедуры, при которой гомогенат центрифугируют сначала с низкой скоростью, а затем с большей силой, получая осадок, состоящий из ядер, и супернатант. Это дает несколько фракций с уменьшающейся плотностью, к которым применяют более селективные методы очистки, или используют Strep-тег для облегчения очистки, сокращая число необходимых этапов. Аналитическая очистка обычно использует три свойства для разделения белков. Во-первых, белки можно очищать в соответствии с их изоэлектрическими точками, пропуская их через гель с градиентом pH или колонку ионного обмена. Во-вторых, белки можно разделять по размеру или молекулярной массе с помощью гель-фильтрационной хроматографии или анализа SDS-PAGE (электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия). Белки часто очищают с помощью 2D-PAGE, а затем анализируют методом пептидного картирования для установления идентичности белка. Это очень полезно для научных целей, и пределы обнаружения белков в настоящее время очень низки, и для их анализа достаточно нанограммовых количеств белка. В-третьих, белки можно разделять по полярности/гидрофобности с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии или хроматографии с обращенной фазой. Обычно протокол очистки белка включает один или несколько хроматографических этапов. Основная процедура в хроматографии заключается в пропускании раствора, содержащего белок, через колонку, заполненную различными материалами. Различные белки по-разному взаимодействуют с материалом колонки, и поэтому их можно разделить по времени, необходимому для прохождения колонки, или по условиям, необходимым для элюирования белка из колонки. Обычно белки обнаруживают по их поглощению при 280 нм при выходе из колонки. Существует множество различных методов хроматографии:
Осадки и дифференциальная растворимость
Большинству белков требуется некоторое количество соли для растворения в воде, этот процесс называется "солянием". При увеличении концентрации соли белки могут выпадать в осадок, процесс, известный как "высаливание", который связан с изменением растворимости белка. Это достигается путем добавления возрастающих количеств сульфата аммония и сбора различных фракций осажденного белка. В дальнейшем сульфат аммония можно удалить с помощью диализа (разделения белков от малых молекул посредством полупроницаемой мембраны). Кроме того, используемая среда обычно обеспечивает менее жесткие условия денатурации, чем другие хроматографические методы, что способствует сохранению белка интереса в его нативном и функциональном состоянии. В чистой воде взаимодействие между смолой и гидрофобными участками белка было бы очень слабым, однако это взаимодействие усиливается при нанесении образца белка на HIC-смолу в буфере с высокой ионной силой. Затем ионная сила буфера снижается для элюирования белков в порядке убывания гидрофобности.
Афинитетная хроматография
Аффинная хроматография – еще один мощный метод разделения, высокоселективный по отношению к целевому белку, основанный на его молекулярной конформации, и часто использующий смолы, специфичные для конкретных задач. Эти смолы содержат лиганды, прикрепленные к их поверхности, которые специфичны к разделяемым соединениям. Чаще всего эти лиганды функционируют подобно взаимодействию антигена и антитела. Такое "ключ-замок" соответствие между лигандом и его целевым соединением обеспечивает высокую специфичность, часто приводя к получению единственного пика, в то время как все остальные компоненты образца не удерживаются. Многие мембранные белки являются гликопротеинами и могут быть очищены с помощью аффинной хроматографии на лектинах. Белки, растворенные в детергентах, могут быть адсорбированы на хроматографической смоле, модифицированной ковалентно связанным лектином. Белки, не связывающиеся с лектином, удаляются промывкой, а затем специфически связанные гликопротеины элюируются добавлением высокой концентрации сахара, который конкурирует со связанными гликопротеинами за место связывания с лектином. Некоторые лектины обладают высокой аффинностью к олигосахаридам гликопротеинов, которую сложно преодолеть конкуренцией с сахарами, поэтому связанные гликопротеины необходимо высвободить путем денатурации лектина.
Иммуноаффинитетная хроматография
Иммуноаффинная хроматография использует специфическое связывание антитела с антигеном для селективной очистки целевого белка. Процедура заключается в иммобилизации лиганда на твердой подложке (например, пористой бусины или мембраны), который затем избирательно связывает целевой белок, в то время как все остальное вымывается. Целевой белок может быть элюирован путем изменения pH или солености. Иммобилизованным лигандом может быть антитело (например, иммуноглобулин G) или белок (например, белок A). Поскольку этот метод не требует введения метки, он может быть использован для белков, полученных из природных источников.
HPLC
Высокоэффективная жидкостная хроматография или жидкостная хроматография высокого давления – это вид хроматографии, в котором высокое давление используется для ускорения прохождения растворенных веществ через колонку. Это ограничивает диффузию и повышает разрешение. Наиболее распространенным вариантом является жидкостная хроматография с обращенной фазой (reversed-phase HPLC), где материал колонки гидрофобен. Белки элюируются градиентом увеличивающейся концентрации органического растворителя, например, ацетонитрила. Элюирование белков происходит в соответствии с их гидрофобностью. После очистки методом ВЭЖХ белок находится в растворе, содержащем только летучие соединения, и его можно легко лиофилизировать. Очистка методом ВЭЖХ часто приводит к денатурации очищенных белков и поэтому не подходит для белков, которые не способны к спонтанной ренатурации.
Очистка маркированного белка
Другой способ маркировки белков – это введение пептидного антигенного метка в структуру белка, а затем очистка белка на колонке или путем инкубации со свободной смолой, покрытой иммобилизованными антителами. Эта процедура известна как иммунопреципитация. Иммунопреципитация позволяет добиться чрезвычайно специфического взаимодействия, которое обычно приводит к связыванию только целевого белка. Очищенные белки с меткой можно легко отделить от других белков в растворе и затем элюировать обратно в чистый раствор. Когда метки больше не требуются, их можно отщепить с помощью протеазы. Это часто включает в себя создание участка расщепления протеазой между меткой и белком. Следует отметить, что саморасщепляющийся метка устраняет необходимость использования протеаз для отделения метки от целевого белка во время процесса очистки (например, iCapTag™). Основным компонентом такого метка является интеин, который отщепляется при простом изменении pH. Затем целевой белок без метки и в очищенном виде высвобождается в элюирующий буфер.
Концентрация очищенного белка
В конце очистки белка зачастую требуется его концентрирование. Существуют различные способы.
Лиофилизация
Если раствор не содержит других растворимых компонентов, кроме целевого белка, то белок можно лиофилизировать (высушить). Обычно это делается после проведения ВЭЖХ. Это позволяет удалить все летучие компоненты, оставляя только белок.
Ультрафильтрация
Ультрафильтрация концентрирует раствор белка, используя селективно проницаемые мембраны. Мембрана пропускает воду и мелкие молекулы, задерживая при этом белок. Раствор подается к мембране под давлением, создаваемым механическим насосом, газовым давлением или центрифугированием.
Оценка доходности очистки
Наиболее общий метод контроля процесса очистки – это проведение SDS-PAGE на различных этапах. Этот метод дает лишь приблизительную оценку количества различных белков в смеси и не позволяет различать белки с близкой кажущейся молекулярной массой. Если белок обладает характерным спектроскопическим свойством или ферментативной активностью, это свойство можно использовать для обнаружения и количественной оценки конкретного белка, а следовательно, и для отбора фракций разделения, содержащих этот белок. Если доступны антитела к белку, то с помощью вестерн-блоттинга и ELISA можно специфически определить и количественно оценить количество целевого белка. Некоторые белки функционируют как рецепторы и могут быть обнаружены на этапах очистки с помощью анализа связывания лиганда, часто с использованием радиоактивного лиганда. Для оценки многоступенчатой очистки необходимо сравнить количество специфического белка с общим количеством белка. Последнее можно определить с помощью общего белкового анализа Брэдфорда или по поглощению света при 280 нм, однако некоторые реагенты, используемые в процессе очистки, могут мешать количественному определению. Например, имидазол (обычно используемый для очистки рекомбинантных белков с полигистидиновым тегом) является аналогом аминокислоты и при низких концентрациях будет влиять на результат анализа бицинхониновой кислоты (BCA) для количественного определения общего количества белка. Примеси в имидазоле низкого качества также поглощают при 280 нм, что приводит к неточному определению концентрации белка по данным УФ-спектрофотометрии. Другим методом, который следует рассмотреть, является поверхностный плазмонный резонанс (SPR). SPR позволяет обнаруживать связывание молекул без меток на поверхности чипа. Если целевой белок является антителом, то связывание можно напрямую связать с активностью белка. Активную концентрацию белка можно выразить в процентах от общего количества белка. SPR может быть мощным методом для быстрой оценки активности белка и общего выхода. Это эффективная технология, требующая специального оборудования.
Электрофорез в условиях денатурирования
Гелевый электрофорез – это распространенная лабораторная техника, которую можно использовать как в препаративных, так и в аналитических целях. Принцип электрофореза основан на перемещении заряженного иона в электрическом поле. На практике белки денатурируют в растворе, содержащем детергент (SDS). В этих условиях белки разворачиваются и покрываются отрицательно заряженными молекулами детергента. В SDS-PAGE белки разделяются исключительно по размеру. В аналитических методах белки мигрируют в виде полос в зависимости от размера. Каждую полосу можно обнаружить с помощью красителей, таких как краситель Кумасси или серебряное крашение. Препаративные методы для очистки больших количеств белка требуют извлечения белка из электрофоретического геля. Это извлечение может включать в себя вырезание участка геля, содержащего полосу, или элюирование полосы непосредственно из геля по мере ее выхода с конца геля. В контексте стратегии очистки, денатурирующий электрофорез обеспечивает более высокое разрешение по сравнению с гель-фильтрацией, но не позволяет обрабатывать такие большие количества белков в образце, как современные хроматографические колонки.
Электрофорез в неденатурирующем состоянии
Препаративная нативная ПАГЭ – это не денатурирующая электрофоретическая процедура для выделения биоактивных металлопротеинов из сложных белковых смесей. Необходимо подтвердить сохранность или структурную целостность выделенного белка с помощью независимого метода.