Промышленная хроматография белков с близкими физико-химическими свойствами

G. L. Volkov, Ie. N. Krasnobryzha, S. P. Gavriliuk, V. L. Karbovskyi, Bolor Buyanbadrakh, Sumya Byambasuren, Punsaldulam Dashnyam, Narantuya Nandintsetseg, Saruul Dugerzhonzhouu, V. V. Skalka, E. S. Gavryliuk, Tseren Bukha Purev, Ayur Nemekh

Аннотация


В статье обсуждена применимость существующих математических моделей ионообменного хроматографического процесса. Показано, что на конечных этапах для разделения 2-4-х белков или выделения только одного белка из смеси, процесс рассчитывается и моделируется достаточно точно, ускоряя и удешевляя разработку технологии. Однако на начальных хроматографических этапах, когда на колонку наносят образец, состоящий из десятков или даже сотен белков, математическое моделирование элюции целевых белков является весьма приблизительным и затруднено необходимостью получения огромного массива физико-химических данных.
На примере разделения несвязанной фракции белков яда щитомордника Agkistrodon blomhoffi ussuriensis, полученной с Blue Sepharose, где целевыми белками были фибриногенолитический фермент, фосфолипаза А2, сериновая протеиназа и ингибитор агрегации тромбоцитов, продемонстрированы подходы, позволяющие без существенных потерь активности и количества белков с помощью ИОХ ступенчатыми градиентами NaCl развести четыре указные белка по индивидуальным фракциям. Важно отметить, что разница в концентрации NaCl в четырех ступенях градиента составляла 12,0-55,5 mS/см. Показано, что для достаточно близких по физико-химическим свойствам белков, исходя из данных «растянутого» (не менее 20 Vc для зоны 1-60 mS/см) градиента соли и непрерывного мониторинга активности и количества целевых белков высоко чувствительными методами с применением хромо-/флюорогенных субстратов, можно рассчитать прецизионные ступени градиента NaCl и путем 2-х-3-х кратного подбора получить качественное разделение на индивидуальные фракции. Отмечено, что одну из главных ролей в таком подходе играет как первичный подбор конфигурации колонки, сорбента, рН буфера элюции, так и его органическая основа.

Список ссылок

  1. Pavlou A.K., Reichert J.M. / Nat. Biotechnol. 2004. V. 22(12). P. 1513-1519.
  2. BioPortfolio Limited, Biopharmaceuticals Current Market Dynamics & Future Outlook. BioPortfolio Limited, Frampton. --- UK, 2005. http:/www.bioportfolio.com/cgi-in/acatalog/Biopharmaceuticals_Current_Market_ Dynamics_Futur.html.
  3. Headon D.R., Walsh G. / Biotechnol. Adv. 1994. V. 12(4). P. 635-646.
  4. Aggarwal / Nature Biotechnol. 2007. V. 25(10). P. 1097-1104.
  5. Walsh G. / Nat. Biotech. 2000. V. 18(8). P. 831-833.
  6. Smith C. / Nat. Meth. V. 2(1). P. 71-77.
  7. Thiel K.A. / Nat. Biotech. 2004. V. 22 (11). P. 1365-1372.
  8. Lightfoot E.N., Moscariello J.S. / Biotechnol. Bioeng. 2004. V. 87(3). P. 259-273.
  9. Hodge G. / Investing in Process Development. 2004. www.bioprocessingjournal.com.
  10. FDA, Innovation or Stagnation: Challenge and Opportunity on the Critical Path to New Medical Products. US Food and Drug Administration. 2004.
  11. Bensch M., Wierling P.S., Lieres Ev., Hubbuch J. / Chem. Eng. Technol. 2005. V. 28(10). P. 1274-1284.
  12. Rege K., Pepsin M., Falcon B., Steele L., Heng M. / Biotechnol. Bioeng. 2006. V. 93(4). P. 618-630.
  13. Gosling I. / Ind. Biotechnol. 2005. V. 1(1). P. 106-109.
  14. Petrides D.P., Koulouris A., Lagonikos P.T. / Pharm. Eng. V. 22(1). P. 1-8.
  15. Lu Y., Clarkson A., Titchener-Hooker N., Pantelides C., Bogle D. / IChemE Sympos. Ser. 1994. V. 133. P. 183-189.
  16. Petrides D.P. / Comput. Chem. Eng. 1994. V. 18. P. S621-S625.
  17. FDA, Guidance for Industry PAT-A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance. US Food and Drug Administration. 2004.
  18. Barnicki S.D., Siirola J.J. / Comput. Chem. Eng. 2004. V. 28(2). P. 441-446.
  19. Nishida N., Stephanopoulos G., Westerberg A.W. / AIChE J. 1981. V. 27(3). P. 321-351.
  20. Westerberg A.W. / Comput. Chem. Eng. 2004. V. 28(2). P. 447-458.
  21. Guiochon G., Golshan Shirazi S., Katti A.M. / Fundamentals of Preparative Nonlinear Chromatography. 2nd ed. --- New York: Academic Press, 2006.
  22. Katti A.M., Diack M., Zoubair El Fallah M., Golshan-Shirazi S., Jacobson S.C., Seidel-Morgenstern A., Guiochon G. / Acc. Chem. Res. 1992. V. 25. P. 366-374.
  23. Heuer C., Hugo P., Mann G., Seidel-Morgenstern A. / J. Chromatogr. A. 1996. V. 752. P. 19-29.
  24. Teoh H.K., Turner M., Titchener-Hooker N., Sorensen E. / Comput. Chem. Eng. 2001. V. 25. P. 893-903.
  25. Antos D., Kaczmarski K., Piatkowski W., Seidel-Morgenstern A. / J. Chromatogr. A. 2003. V. 1006. P. 61-76.
  26. Kaczmarski K., Antos D., Sajonz H., Sajonz P., Guiochon G. / J. Chromatogr. A. 2001. V. 925. P. 1-17.
  27. Teoh H.K. Optimal Design and Operation of High Performance Liquid Chromatographic Processes. PhD Thesis. --- London: University College London, University of London, 2002.
  28. Gu T., Tsai G.-J., Tsao G.T., Ladisch M.R. / J. Am. Inst. Chem. Eng. 1990. V. 36. P. 1156-1162.
  29. Li Z., Gu Y., Gu T. / Biochem. Eng. J. 1998. V. 2. P. 145-155.
  30. Gu T. Mathematical Modelling and Scale Up of Liquid Chromatography. --- Berlin: Springer-Verlag, 1995.
  31. Gu T., Zheng Y. / Sep. Purif. Technol. 1999. V. 15. P. 41-58.
  32. Klatt K.-U., Dunnebier G., Engell S. / Math. Comput. Simul. 2000. V. 53. P. 449-455.
  33. Piatkowski W., Antos D., Kaczmarski K. / J. Chromatogr. A. 2003. V. 988. P. 219-231.
  34. Kaczmarski K., Antos D. / J. Chromatogr. A. 1996. V. 756. P. 73-87.
  35. Chan S., Titchener-Hooker N., Bracewell D.G., Sorensen E. / AIChE J. 2008. V. 54(4). P. 965-977.
  36. Volkov G.L., Andrianov S.I., Horoshnykova T.V., Borysevych O.S., Gavryliuk O.S. / Ukr. Biokhim. Zh. 2000. V. 72(4-5). P. 109-21.
  37. Kunz C., Lonnerdal B. / Am. J. Clin. Nutr. 1989. V. 49. P. 464-470.
  38. Pedersen L., Mollerup J., Hansen E., Jungbauer A. / J. Chromatogr. B. 2003. V. 790 (1). P. 161-173.
  39. Volkov G., Savchuk A., Karbovskyy V. Method for extracting α-specific thrombin-like enzyme (Ancistron-B) from Agkistrodon blomhoffii ussuriensis venom. Patent WO 2008/020739. 2008.
  40. Volkov G., Savchuk A., Karbovskyy V. Method for extracting phospholipase A2 from Agkistrodon blomhoffii ussuriensis venom. Patent WO 2008/020741. 2008.
  41. Volkov G., Savchuk A., Karbovskyy V. Method for extracting fibrinogenic/ fibrigenolytic protein from Agkistrodon blomhoffii ussuriensis venom. Patent WO 2008/020742. 2008.
  42. Li Z., Agellon L.B., Vance D.E. / J. Biol. Chem. 2005. V. 280(45). P. 37798-37802.
  43. Orellana C.A., Shene C., Asenjo J.A. / Biotechnol. Bioeng. 2009. V 104(3). P. 572-581.
  44. Asenjo J.A., Andrews B.A. / J. Mol. Recognit. 2009. V. 22(2). P.65-76.
  45. Camper DeM.V., Viola R.E. / Anal. Biochem. 2009. V. 393(2). P. 176-181.
  46. Kelley B., Switzer M., Bastek P., Kramarczyk J., Molnar K., Yu T., Coffman J. / Biotechnol. Bioeng. 2008. V. 100(5). P. 950-963.
  47. Harinarayan C., Mueller J., Ljunglof A., Fahrner R., Alstine J.V., Reis R. van. / Biotechnol. Bioeng. 2006. V. 95(5). P. 775-787.
  48. Zeid J., Harinarayan C., Reis R. van. / Biotechnol. Bioeng. 2008. V. 102(3). P. 971-976.
  49. Yang T., Sundling M.C., Freed A.S., Breneman C.M., Cramer S.M. / Anal. Chem. 2007. V. 79(23). P. 8927-8939.
  50. Tsumoto K., Ejima D., Senczuk A.M., Kita Y., Arakawa T. / J. Pharm. Sci. 2007. V. 96(7). P. 1677-1690.
  51. Shiraki K., Kudou M., Fujiwara S., Imanaka T., Takagi M. / J. Biochem. 2002. V. 132(4). P. 591-595.
  52. Arakawa T., Tsumoto K. / Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003. V. 304(1). P. 148-152.
  53. Ejima D., Yumioka R., Arakawa T., Tsumoto K. / J. Chromatogr. A. 2005. V. 1094(1). P. 49-55.
  54. Nozaki Y., Tanford C. / J. Biol. Chem. 1970. V. 245(7). P. 1648-1652.
  55. Tanaka Y., Tsumoto K., Umetsu M., Nakanishi Y., Yasutake Y., Sakai N., Yao M., Tanaka I., Arakawa T., Kumagai I. / Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. V. 323(1). P. 185-191.
  56.  Tsumoto T., Umetsu M., Kumagai I., Ejima D., Arakawa T. / Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003. V. 312(10). P. 1383-1386.
  57. Umetsu M., Tsumoto T., Nitta S., Adschiri T., Ejima D., Arakawa T., Kumagai I. / Biochem. Biophys. Res. Commun. 2005. V. 328(1). P. 189-197.
  58. Arakawa T., Tsumoto T., Nagase K., Ejima D. / Protein Express. Purificat. 2007. V. 54(1). P. 110-116.
  59. Pabst T., Carta G., Ramasubramanyan N., Hunter A., Mensah P., Gustafson M.E. / Biotechnol. Prog. 2008. V. 24(5). P. 1096-1106.
  60. Sluyterman L. A. A. E., Elgersma O. / J. Chromatogr. 1978. V. 150(1). P. 17-30.
  61. Sluyterman L. A. A. E., Wijdenes J. / J. Chromatogr. 1978. V. 150 (1). P. 31-44.
  62. Kang X., Frey D.D. / J. Chromatogr. A. 2003. V. 991(1). P. 117-128.
  63. Pabst T.M., Carta G. / J. Chromatogr. A. 2007. V. 1142(1). P. 19-31.
  64. Strong J.C., Frey D.D. / J. Chromatogr. A. 1997. V. 769(1). P. 129-143.
  65. Pabst T., Antos D., Carta G., Ramasubramanyan N., Hunter A. / J. Chromatogr. A. 2008. V. 1181(1). P. 83-94.
  66. Hardin A.M., Ivory C.F. / J. Colloid Interface Sci. 2006. V. 302(2). P. 560-567.
  67. Liang S., Xu J., Weng L., Dai H., Zhang X., Zhang L. / J. Controlled Release. 2006. V. 115(2). P. 189-196.
  68. Hagel L., Jagschies G., Sofer G. Handbook of Process Chromatography. Development, manufacturing, validation and economics. --- London: Academic Press, 2008. 2nd ed.. P. 189-216.
  69. Cohen S.A., Schure M.R. Multidimensional Liquid Chromatography: Theory and Applications in Industrial Chemistry and the Life Sciences. --- USA: Wiley-Interscience ed., 2008. --- 456 p.
  70. Ion exchange chromatography and chromatofocusing: principles and methods. ---. Uppsala, Sweden:  Amersham Biosciences AB, 2000. --- 188 p.

 


Ключевые слова


промышленная хроматография, разработка технологии, математическое моделирование, ионообменная хроматография

Полный текст: PDF (English) PDF

Ссылки

  • Ссылки не определены.


** ** ** ** ** **

ISSN: 2073-8099

** ** ** ** ** **

 

Подписаться на наши издания Вы можете через каталоги «Газеты. Журналы», сайт http://press.rosp.ru/ Агентства «Роспечать», а также в киосках «Роспечать» в Брянске, Владимире, Краснодаре, Рязани и Иркутске.