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.