DE2339111C3 - Process for the purification of proteins and other biospecific adsorbable substances - Google Patents
Process for the purification of proteins and other biospecific adsorbable substancesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Proteinen und anderen biospezifisch adsorbierbaren Substanzen durch biospe/ifische Adsorption und durch Desorption.The invention relates to a method for cleaning of proteins and other biospecifically adsorbable Substances by biospecific adsorption and by desorption.
Die hohen Kosten zur Herstellung von Proteinen, besonders Reinproteinen sind einerseits in dei relativ geringen Konzentrat!;.:, des Proteins im biologischer. Material, andererseits aber in der aufwendigen mehrstufigen Konzentrierung und Reinigung begründet.On the one hand, the high costs of producing proteins, especially pure proteins, are relative low concentrate!;.:, of the protein in the biological. Material, but on the other hand in the elaborate multi-level Concentration and purification justified.
Die Proteingewinnung erfolgt nach mehreren Standardtechniken, die in wechselnder Aufeinanderfolge bei praktisch allen Verfahren Anwendung finden. Nach mechanischem, chemischem, cnzymaiibcnem und/oder tne/mischem Aufschluß des Rohmaterials erfolgt die Klärung und Konzentrierung des Rohextra1'is und danach die Anreicherung der Proteine durch Fällung mit Salzen, Säuren, Basen, Lösungsmitteln oder durch Adsorption sowie durch Dialyse, Ultra- und Dicfiltration. The protein is obtained according to several standard techniques, which are used in alternating succession in practically all processes. By mechanical, chemical, cnzymaiibcnem and / or tne / mixers digestion of the raw material, the clarification and concentration of the Rohextra 1 'is followed by the enrichment of proteins by precipitation with salts, acids, bases, solvents or by adsorption as well as by dialysis, ultrafiltration is carried out and dicfiltration.
Daran schließt sich die eigentliche Reinigung des Proteins an, d. h. die Abtrennung des gesuchten Proteins von einer großen Anzahl unerwünschter Proteine. Folgende Reinigungsverfahren sind bisher bekannt:This is followed by the actual purification of the protein, i. H. the separation of the protein sought from a large number of undesirable proteins. The following cleaning methods are known so far:
Fraktionierte Fällung und Adsorption sowie Elution und Trennung nach dem Molekulargewicht durch Gelpermeation und Diafiltration und soFractional precipitation and adsorption, as well as elution and separation by molecular weight Gel permeation and diafiltration and such
Trennu g nach Ladung, isoelektrischem Punkt und Ultrazer.trifugation.Separation according to charge, isoelectric point and Ultrazer.trifugation.
Mit diesen Methoden läßt sich in aller Regel nur eine recht unvollständige Reinigung erreichen.As a rule, only incomplete cleaning can be achieved with these methods.
Vor einigen jähren wurde außerdem das Verfahren der biospezifischen Adsorption (Affinitätschromatographie) entwickelt, welche auf der Fähigkeit vieler Protc:nc beruht, gcreisac rviuicKüic zu erkennen und stark zu adsorbieren. Die erkannten Moleküle können sowohl in ihrer chemischen Struktur als auch in ihrem Molekulargewicht sehr verschieden sein; so werden z. B. Aminosäuren oder Proteine, ADP, Nukleinsäuren und andere Moleküle von den entsprechenden Proteinen spezifisch erkanntA few years ago the process of biospecific adsorption (affinity chromatography) was developed, which is based on the ability of many Protc: nc to recognize gcreisac rviuicKüic and to adsorb it strongly. The recognized molecules can be very different both in their chemical structure and in their molecular weight; so z. B. amino acids or proteins, ADP, nucleic acids and other molecules specifically recognized by the corresponding proteins
Diese starke Adsorption erlaubt es nun, sowohl 6s Proteine, wie auch die von ihnen erkannten Substanzen durch biospezifische Adsorption zu reinigen. Dabei wird das Protein oder die von ihm erkannte Substanz an einen festen, chemisch inerten, nicht unspezifisch adsorbierenden, wasserbenetzbaren Träger großer Oberfläche gebunden; die an den Träger kovaient gebundene Substanz soll im folgenden »Affinor« genannt werden.This strong adsorption now allows both 6s proteins and the substances they recognize to be purified by biospecific adsorption. The protein or the substance recognized by it is recognized a solid, chemically inert, not non-specifically adsorbing, water-wettable carrier of large size Surface bound; the substance bound to the carrier kovaient is said to be "Affinor" in the following to be named.
Als Träger wurden bisher nur Granulatschüttungen (z.B. Zellulosepulver) oder hydrophile Gele (z.B. Polysaccharide, Polyarylate) verwendet.So far only granules (e.g. cellulose powder) or hydrophilic gels (e.g. Polysaccharides, polyarylates) are used.
Mit der Affinitätschromatographie erfolgt die Isolation der et kannten Substanz oder des Proteins dergestalt, daß dessen Lösung über den effinor-substituierten Träger geleitet wird, alle unerwünschten nieder- und hochmolekularen Nebenprodukte, weiche den Träger ohne Verzögerung passieren, ausgewaschen werden und das biospezifisch adsorbierte Produkt dann durch Änderung des pH-Wertes, der Salzkonzentration, Zugabe von Substrat, Innibitor (kompetitive Verdrängung), Effektor etc. eluiert wird.Affinity chromatography is used to isolate the known substance or protein in such a way that its solution is passed over the effinor-substituted carrier, all undesired low- and high molecular weight by-products that pass through the carrier without delay are washed out and the biospecifically adsorbed product is then changed by changing the pH value, the salt concentration, Addition of substrate, innibitor (competitive displacement), effector, etc. is eluted.
Die dabei anzuwendenden Bedingungen sind oft sehr derb, wobei nicht nur die die Adsorption bedingenden nichtkovalenten Bindungen zwischen der trägerfixierten Substanz und der zu isolierenden Substanz, sondern auch die die Tertiär- und/oder Quartärstruktur des Proteins stabilisierenden Bindungen (ebenfalls nichtkovalente Bindungen) gespalten werden können. Da die Denaturierung von Proteinen ein oft langsamer Prozeß ist (hohe Aktivierungsenergie), ist der Anteil denaturierten Proteins stark von der F.lurionszeit abhängig.The conditions to be used are often very harsh, and not only those that cause adsorption non-covalent bonds between the carrier-fixed Substance and the substance to be isolated, but also the tertiary and / or quaternary structure of the Protein-stabilizing bonds (also non-covalent bonds) can be cleaved. Since the Denaturation of proteins is an often slow process (high activation energy), the proportion is denatured Protein strongly dependent on the F. lurion time.
Bei der Übertragung dieser Methode in den techrischen Maßstab ergeben *ich folgende Schwierigkeiten: When transferring this method to the technical scale, the following difficulties arise:
Die bisher für die biospezifische Adsorption verwendeten Träger sind teuer.
Ihre chemischen, vor allem aber die physikalischen Eigenschaften sind nicht ausreichend für die
technische Anwendung, weil weder die im Batchbetrieb
durch Rühren auftretenden Scherkräfte noch die in etwas größeren Säulen auftretenden Drücke
bewältigt werden können.The carriers previously used for biospecific adsorption are expensive.
Their chemical properties, but above all their physical properties, are not sufficient for technical use, because neither the shear forces that occur in batch operation due to stirring nor the pressures that occur in somewhat larger columns can be mastered.
Das Protein ist in vielen Fällen den seh- derben Bedingungen er Desorption (sowohl im Batch-, besonders aber im Säulenverfahren) relativ lange ausgesetzt Dadurch wird der Anteil an denaturiertem Protein hoch.In many cases, the protein is subject to the same conditions of desorption (both in batch, but especially in the column method) exposed for a relatively long time This means that the proportion of denatured Protein high.
Die langen Verweilzeiten in der Säule oder im Batch sind verständlicherweise auch aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig.The long residence times in the column or in the batch are understandably also for economic reasons Reasons disadvantageous.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile der Affinitätschromatographie zu beseitigen und vor altem die venveilzeit des Proteins im desorbierenden Milieu erheblich zu verringern.The invention has for its object to eliminate the disadvantages of affinity and significantly decreasing the protein in the desorbed milieu in front of old v enveilzeit.
Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe in überraschend einfacher Weise dann gelöst werden kann, wenn bei dem Reinigungsverfahren der eingangs genannten Art die Adsorption an eine Ultrafiltrationsmembrane enoigt, an deren produktseitiger Oberfläche die biospezifisch adsorbierenden Gruppen (Affinere) kovalent gebunden sind, und wenn die Desorption des biospezifisch adsorbierten Produkts durch umgekehrten FIuB des Desorbens (von der Diaiysatseiie zur Produktseite) durchgeführt wird.It has now been shown that this object can be achieved in a surprisingly simple manner if, in the cleaning process of the type mentioned, the adsorption on an ultrafiltration membrane is enoigt, on the product-side surface of which the biospecific adsorbing groups (affiners) are covalently bonded, and if the desorption of the biospecifically adsorbed product is carried out by reversing the flow of the desorbent (from the diaiysate to the product side).
Eine vorteilhafte Ausführungsart des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die Uiirafütrationsmembrane zur Erhöhung der Oberfläche mit hydrophilen stark hydratisierten organischen Polymeren substituiert ist und diese Polymeren mit den biospezifischenAn advantageous embodiment of the method according to the invention is that the Uiirafütrationsmembrane substituted with hydrophilic highly hydrated organic polymers to increase the surface area is and these polymers with the biospecific
adsorbieren^ Grippen (Affinor) substituiert sind. Als Substituenten eignen sich vorzugsweise Polysaccharide, Polyvinylpyrolkk>n, Polyacrylsäurederivate (-ester, -amid md Copolymere^ Dadurch kann die biospezifische Adsorptionskapazität (biosDezifisch adsorbierte Substanz pro Flächeneinheit M ;mbrane) der Membrane wesentlich erhöht werden.adsorb ^ flu (Affinor) are substituted. When Substituents are preferably polysaccharides, polyvinylpyrenekk> n, polyacrylic acid derivatives (esters, -amid md copolymers ^ This allows the biospecific adsorption capacity (biosDecifically adsorbed Substance per unit area M; mbrane) of the membrane can be increased significantly.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird — neben der Lösung der genannten Probleme der biospezifischen Adsorption — cogar die Abwicklung der Diafiltration und der biospezifischen Adsorption in einem Schritt ermöglicht was ebenfalls eine erhebliche Vereinfachung dsrstciitWith the method according to the invention, in addition to solving the problems mentioned, the biospecific adsorption - even the handling the diafiltration and the biospecific adsorption in one step, which also enables a considerable amount Simplification dsrstciit
Ein wichtiger Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Desorption durch die dialysatseitige Aufgabe des desorbierenden Mediums auf die Membrane — gegebenenfalls unter leichtem Oberdruck gegenüber dem rohproduktseitigen Druck — unter gleichzeitigem oder nachfolgendem Abtransport des desorbienen Produktes durch die rohproduktseitig zirkulierende Flüssigkeit welche wesentlich milder als das zur Desorption benötigte Medium sein kann.An important step of the method according to the invention is the desorption by the task on the dialysate side of the desorbing medium on the membrane - possibly with a slight overpressure opposite the pressure on the raw product side - with simultaneous or subsequent removal of the desorbing Product due to the liquid circulating on the raw product side, which is much milder than that of the Desorption required medium can be.
Die Desorpiionsmethode nach der Erfindung ist deshalb wesentlich schonender als die Desorption nach bisherigen Vf. 'ahren, weil nur in der dünnen Schicht an der Membranoberfiäche das Protein dem Desorptionsmittel ausgesetzt ist und sehr rasch in die produktseitig zirkulierende Flüssigkeit gelangt. Die sonst dreidimensionale Verteilung des Proteins im Träger, ob nun als Affinor oder als adsorbiertes Produkt, wird ersetzt durch eine quasi zweidunensk.nale, wobei die dritte Dimension (senkrecht zur MeiTibranoberfläche) rasche Desorption und kurze Kontaktzeiten mit dem Desorbens ermöglichtThe desorption method according to the invention is therefore much gentler than the desorption according to previous methods, because only in the thin layer the membrane surface the protein is exposed to the desorbent and very quickly into the product side circulating fluid enters. The otherwise three-dimensional distribution of the protein in the carrier, whether as a Affinor, or as an adsorbed product, is replaced by a quasi two-dimensional scale, the third being Dimension (perpendicular to the MeiTibran surface) rapid Allows desorption and short contact times with the desorbent
Im folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Herstellung hierzu verwendeter Membrane an ,iav.d einiger Beispiele näher erläutert In the following, the implementation of the method according to the invention and the production of the membranes used for this purpose are explained in more detail with a few examples
Beispiel 1 ^0 Example 1 ^ 0
Regenerkrie Ceöulose-UItrafilter wurden in der Ultrafütraüonskanuner über 10 Minuten mit einer Lösung von BrCN (25 mg/ml) bei 20 bit 25CC aktiviert Dabei wurde die uagepunipte BrCN-Lösung kontinuierlich mit 2π-ΗξΟΗ Γ pH 11.0 gfhaltea Nach Waschen mit Wasser wurde mit o-Aminobuttersäure umgesetzt Die Aktivierung der COOH-Funktion erfolgte mit lös&chcn Carbodnmid; danach wurde mit einer überschüssige Lösung von Trypsininhibitor (Soja lohnen) msgeseizt Die Membrane enthielt pro m2 Regenerkrie Ceöulose-UItrafilter were activated in the Ultrafütraüonskanuner for 10 minutes with a solution of BrCN (25 mg / ml) at 20 bit 25 C C reacted with o-aminobutyric acid The activation of the COOH function was carried out with soluble carbodiment; Thereafter, msgeseizt was carried out with an excess solution of trypsin inhibitor (soybean wages). The membrane contained per m 2
B. HohlfaseTTBOälii! mit biospezifischer Aktivität gegenüber Guaniadeaminase und XsnthinosidaseB. HohlfaseTTBOälii! with biospecific activity versus guaniadeaminase and xnthinosidase
Ein Hohlfasermodul rail IGQ ml Inhalt ausgeriistet mit CcHüloscTaEer?! sät eissr MsickulargewichtsausscfiliiB-grenze von SS® wmde, cne bei A. bes±rieben, mitA hollow fiber module rail IGQ ml content equipped with CcHüloscTaEer ?! sows eissr muscular weight exclusion limit of SS® wmde, cne in A. bes ± rubbed, with aktiviert ms! direkt ruh emer Lösung vonactivated ms! directly rest a solution of
pfäenyllguanin umgesetzt (B. R. HAI Säsbesssick. |. Msd. Oism. t4 pfänenyllguanin implemented (BR HAI Säsbesssick. |. Msd. Oism. t4
er!islt€$iser! islt € $ is
von Guanindeamin.'se und Xanthineoxidase verglichen. Die Bedingungen' «züglich Lösungsmittel. pH, Konzen-'-•Mion und Temperatur entsprachen dabei den Gegebenheiten nach der genannten Literaturstelle.of guanindeamine.'se and xanthine oxidase compared. The conditions for solvents. pH, concentration -'- • Mion and temperature corresponded to the conditions according to the cited reference.
Die Elution von Guanindeaminase erfolgte durch eluatseitige Aufgabe von 1,0 m molarem Guanin nach 5 Minuten Inkubation spontan. Xanthine'Oxidase wurde mit 1 m molaren Hypoxantine — eluatseitig aufgegeben — eluiert Die wiedergewonnene Enzymaktivität lag über 90%.The elution of guanine deaminase was carried out by adding 1.0 m molar guanine to the eluate after 5 Minutes of spontaneous incubation. Xanthine 'oxidase was with 1 m molar Hypoxantine - applied on the eluate side - eluted. The recovered enzyme activity was over 90%.
3iospezifische Adsorption von Ribonuklease an modifizierten Rachmembranen3iospecific adsorption of ribonuclease on modified throat membranes
y-Strahlen pfropfpolymerisierte Membranen nach der Literatur (A. G. H off mann, G. Schmer, C. Harris, W.G. Kraft, Trans.Amer.Soc. Actif Int Org. 18 [1972], 10-16) hergestellt, wurden im Filtrationsgerät bei 20° Pr 10—15 Minuten mit 10% Bromcyan in 0,2 mNaiCOj aktiviert wobei der pH-Wert auf 15.0 gehalten wurde.y-rays graft polymerized membranes according to the Literature (A. G. H off mann, G. Schmer, C. Harris, W.G. Kraft, Trans.Amer.Soc. Actif Int Org. 18 [1972], 10-16), were used in the filtration device at 20 ° Pr for 10-15 minutes with 10% Cyanogen bromide in 0.2 mNaiCOj activates the pH value was held at 15.0.
a) Nach kurzem 10%-Lösunga) After a short time 10% solution
vonfrom
Auswaschen wurde mit einer 5'-{4-AminophenyIphosphoyJPVp (cyL Phosphat) in einer Carbonatpufferlösung von pH 9 versetzt und für 24 Stunden bei 4°C gehalten.Wash out was with a 5 '- {4-AminophenyIphosphoyJPVp (cyL phosphate) in a Carbonate buffer solution of pH 9 was added and kept at 4 ° C. for 24 hours.
b) Nach Auswaschen wurde mit einer 15%-Lösung von ε-Aminocapronsäure in einer Pufferlösung von pH 9 versrtzt Nach beendeter Reaktion (mehrere Stunden) wurde die Carboxylgruppe mit wasserlöslichen Carbodimid aktiviert (30 Minuten) und mit 5'-{4-Aminophenyiphosphoryl)uridine-2'(3')-phosphat, dessen Strukturformel nachstehend wiedergegeben ist umgesetztb) After washing with a 15% solution of ε-aminocaproic acid in a buffer solution of pH 9 offset After the reaction had ended (several hours) the carboxyl group was activated with water-soluble carbodimide (30 minutes) and with 5 '- {4-Aminophenyiphosphoryl) uridine-2' (3 ') - phosphate, the structural formula of which is shown below, implemented
H2N-H 2 N-
0-P-OCH2 ~0-P-OCH 2 ~
ι ι y°\ ι ι y ° \
ö. V N ö. V N
O O O O
5555
^fesfsfarsn doichgeführt. Die asmh ^ fesfsfarsn doichführung. The asmh
«sea S. S. Baker) bsi"Sea S. S. Baker) bsi J O-J O-
Bd VerweßdiJ^ der ajf diese Weise hergeste«tai Membrane zor Rein^mg von Ribonuklease betrug die Kapaziiät der usier a) erhaltenen metnsrasie zymgr cnv^Membraai^dj^ die tsater b) beschriebene Membrane hatte eise et&ss geradere K&paznäi. zeigte jedoch stärkere Msoxpusmasr RgxMmklease.Bd VerwerßdiJ ^ the ajf this way manufactured membrane zor pure ^ mg of ribonuclease was the capacity of the usier a) obtained metnsrasie zymgr cnv ^ Membraai ^ dj ^ the tsater b) described membrane had iron et & ss straighter K & paznäi. however , showed stronger Msoxpusmasr RgxMmclease.
BeJspee! 3BeJspee! 3
smssms
andother
Pfropfpolymerisation mit Hydioxyäthylmctacrylal — durchgeführt analog zu in der Literatur beschriebenen Verfahren — wurde ein Produkt erhallen, welches um wenig veränderte Ultrafillrationseigenschaften zeigte. Es wurde auch hier nach der in Beispiel 2 beschriebenen Methode aktiviert und wie unter a) weiter umgesetzt.Graft polymerization with Hydroxyäthylmctacrylal - carried out analogously to the processes described in the literature - a product was obtained which was around showed little changed ultrafiltration properties. Here, too, it was activated by the method described in Example 2 and reacted further as under a).
Bei Verwendung der nach diesem Beispiel hergestellten Membrane zur Reinigung von Ribonuklease wurde eine Bindekapazität von lO"2g Ribonuklease festgestellt. Die Elution erfolgte sehr rasch durch eluatseitige Aufgabe von 0,3 m Essigsäure und produktseitiges Spülen mit 0,05 m Essigsäure.When the membrane produced according to this example was used to purify ribonuclease, a binding capacity of 10 " 2 g ribonuclease was found. Elution took place very quickly by adding 0.3 M acetic acid on the eluate side and rinsing the product with 0.05 M acetic acid.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732339111 DE2339111C3 (en) | 1973-08-02 | Process for the purification of proteins and other biospecific adsorbable substances |
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DE2339111A1 DE2339111A1 (en) | 1975-03-06 |
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