Быстрая жидкостная хроматография белков - Fast protein liquid chromatography

Быстрая жидкостная хроматография белков

Акроним	FPLC
Классификация	Хроматография
Производители	Система NGC Лаборатории Bio-Rad ), Arista Slice (Практикем ), ÄKTAFPLC (GE Healthcare, Pharmacia ), Контихром (ChromaCon ), БиоСМБ (Pall Life Sciences )
Другие техники
Связанный	Высокоэффективная жидкостная хроматография Аффинная хроматография

Быстрая жидкостная хроматография белков (FPLC), это форма жидкостная хроматография который часто используется для анализа или очистки смесей белков. Как и в других формах хроматографии, разделение возможно, потому что разные компоненты смеси имеют разные родство для двух материалов движущаяся жидкость ( Мобильная фаза ) и пористое твердое тело ( стационарная фаза ). В FPLC подвижная фаза водный раствор, или же "буфер ".^[1] Расход буфера регулируется нагнетательным насосом и обычно поддерживается постоянным, в то время как состав буфера можно изменять, забирая жидкости в разных пропорциях из двух или более внешних резервуаров. Стационарная фаза - это смола состоит из шариков, обычно из сшитой агарозы, упакованных в цилиндрическую стеклянную или пластиковую колонку. Смолы FPLC доступны в широком диапазоне размеров гранул и поверхностных лигандов в зависимости от области применения.

В наиболее распространенной стратегии FPLC ионный обмен выбирается смола, в которой интересующий белок будет связываться со смолой за счет взаимодействия заряда в буфере A (рабочий буфер), но диссоциировать и возвращаться в раствор в буфере B (буфер для элюции). Смесь, содержащую один или несколько представляющих интерес белков, растворяют в 100% буфере А и закачивают в колонку. Представляющие интерес белки связываются со смолой, в то время как другие компоненты переносятся в буфер.^[2] Общий расход буфера поддерживается постоянным; однако доля буфера B («элюирующий» буфер) постепенно увеличивается от 0% до 100% в соответствии с запрограммированным изменением концентрации («градиент»). В какой-то момент во время этого процесса каждый из связанных белков диссоциирует и появляется в элюент. Элюент проходит через два детектора, которые измеряют концентрацию соли (по проводимости) и концентрацию белка (по абсорбции ультрафиолетовый свет на длине волны 280 нм). Когда каждый белок элюируется, он появляется в элюенте как «пик» концентрации белка и может быть собран для дальнейшего использования.^[3]

FPLC был разработан и продается в Швеции компанией Pharmacia в 1982 г.,^[4] и первоначально назывался быстрая жидкостная хроматография для сравнения с ВЭЖХ или высокоэффективная жидкостная хроматография. FPLC обычно применяется только к белкам; однако из-за широкого выбора смол и буферов он имеет широкое применение. В отличие от ВЭЖХ, используемое буферное давление относительно низкое, обычно менее 5 бар, но скорость потока относительно высокий, обычно 1-5 мл / мин. FPLC можно легко масштабировать от анализа миллиграммов смесей в колонках с общим объемом 5 мл или меньше до промышленного производства килограммов очищенного протеина в колонках с объемом много литров. При использовании для анализа смесей элюент обычно собирается фракциями по 1-5 мл, которые могут быть дополнительно проанализированы (например, с помощью МАЛДИ масс-спектрометрии ). При использовании для очистка белка может быть только два сборных контейнера: один для очищенного продукта и один для отходов.^[5]

Компоненты системы FPLC

Типичная лаборатория FPLC состоит из одного или двух высокоточных насосов, блока управления, колонки, системы обнаружения и коллектора фракций. Хотя можно управлять системой вручную, компоненты обычно связаны с персональным компьютером или, в более старых устройствах, с микроконтроллером.

Насосы

В большинстве систем используются два двухцилиндровых двигателя. поршневые насосы, по одному для каждого буфера, объединяя выход обоих в смесительную камеру. В некоторых более простых системах используется один перистальтический насос, который забирает оба буфера из отдельных резервуаров через дозирующий клапан и смесительную камеру. В любом случае система позволяет непрерывно изменять долю каждого буфера, поступающего в столбец. Скорость потока может изменяться от нескольких миллилитров в минуту в настольных системах до литров в минуту для промышленных очисток. Широкий диапазон расхода делает его пригодным как для аналитической, так и для препаративной хроматографии.

Инъекционная петля

Контур впрыска - это отрезок трубки известного объема, который заполняется раствором пробы перед его впрыском в колонку. Объем петли может варьироваться от нескольких микролитров до 50 мл и более.

Впрыскивающий клапан

Клапан впрыска представляет собой клапан с электроприводом, который соединяет смеситель и контур отбора проб с колонкой. Обычно клапан имеет три положения для загрузки петли для образца, для ввода пробы из петли в колонку и для подключения насосов непосредственно к сливной линии для их промывки или замены буферных растворов. Инъекционный клапан имеет порт для загрузки образца, через который образец может быть загружен в инъекционную петлю, обычно из шприца для подкожных инъекций с использованием Люэровский замок связь.

Столбец

Колонка представляет собой стеклянный или пластиковый цилиндр, заполненный шариками смолы и буферным раствором. Обычно он монтируется вертикально, при этом буфер течет вниз сверху вниз. Стеклянная фритта на дне колонки удерживает шарики смолы в колонке, позволяя буферу и растворенным белкам выйти.

Проточная ячейка

Элюент из колонки проходит через одну или несколько проточных ячеек для измерения концентрации белка в элюенте (по поглощению УФ-излучения при 280 нм). Ячейка для измерения проводимости измеряет проводимость буфера, обычно в миллисименсах / см, что указывает на концентрацию соли в буфере. Также обычно включается проточная ячейка, которая измеряет pH буфера. Обычно каждая проточная ячейка подключается к отдельному электронному модулю, который обеспечивает питание и усиливает сигнал.

Монитор / рекордер

Проточные кюветы подключены к дисплею и / или записывающему устройству. В старых системах это был простой самописец, в современных - компьютер с аппаратным интерфейсом и дисплеем. Это позволяет экспериментатору определять, когда возникают пики концентрации белка, указывая на то, что определенные компоненты смеси элюируются.

Коллектор фракций

Коллектор фракций обычно представляет собой вращающуюся стойку, которую можно заполнить пробирками или аналогичными контейнерами. Это позволяет собирать образцы в фиксированных объемах или управлять им для направления определенных фракций, обнаруженных как пики концентрации белка, в отдельные контейнеры.

Многие системы включают в себя различные дополнительные компоненты. Между смесителем и колонкой может быть добавлен фильтр, чтобы минимизировать засорение. В больших колонках FPLC образец может быть загружен в колонку непосредственно с помощью небольшого перистальтического насоса, а не контура ввода. Когда буфер содержит растворенный газ, пузырьки могут образовываться при падении давления там, где буфер выходит из колонки; эти пузырьки создают артефакты, если проходят через проточные ячейки. Этого можно избежать путем дегазации буферов, например с дегазатор, или добавив ограничитель потока после проточных ячеек для поддержания давления 1-5 бар в линии элюента.

Колонки FPLC

Колонки, используемые в FPLC, представляют собой большие [мм] пробирки, которые содержат маленькие [µ] частицы или гелевые шарики, известные как неподвижная фаза.^[6] Хроматографический слой состоит из гелевых шариков внутри колонки, и образец вводится в инжектор и переносится в колонку текущим растворителем. В результате прилипания различных компонентов к гелю или их диффузии через гель смесь образцов разделяется.^[7]

Колонки, используемые с FPLC, могут разделять макромолекулы в зависимости от размера, распределение заряда (ионный обмен ), гидрофобность, обратная фаза или биораспознавание (как с аффинная хроматография ).^[8] Для удобства использования доступен широкий спектр предварительно набитых колонок для таких методов, как ионный обмен, гель-фильтрация (исключение размера), гидрофобное взаимодействие и аффинная хроматография.^[9] FPLC отличается от HPLC тем, что колонки, используемые для FPLC, можно использовать только при максимальном давлении 3-4 МПа (435-580 фунтов на квадратный дюйм). Таким образом, если давление HPLC может быть ограничено, каждую колонку FPLC также можно использовать в аппарате HPLC.

Оптимизация очистки белка

Для очистки целевой молекулы можно использовать комбинации хроматографических методов. Целью очистки белков с помощью FPLC является доставка количества мишени с достаточной чистотой в биологически активном состоянии, подходящей для ее дальнейшего использования. Качество конечного продукта зависит от типа и количества исходного материала, эффективности разделения и селективности очистки смолы. Конечная цель данного протокола очистки - обеспечить требуемый выход и чистоту целевой молекулы самым быстрым, дешевым и безопасным способом для получения приемлемых результатов. Требуемый диапазон чистоты может быть от требуемого для базового анализа (SDS-СТРАНИЦА или же ELISA, например), с удалением только объемных примесей до достаточно чистой для структурного анализа (ЯМР или же Рентгеновская кристаллография ), приближаясь к> 99% целевой молекулы. Требуемая чистота также может означать, что она достаточно чиста для сохранения биологической активности цели. Эти требования могут использоваться для определения количества исходного материала, необходимого для достижения экспериментальной цели. Если исходный материал ограничен и полная оптимизация протокола очистки не может быть выполнена, то ожидается безопасный стандартный протокол, который требует минимальных шагов настройки и оптимизации. . Это может быть неоптимальным с точки зрения времени эксперимента, урожайности и экономии, но позволит достичь экспериментальной цели. С другой стороны, если исходного материала достаточно для разработки более полного протокола, объем работы для достижения цели разделения зависит от доступной информации об образце и свойств целевой молекулы. Пределы разработки протоколов очистки во многом зависят от источника очищаемого вещества, будь то из природных источников (например, собранные ткани или организмы), рекомбинантных источников (таких как использование прокариотических или эукариотических векторов в их соответствующих системах экспрессии), или полностью синтетические источники.

Никакие хроматографические методы не обеспечивают 100% -ный выход активного материала, а общий выход зависит от количества стадий в протоколе очистки. За счет оптимизации каждого шага для достижения намеченной цели и их организации, которая сводит к минимуму межэтапные обработки, количество шагов будет минимизировано.

Типичный протокол многоступенчатой ​​очистки начинается с предварительного этапа улавливания, на котором часто используются ионообменная хроматография (IEC). Смола для среды (неподвижная фаза) состоит из шариков, размер которых варьируется от больших (подходит для высоких скоростей потока и незначительного или нулевого осветления образца за счет разрешения) до маленьких (для наилучшего возможного разрешения при прочих равных условиях). . Короткая и широкая геометрия колонки допускают высокие скорости потока также за счет разрешения, обычно из-за боковой диффузии образца на колонке. Для использования таких методов, как эксклюзионная хроматография, требуются очень длинные тонкие колонки и минимальные объемы образца (максимум 5% от объема колонки). Хроматография гидрофобного взаимодействия (HIC) также может использоваться для первой и / или промежуточной стадий. Селективность в HIC не зависит от текущего pH, и используются нисходящие солевые градиенты. Для HIC кондиционирование включает добавление сульфата аммония к образцу, чтобы соответствовать концентрации буфера А. Если HIC используется до IEC, ионная сила должна быть снижена до уровня буфера A на этапе IEC путем разбавления, диализа или замены буфера с помощью гель-фильтрации. Вот почему IEC обычно выполняется до HIC, поскольку условия элюирования с высоким содержанием соли для IEC идеальны для связывания со смолами HIC на следующей стадии очистки. Полировка используется для достижения необходимого конечного уровня очистки и обычно выполняется на колонке для гель-фильтрации. Можно добавить дополнительную промежуточную стадию очистки или выполнить оптимизацию различных стадий для улучшения чистоты. Этот дополнительный шаг обычно включает в себя еще один раунд IEC при совершенно других условиях.

Хотя это пример общего протокола очистки белков, буферные условия, скорости потока и смолы, используемые для достижения конечных целей, могут быть выбраны таким образом, чтобы охватить широкий диапазон целевых белков. Эта гибкость необходима для функциональной системы очистки, поскольку все белки ведут себя по-разному и часто отклоняются от прогнозов.^[10]

Рекомендации

1. Понтис Х.Г. (01.01.2017). «Глава 3 - Разделение и очистка белков и углеводов». В Pontis HG (ред.). Методы анализа углеводного обмена у фотосинтезирующих организмов. Бостон: Academic Press. С. 45–63. Дои:10.1016 / b978-0-12-803396-8.00003-х. ISBN  978-0-12-803396-8.
2. Рутковски JM, Scherer PE (2014-01-01). Макдугалд О. (ред.). «Выделение и количественное определение комплексов адипонектина высшего порядка». Методы в энзимологии. Методы биологии жировой ткани, Часть A. Academic Press. 537: 243–59. Дои:10.1016 / b978-0-12-411619-1.00013-6. ISBN  9780124116191. ЧВК  4040967. PMID  24480350.
3. «Хроматография, теории, FPLC и не только» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-03-28.>
4. Морено-Аррибас М.В. (01.01.2003), «ХРОМАТОГРАФИЯ | Высокоэффективная жидкостная хроматография», в Кабальеро B, Polo MC (ред.), Энциклопедия пищевых наук и питания (второе издание), Oxford: Academic Press, стр. 1274–1280, Дои:10.1016 / b0-12-227055-x / 00232-7, ISBN  978-0-12-227055-0
5. Шихан Д., О'Салливан С. (2003). «Быстрая жидкостная хроматография белков». В Катлер П. (ред.). Протоколы очистки белков. Методы молекулярной биологии. 244. С. 253–8. Дои:10.1385 / 1-59259-655-X: 253. ISBN  978-1-59259-655-3. PMID  14970563.
6. Алюко Р.Э. (январь 2018). «Пептиды, полученные из пищевых белков: производство, выделение и очистка». Белки в пищевой промышленности. Издательство Вудхед. С. 389–412. Дои:10.1016 / b978-0-08-100722-8.00016-4. ISBN  978-0-08-100722-8.
7. "FPLC Все, что вам нужно знать". Когда растворители нагнетаются в хроматографический слой под действием скорости потока, образец разделяется на различные зоны компонентов образца, которые называются полосами.>
8. Вербеке К., Вербругген А. (июнь 1996 г.). «Полезность быстрой жидкостной хроматографии белков как альтернативы высокоэффективной жидкостной хроматографии препаратов сывороточного альбумина человека, меченных 99mTc». Журнал фармацевтического и биомедицинского анализа. 14 (8–10): 1209–13. Дои:10.1016 / S0731-7085 (95) 01755-0. PMID  8818035.
9. Гёке Б., Кейм В. (апрель 1992 г.). «ВЭЖХ и FPLC. Недавний прогресс в использовании автоматизированных систем хроматографии для разделения секреторных белков поджелудочной железы». Международный журнал панкреатологии. 11 (2): 109–16. Дои:10.1007 / BF02925982 (неактивно 11.11.2020). PMID  1607728.
10. "Стратегии очистки белков. Справочник" (PDF). GE Healthcare Bio-Sciences AB.

внешняя ссылка

Пример оценки риска FPLC (Leeper Group, Кембриджский университет)