Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido.  Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Chromatography-based Biomolecule Purification Methods
  • 00:00Descripción
  • 00:41Size-Exclusion Chromatography
  • 02:08Operation of Size-Exclusion Chromatography
  • 02:58Affinity Chromatography
  • 05:11Operation of Affinity Chromatography
  • 06:25Applications
  • 07:30Summary

שיטות טיהור ביומולקול מבוססות כרומטוגרפיה

English

Compartir

Descripción

בביוכימיה, שיטות טיהור מבוססות כרומטוגרפיה משמשות כדי לבודד תרכובות מתערובת מורכבת. שתי שיטות כאלה המשמשות בדרך כלל על ידי ביוכימאים הן כרומטוגרפיה גודל-הדרה וכרומטוגרפיה זיקה. בכרומטוגרפיה של אי-הכללת גודל, עמודה עמוסה חרוזים נקבוביים מפרידה בין רכיבים של תערובת בהתבסס על גודל. מצד שני, כרומטוגרפיה של זיקה מאפשרת הפרדה ספציפית יותר של ביומולקולים באמצעות עמודה המורכבת משלב נייח, המכיל ליגנדים ספציפיים למטרה.

וידאו זה משמש מבוא לכרומטוגרפיה של אי-הכללת גודל וזיקה, כמו גם למושגים השולטים בהם. הליך שלב אחר שלב לטיהור של חלבון מתויג היסטידין על ידי כרומטוגרפיה זיקה מתכתית משותקת מתואר. יישומים עבור שתי שיטות כרומטוגרפיות אלה בביוכימיה ומחקר ביו-רפואי הם גם פרופיל.

“כרומטוגרפיה” מתייחס למגוון רחב של שיטות המשמשות לבידוד רכיב מתערובת מורכבת, צעד חיוני לפני שניתן לקבוע את תכונותיו ופעילותו של הביו-מוקולקול. לכל טכניקה כרומטוגרפית יש מנגנון שונה להפרדה, בהתאם למטריקס לדוגמה ולתרכובת היעד. וידאו זה יתמקד בעקרונות ובתפעול של שתי שיטות המשותפות לביוכימיה: מידה-הדרה וכרומטוגרפיה של זיקה.

כרומטוגרפיה של אי-הכללת גודל או SEC מבוססת על גודל התרכובות במדגם. שלב נייד המכיל את המדגם נוסף לעמודה עם חומר נקבובי: השלב הנייח. המולקולות במדגם מתחלקות ל-1 מתוך 3 קטגוריות.

מולקולות גדולות מכדי להיכנס לנקבוביות נעות במרחק הקצר ביותר דרך העמוד. כל מין עם משקל מולקולרי מעל “מגבלת אי הכללה” זו ייצא מהטור בו זמנית. מולקולות קטנות מספיק כדי להיכנס בחופשיות לנקבוביות יישמרו הכי הרבה זמן, ויצאו מהטור יחד. המשקל המולקולרי המאפשר כניסת נקבובית מלאה הוא “מגבלת החלחלות”.

רק מולקולות בין גבולות אלה יופרדו זו מזו, שכן הן מבלות כמויות משתנות של זמן בהתפזרות לתוך הנקבוביות ומחוצה להן. מולקולות קטנות יותר נשמרות זמן רב יותר על העמודה מכיוון שהן מבלות יותר זמן בשלב הנייח, בעוד שמולקולות גדולות יותר בגבולות אלה יוצאות מוקדם יותר.

משקלים מולקולריים על פני 1 עד 2 סדרי גודל נופלים בגבולות אלה. עמודות נבחרות מתוך מחשבה זו, או שניתן להשתמש בעמודות מרובות בסידרה אם קיים מגוון רחב של תרכובות רצויות.

עכשיו שראיתם את התיאוריה של הרשות לניירות ערך, בואו נראה איך זה מתבצע.

כדי להתחיל בהליך ה- SEC, יש לשקם את העמודה עם מאגר מים וכרומטוגרפיה דה-יונים. לאחר ההכנה, המאגר המכיל את המדגם מוזרק לעמודה. לאחר מכן, המאגר נדחף פנימה בקצב זרימה נמוך. גלאי מנטר את היציאה מהעמודה כדי לקבוע את נוכחות הניתוח הרצוי. מולקולות גדולות עם משקולות מולקולריות מעל מגבלת ההדרה יוצאות מהעמודה בו זמנית. שברים קטנים מהעמודה נאספים בצינורות. כל שבר נבדק לאיכות מולקולת היעד על ידי אלקטרופורזה ג’ל או טכניקות אנליטיות אחרות.

עכשיו בואו נסתכל על כרומטוגרפיה של זיקה או AC, אחת הדרכים היעילות ביותר לטהר חלבונים. ביומולקולים רבים נקשרים באופן סלקטיבי לנכסים מסוימים – A אשר AC משתמש בו על ידי דבקות בליגנד ספציפי למטרה לשלב הנייח.

כאשר התערובת זורמת דרך העמודה, מולקולות היעד מתחברות לליגנד, והשאר זורמות פנימה. לאחר שהתערובת עברה דרך הטור, ניתן לאסוף את מולקולת היעד באמצעות אחת משתי שיטות עילום המבוססות על ספציפיות.

האלה ביו-פיספית יכולה להיאמר שיש לה “תפקיד נורמלי” או “הפוך”. בהתבררות ביו-פסיפית בעלת תפקיד רגיל, מתווסף סוכן שמתחרה בליגנד הדבוק כדי להיקשר לביומולקול היעד.

בהתבררות ביו-פיספית של תפקיד הפוך, סוכן מתחרה במטרה להיקשר לליגנד הדבוק. סוג ההחמקה השני, ההבהרה הלא-מינית , מוריד את איגוד היעד לליגנד על ידי שינוי ה- pH, הכוח היוני או הקוטביות של הפתרון. אם חלבון אינו נקשר לליגנד שניתן לשתק, ניתן לבטא את החלבון המכיל “תג”: רצפי פפטיד קצרים שתוכננו להיקשר לליגנד.

מגוון אחד הוא כרומטוגרפיה של זיקת יון מתכת משותקת, “IMAC” בקיצור, שם ליגנד מתכת דבק, כמו ניקל או קובלט, נקשר לשאריות היסטידין על החלבון המותאם. באמצעות טכניקות ביולוגיה מולקולרית, חלבוני היעד נוצרים עם שאריות היסטידין חוזרות, הנקראות תג פוליהיסטידין, הנקשר למתכת באמצעות שרשרת הצד של האימידזול על היסטידין. לאחר ההוגנה, ניתן לאסוף את החלבון עם imidazole חינם באמצעות elution ספציפי תפקיד הפוך ולאחר מכן משמש במגוון רחב של יישומים במורד הזרם. עכשיו שראיתם את התיאוריה של כרומטוגרפיה של זיקה, בואו נסתכל על הליך IMAC במעבדה.

ב- IMAC, ניתן להוסיף את השלב הנייח ישירות לתערובת של שלב נייד מדגם, המאפשר את הכריכה של החלבון המתויג שלו. אז פסולת זו נשפכת לתוך הטור, שבו התרכובות שאינן קשורות מטפטפות לפסולת, בעוד הפסולת נשארת. מיכל תרחיף הוא שטף כדי לאסוף שאריות שרף ודגימה, אשר מתווסף לעמודה.

השרף מעורבב כדי להבטיח את הרכיבים הלא מאוגדים זורמים בחופשיות. מאגר כביסה נוסף מסייע לשטוף אותם. לאחר שכל הרכיבים הלא מאוגדים הוסרו, הפסולת מוחלפת במיכל לאיסוף חלבון היעד.

חוצץ המכיל imidazole מתווסף, מעורבב, ומותר לנוח כדי unbind מולקולת היעד. האימידזול נקשר למתכת, מחליף ומשחרר את החלבון המתויג. החלבון המשוחרר נאסף, וצעד האימידזול חוזר על עצמו כדי להבטיח איסוף כולל. כדי להמשיך לטהר את המדגם, ניתן להפעיל את SEC על המדגם לפני הניתוח.

עכשיו שראינו את התיאוריה והנוהל של שתי הטכניקות האלה, בואו נסתכל על כמה מהדרכים שבהן הן מיושמות בתחום הביוכימי.

סיבה נפוצה לטהר חלבונים היא ללמוד את תפקידם במחלות. סיסטיק פיברוזיס נגרמת על ידי פגמים בחלבון הרגולטור מוליכות טרנסמברן סיסטיק פיברוזיס, או CFTR. לאחר גידול החלבון עם תג שלו בשמרים, הן זיקה והן כרומטוגרפיה של אי הכללת גודל מאפשרות בידוד של החלבון, ואחריו חקר תפקידו.

במקרים מסוימים, נוכחות של תג פוליהיסטידין יכול לשנות את המבנה של חלבון, ובכך להשפיע על תפקודו. תג נפוץ נוסף הוא חלבון מחייב מלטוז או MBP, אשר ייקשר עמילוז מאוגד בעמודה. לאחר מכן משמש מלטוז לשחרור המתחם. לאחר מכן ניתן לבקע את ה- MBP ולהסיר אותו עם SEC כדי לייצר את החלבון הרצוי הטהור.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על מידה-הדרה וכרומטוגרפיה של זיקה. הוא כיסה את התיאוריה של הטכניקות, עבר על הליכים כלליים, וכיסה חלק מהשימושים בטכניקות.

תודה שצפיתם!

Procedimiento

בביוכימיה, שיטות טיהור מבוססות כרומטוגרפיה משמשות כדי לבודד תרכובות מתערובת מורכבת. שתי שיטות כאלה המשמשות בדרך כלל על ידי ביוכימאים הן כרומטוגרפיה גודל-הדרה וכרומטוגרפיה זיקה. בכרומטוגרפיה של אי-הכללת גודל, עמודה עמוסה חרוזים נקבוביים מפרידה בין רכיבים של תערובת בהתבסס על גודל. מצד שני, כרומטוגרפי…

Transcripción

“Chromatography” refers to a wide range of methods used to isolate a component from a complex mixture, an essential step before a biomolecule’s properties and activities can be determined. Each chromatographic technique has a different mechanism for separation, depending on the sample matrix and target compound. This video will focus on the principles and operation of two methods common to biochemistry: size-exclusion and affinity chromatography.

Size-exclusion chromatography or SEC is based on the size of the compounds in the sample. A mobile phase containing the sample is added to a column with a porous material: the stationary phase. The molecules in the sample fall into 1 of 3 categories.

Molecules too large to enter the pores travel the shortest distance through the column. Any species with a molecular weight above this “exclusion limit” will exit the column at the same time. Molecules small enough to freely enter the pores will be retained the longest, and will exit the column together. The molecular weight allowing complete pore entry is the “permeation limit”.

Only molecules between these limits will be separated from one another, as they spend varying amounts of time diffusing into and out of the pores. Smaller molecules are retained longer on the column because they spend more time in the stationary phase, whereas larger molecules within these limits exit earlier.

Molecular weights across 1 to 2 orders of magnitude fall within these limits. Columns are chosen with this in mind, or multiple columns can be used in series if there is a wide range of desired compounds.

Now that you’ve seen the theory of SEC, let’s look at how it is carried out.

To begin the SEC procedure, the column must be equilibrated with deionized water and chromatography buffer. Once prepared, buffer containing the sample is injected onto the column. The buffer is then pushed through at a low flow rate. A detector monitors what exits the column to determine the presence of the desired analyte. Large molecules with molecular weights above the exclusion limit exit the column at the same time. Small fractions from the column are collected in tubes. Each fraction is tested for the quality of the target molecule by gel electrophoresis or other analytical techniques.

Now let’s have a look at affinity chromatography or AC, one of the most efficient ways to purify proteins. Many biomolecules bind selectively to certain ligands-a property which AC utilizes by adhering a target-specific ligand to the stationary phase.

When the mixture flows through the column, the target molecules attach to the ligand, and the rest flow through. After the mixture has passed through the column, the target molecule can be collected through one of two elution methods based on specificity.

Biospecific elution can be said to a have a “normal-” or “reverse-role”. In normal-role biospecific elution, an agent is added that competes with the adhered ligand to bind with the target biomolecule.

In reverse-role biospecific elution, an agent competes with the target to bind to the adhered ligand. The second elution type, nonspecific elution, lowers the target-to-ligand binding by changing the solution’s pH, ionic strength, or polarity. If a protein does not bind to a ligand that can be immobilized, the protein can be expressed containing a “tag”: short peptide sequences engineered to bind to the ligand.

One variety is immobilized metal ion affinity chromatography, “IMAC” for short, where an adhered metal ligand, like nickel or cobalt, binds to histidine residues on the modified protein. Through molecular biology techniques, target proteins are generated with repeating histidine residues, called a polyhistidine-tag, which binds to the metal via the imidazole side chain on histidine. Once bound, the protein can be collected with free imidazole via reverse-role specific elution and later used in a wide variety of downstream applications. Now that you’ve seen the theory of affinity chromatography, let’s look at an IMAC procedure in the laboratory.

In IMAC, the stationary phase can be added directly to the mixture of mobile phase and sample, allowing the binding of the his-tagged protein. This slurry is then poured into the column, where the non-bound compounds drip into waste, while the slurry remains. The slurry container is rinsed to collect residual resin and sample, which is added to the column.

The resin is stirred to ensure the unbound components are free-flowing. Added wash buffer helps flush them away. Once all of the unbound components have been removed, the waste is replaced with a container to collect the target protein.

Buffer containing imidazole is added, stirred, and allowed to rest to unbind the target molecule. The imidazole binds to the metal, replacing and releasing the tagged protein. The freed protein is collected, and the imidazole step is repeated to ensure total collection. To further purify the sample, SEC can be run on the sample prior to analysis.

Now that we’ve seen the theory and procedure of these two techniques, let’s look at some of the ways they’re applied in the biochemical field.

A common reason to purify proteins is to study their role in disease. Cystic fibrosis is caused by defects in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator protein, or CFTR. After growing the protein with a his-tag in yeast, both affinity and size-exclusion chromatography allow the isolation of the protein, followed by the study of its function.

In some instances, the presence of a polyhistidine tag can change a protein’s structure, thereby affecting its function. Another common tag is maltose-binding protein or MBP, which will bind to bound amylose in a column. Maltose is then used to release the complex. The MBP can then be cleaved and removed with SEC to produce the pure desired protein.

You’ve just watched JoVE’s video on size-exclusion and affinity chromatography. It covered the theory of the techniques, went over general procedures, and covered some of the uses of the techniques.

Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Chromatography-based Biomolecule Purification Methods. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Videos relacionados