Этот протокол описывает сочетание хроматографии исключения размера с многоугольным рассеянием света (SEC-MALS) для абсолютной характеристики белков и комплексов в растворе. SEC-MALS определяет молекулярный вес и размер чистых белков, местных олигомеров, гетерокомплексов и модифицированных белков, таких как гликопротеины.
Аналитическая хроматография размер-исключения (SEC), обыкновенно используемая для определения молекулярного веса протеинов и белков-белковых комплексов в растворе, относительная техника которая полагается на томе elution analyte для того чтобы оценить молекулярное Вес. Когда белок не является шарокулным или подвергается неидеальным взаимодействиям столбцов, кривая калибровки, основанная на белковых стандартах, недействительна, а молекулярный вес, определяемый из объема elution, неверен. Многоугольное рассеяние света (MALS) является абсолютной техникой, которая определяет молекулярный вес анализа в растворе из основных физических уравнений. Сочетание SEC для разделения с MALS для анализа представляет собой универсальное, надежное средство для характеристики решений одного или нескольких видов белков, включая мономера, местные олигомеры или агрегаты, и гетерокомплексы. Поскольку измерение выполняется на каждом томе elution, SEC-MALS может определить, является ли пик улюлинга однородным или неоднородным, и различать фиксированное молекулярное распределение веса и динамическое равновесие. Анализ модифицированных белков, таких как гликопротеины или липопротеины, или конъюги, такие как моющие средства- имущие мембранные белки, также возможно. Таким образом, SEC-MALS является критическим инструментом для белка химик, который должен подтвердить биофизические свойства и решение поведения молекул, производимых для биологических или биотехнологических исследований. Этот протокол для SEC-MALS анализирует молекулярный вес и размер чистых белковых мономеров и агрегатов. Полученные данные служат основой для дальнейшего анализа SEC-MALS, включая анализы комплексов, гликопротеинов и мембранных белков, связанных с сурфактантами.
Надежный анализ молекулярного веса (МВт) белков врастворе необходим для биомолекулярных исследований 1,2,3,4. Анализ МВт информирует ученого, если правильный белок был произведен и если он подходит для использования в дальнейших экспериментах5,6. Как описано на веб-сайтах сетей исследований белков P4EU7 и ARBRE-Mobieu8,контроль качества белка должен характеризовать не только чистоту конечного продукта, но и его олигомерное состояние, однородность, идентичность, конформацию, структуру, изменения после перевода и другие свойства.
Измерение МВт в неденатурном растворе определяет форму белка, присутствующего в водной среде, будь то мономерная или олигомерическая. В то время как для многих белков цель состоит в том, чтобы произвести мономерную форму, для других специфический родной олигомер является ключом к биологической активности9,10,11,12. Другие олигомеры и неместные агрегаты нежелательны и приведут к недостаткам в структурном определении с помощью кристаллографии, ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или рассеяния рентгеновских лучей, а также артефактов или неточностей в функциональных анализах количественное связывание по изотермальной титрорационной калорититрии или поверхностного плазмонного резонанса2,13.
В случае биотерапевтических препаратов, таких как моноклональные антитела (mAbs), анализ МВт на основе растворов служит аналогичной цели контроля качества и характеристики продукта. Чрезмерные агрегаты и фрагменты свидетельствуют о нестабильном продукте, который не подходит для использования человеком. Регулирующие органы требуют тщательной характеристики не только терапевтической молекулы, но и потенциальных деградантов, которые могут присутствовать в конечном продукте14,15,16,17.
Некоторые из наиболее распространенных методов анализа белка МВт натрия dodecyl сульфат полиакриламимид гель электрофоресис (SDS-PAGE), капиллярный электрофорес (CE), родной PAGE, масс-спектрометрии (MS), размер исключения хроматографии (SEC) и аналитической ультрацентрифугация (AUC). Из них SDS-PAGE, CE и MS не выполняются в родном штате и обычно приводят к разобщению олигомеров и агрегатов, следовательно, не подходят для определения родного олигомера или количественных агрегатов. Хотя родной PAGE теоретически сохраняет родное состояние, по нашему опыту трудно оптимизировать для многих белков, и результаты не очень надежны. AUC, будь то скорость осадка или равновесие осадочных, является количественным и может определить МВт от первых принципов, но это довольно громоздким, требующих много ручного труда и значительный опыт в интерпретации данных, долгое время эксперимента и очень дорогой инструмент.
Аналитический SEC является количественным и относительно надежным, простым методом, который отделяет макромолекулы во время потока через упакованный столбец. Принципы и приложения SEC хорошо представлены в нескольких обзорах18,19,20 и в справочнике “Размер исключения хроматографии: Принципы и методы”21. Различия в удержании обусловлены различными количествами времени, затрачиваемого на диффузию в поры и из них в стационарной фазе перед eluting от конца столбца. Различия возникают (номинально) от относительных размеров и коэффициентов диффузии молекул22. Кривая калибровки построена с использованием ряда эталонных молекул, связывающих МВт молекулы с объемом elution. Для белков, эталонные молекулы, как правило, хорошо себя ведут, шаровые белки, которые не взаимодействуют с колонкой через заряд или гидрофобных поверхностных остатков. Объем элюционистки измеряется ультрафиолетовым (УФ) детектором абсорбции. Если коэффициент вымирания UV известен-часто высчитанный от последовательности- то общая масса протеина пиковая может также быть количественно.
Примечательно, что анализ МВпом SEC опирается на два ключевых предположения относительно белков, которые будут характериться: 1) они разделяют со стандартами той же конформации и конкретный объем (другими словами, та же связь между свойствами диффузии и MW) и 2) как эталонные стандарты, они не взаимодействуют с колонкой, за исключением стерических свойств- они не придерживаются колонки упаковки по заряду или гидрофобных взаимодействий. Отклонения от этих предположений недействительной кривой калибровки и приводят к ошибочным определениям МВт. Это относится к внутренне неупорядоченных белков, которые имеют большие радиусы Стокса из-за их обширных неструктурированных регионов23,24 или несферических / линейных олигомерных сборок10. Гликозилатные белки, как правило, имеют больший радиус Стокса, чем негликозилатная форма, даже если добавленная углеводная масса учитывается19. Детергентно-растворимые мембранные белки elute по-разному, чем калибровочные белки, потому что их elution от SEC зависит от общего размера комплекса полипептида-детергента-липидов, а не олигомерного состояния и молярной массы белка25 ,26. Химия колонки, рН и условия соли все влияют на объемы elution белков с заряженными или гидрофобных поверхностных остатков27,28.
SEC становится гораздо более универсальным и надежным для определения МВт в сочетании с многоугловым рассеянием света (MALS) и дифференциальнымреющим рефракционным индексом (dRI) детекторами3,4,11,29, 30,31,32. Детектор dRI определяет концентрацию на основе изменения рефракционного индекса раствора из-за присутствия оранжерея. Детектор MALS измеряет пропорцию света, рассеянного анализом, в нескольких углах относительно лазерного луча инцидента. В совокупности известный как SEC-MALS, эта приборация определяет МВт независимо от времени elution, так как МВт может быть рассчитан непосредственно из первых принципов с помощью уравнения 1,
(1)
где M молекулярный вес analyte, R(0) уменьшенное коэффициент Rayleigh (т.е., количество света рассеянного по отношению к интенсивности лазера) обусловлено детектором MALS и extrapolated к углу нулю, c концентрация веса, определяемые детектором УФ или DРИ, dn/dc рефракционного индекса приращения аналита (по существу разница между рефракционным индексом опровертела и буфера), и K оптическая константа, которая зависит от системные свойства, такие как длинаволны и рефракционный индекс 29.
В SEC-MALS, колонка SEC используется исключительно для разделения различных видов в растворе, так что они попадают в MALS и концентрации детектор клеток в отдельности. Фактическое время удержания не имеет значения для анализа, за исключением того, насколько хорошо он разрешает вид белка. Инструменты откалиброваны независимо от столбца и не полагаются на эталонные стандарты. Таким образом, SEC-MALS считается “абсолютным” методом определения МВт из основных физических уравнений. Если образец неоднороден и не полностью разделен столбцом, то значение, предусмотренное при каждом объеме elution, будет средним весом молекул в каждом объеме elution, который течет через ячейку потока на один срез времени, приблизительно 75 зл.
Путем анализа угловых вариаций интенсивности рассеяния, MALS может также определить размер (корень среднего квадратного радиуса, Rg) макромолекулики и наночастиц с геометрическим радиусом больше, чем около 12,5 нм29. Для небольших видов, таких как мономерные белки и олигомеры, динамический свет рассеяния (DLS) модуль может быть добавлен в инструмент MALS для измерения гидродинамических радиусов от 0,5 нм и до33.
Хотя либо УФ или DRI анализ концентрации может обеспечить значение c в Eq. 1, использование dRI является предпочтительным по двум причинам: 1) dRI является универсальным детектором концентрации, пригодным для анализа молекул, таких как сахара или полисахариды, которые не содержат УФ-излучение хромофор34; и 2) реакция концентрации dn/dc почти всех чистых протеинов в aqueous буфере такая же к внутри один или 2 процента (0.185 mL/g)35,поэтому никакая потребность знать коэффициент вымирания UV.
Использование SEC-MALS в исследованиях белков довольно обширна. На сегодняшний день наиболее распространенными приложениями являются установление ли очищенный белок является мономерным или олигомерическим и степень олигомеризации, и оценки агрегатов3,10,11,17, 31,36,37,38. Способность сделать это для моющих растворимых мембранных белков, которые не могут быть охарактеризованы традиционными средствами особенно ценится, и подробные протоколы для этого были опубликованы31,39,40 , 41 год , 42 г. , 43. Другие распространенные приложения включают установление степени посттрансляционной модификации и полидисперсности гликопротеинов, липопротеинов и аналогичных конъюги4,31,44 , 45 г. , 46 , 47; образование (или отсутствие таковой) и абсолютная стоихиометрия (в отличие от стоихиометрического соотношения) гетерокомплексов, включая белок-белок, белково-нуклеиновой кислоты и белково-полисахаридные комплексы24,46, 48,49,50,51,52; определение мономерно-димерного равновесия диссоциации постоянной49,53,54; и оценки конформации белка55,56. Помимо белков, SEC-MALS имеет неоценимое значение для характеристики пептидов57,58, широко неоднородные природные полимеры, такие как гепарин59 и хитосаны60,61, небольшой вирусы62 и большинство типов синтетических или обработанных полимеров63,64,65,66. Обширную библиографию можно найти в литературе67 и в Интернете (в http://www.wyatt.com/bibliography).
Здесь мы представляем стандартный протокол для запуска и анализа эксперимента SEC-MALS. В качестве примера для разделения и характеристики белковых мономеров и олигомеров представлен абберов сывороточный альбомин (BSA). Протокол BSA определяет определенные системные константы, которые служат основой для дальнейшего анализа SEC-MALS, включая анализы комплексов, гликопротеинов и мембранных белков, связанных с сурфактантами.
Мы отмечаем, что SEC-MALS может выполняться с использованием стандартной высокопроизводительной жидкой хроматографии (HPLC) или быстрого белкового жидкого хроматографии (FPLC) оборудования от многих поставщиков. Этот протокол описывает использование системы FPLC, обычно встречающихся в лабораториях, которые производят белки для исследований и разработок (см. ТаблицуМатериалов). Перед запуском протокола должны были быть установлены системы FPLC, детекторы MALS и dRI, а также соответствующие пакеты программного обеспечения для управления, сбора данных и анализа инструкций производителей и любых необходимых констант калибровки или другие настройки, введенные в программное обеспечение. Между насосом и инжекторам следует поместить влинейный фильтр с гидрофильной, установленной мембраной поры 0,1 мкм.
Эксперимент SEC-MALS обеспечил хорошее разделение мономеров, димеров и тримера, а также количественные результаты для моляровских масс и гидродинамических размеров каждого пика. Это, в свою очередь, четко определяет и характеризует каждый вид настоящего, а также количественной чистоты. Обычно полученные результаты точны в пределах 5%, а точныеи повторяемые в пределах 1-2% 3,69. Такой уровень точности и повторяемости позволяет уверенно различать виды, которые могут быть близки в МВт, до тех пор, пока они разделены SEC (может частично перекрываться в пределах того же пика). Преимущества контроля качества белка и фундаментальной биофизической характеристики очевидны.
Проверка отсутствия твердых частиц имеет весьма важное значение для чувствительных, повторяющихся измерений SEC-MALS. Пики частиц обычно отображаются как большие сигналы MALS, несопровождаемые сопоставимыми сигналами УФ или RI. Мобильная фаза и образец должны быть тщательно подготовлены для устранения таких частиц. Использование hPLC-класса реагентов или лучше, фильтрация мобильной фазы и буфера разбавления до 0,1 – 0,2 мкм (предварительная промывка фильтра для устранения частиц, которые всегда присутствуют на сухих мембранах), обслуживание внечистынных мобильных фазовых бутылок и других стеклянных изделий для SEC-MALS и расширенное равновесие столбца под потоком (для удаления частиц и агрегатов, которые, возможно, накопились при прекращении потока или не используется столбец). Образец должен быть отфильтрован до наименьшего размера поры, что не удаляет интересуяающего материала, как правило, не более 0,1 мкм и, если возможно, 0,02 мкм. Если фильтр быстро засоряется, образец может быть центрифугирован, отфильтрован поэтапно с нисходящим размером поры и/или повторно очищен. Когда системы постоянно поддерживаются с высококачественной, свежей и фильтруетой мобильной фазой, столбцовые удары предотвращаются, образцы чисты и не соответствуют столбцам, измерения не будут демонстрировать вышеупомянутый шум твердых частиц и обеспечат высококачественные данные.
MALS является агностиком типичных буферов SEC для белков; многие другие буферные системы, кроме PBS, могут быть использованы для оптимизации разделения и стабильности, включая различные excipients71. MALS также агностик для конкретной колонки, которая должна быть выбрана для оптимального разделения и восстановления. Основными проблемами для excipients в отношении анализа являются значительные изменения в рефракционном индексе, что приводит к изменению конкретного рефракционного приращения индекса dn/dc,и excipients, которые поглощают 280 нм, когда УФ-анализ необходим. Например, аргинин является распространенным агрегаторами сокращения excipient, которые могут резко повлиять на dn/dc типичного белка, даже в результате чего его в отрицательный режим (белок с отрицательным dn/dc все еще может быть проанализирован SEC-MALS, если dn/ dc определяется эмпирически, но если dn/dc 0 интенсивность света, рассеянного белком, будет нулевым, а анализ МВт будет невозможен). Тема значений dn/dc для белков широко обсуждается Чжао и др.35, где показано, что для стандартных ваковых буферов подавляющее большинство неизмененных белков подпадают под 2-3% от стандартного значения (0,185 или 0,186 мл/г при 660 нм) , хотя белки ниже 10 кДа являются более переменными, и есть несколько видов, которые могут достигать 0,21 мл/г.
Профили MW через мономер BSA и димер пики в представленных данных были довольно однородными в пределах 2% или менее, что указывает на монодисперсные виды. Неравномерные значения МВт на пике могут возникнуть из-за неоднородности или неправильного анализа. В частности, профиль BSA MW, который является вогнутым (‘улыбка’) или выпуклым (‘grimace’) может возникнуть из-за неправильного применения коррекции полосы. Для других белков выпуклый профиль может также возникнуть из динамического равновесия между мономерами и олигомерами, где соотношение мономера к олигомеру – и, следовательно, очевидное значение МВт зависит от пиковой концентрации (BSA не проявляет такого поведения и часто используется контрольный образец для проверки правильных параметров расширения полосы). Профиль МВт, который варьируется от ведущего к задней кромке и не изменяется с концентрацией образца, характерен для распределения молекулярных видов веса, которые частично разрешены SEC. источники явно неоднородных распределений путем введения различных общих количеств белка- распределение будет варьироваться в зависимости от динамического равновесия, но не с фиксированным распределением или неправильной коррекцией полосы.
Учитывая ограничения, описанные выше, SEC-MALS не подходит для выполнения различных задач. Он не подходит для анализа образцов сырой нефти; образцы должны быть хорошо очищены стандартными методами сродства и полировки. Он не имеет достаточной точности или разрешителяя силы для выявления мутантов и вариантов белка или mAb с той же или очень близкой массой, и не может быть использован с анализами, которые не развеяются или отделены от столбца SEC, хотя недавно было показано, что ион-эксчан e или хроматография обратной фазы может быть объединена с MALS для разделения и характеристики видов, которые не решены SEC72,73,74. В тех случаях, когда количество белка сильно ограничено, SEC-MALS может быть неосуществимым, поскольку обычно требуется 10 – 200 мкг3 и даже больше, может потребоваться системе FPLC с внутренним диаметром труб более 0,25 мм; однако меньшие количества могут быть проанализированы UHPLC-SEC-MALS. Высоко нестабильные белки, которые агрегируются после введения в мобильную фазу, не подходят для анализа SEC-MALS, хотя оптимизация буфера с использованием автономного динамического рассеяния света может преодолеть эту проблему75.
Несмотря на дополнительные усилия, которые влечет за собой SEC-MALS, он имеет неоценимое значение для исследования белка и широко используется академическими и биофармацевтическими сообществами. В дополнение к характеристике мономеров, олигомеров и агрегатов, описанных в вышеупомянутом протоколе, SEC-MALS может охарактеризовать модифицированные белки, такие как гликопротеины (определение МВ белка и гликановых компонентов индивидуально), сурфактант- или липидно-растворимые мембранные белки (определяющие МВТ белков и компонентов растворителя по отдельности), белковые сборки, такие как вирусоподобные частицы, белково-белковые и белково-нуклееновые кислотные комплексы, полисахариды, белок-полисахарид конъюгирует, пептиды и многие другие биомакромолекулы.
The authors have nothing to disclose.
Мы благодарим д-ра Цафи Даниэли (Вольфсонский центр прикладной структурной биологии, Еврейский университет) за советы и сотрудничество. Мы также благодарим Daniel Biotech Ltd. (Rehovot, Израиль) за помощь и создание аналитической системы FPLC-MALS, использованной в данном исследовании.
AKTA pure | GE Healthcare | 29-0182-26 | fast protein liquid chromatograph (FPLC) |
AKTA UNICORN | GE Healthcare | FPLC control software | |
ASTRA | Wyatt Technology | MALS data acquisition and analysis software | |
Bovine serum albumine (purity >97%) | Sigma | A1900 | analyte |
DAWN or miniDAWN | Wyatt Technology | WH2 or WTREOS | multi-angle light scattering (MALS) detector |
Increase 200 10/300 | GE Healthcare | size exclusion column, 200 Å pores, 10 mm i.d., 300 mm length | |
Optilab | Wyatt Technology | WTREX | differential refractive index (RI) detector |
Sodium chloride NaCl | Sigma | 71382 | HPLC grade NaCl |
Stericup bottle top filter polyether sulfone 0.1 µm 1000 mL | Millipore | SCVPU11RE | mobile phase filter |
Whatman Anotop 10 syringe filter 0.02 µm | GE Healthcare | 6809-1002 | sample filter |
Whatman Anotop 10 syringe-tip filter, 0.1 µm pore, 10 mm diameter | GE Healthcare | 6809-1012 | sample filter |
Whatman Anotop 25 syringe filter 0.1 µm | GE Healthcare | 6809-2012 | mobile phase filter |
WyattQELS | Wyatt Technology | WIQ | dynamic light scattering detector |