发明内容
本发明的目的在于克服现有的汉逊酵母表达的HBsAg的分离纯化过程中存在的步骤繁多、周期长、活性回收率偏低等缺陷,从而提供一种工艺简单、周期短、成本低、纯度高、活性回收率较高的分离纯化汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原的方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现:
本发明提供的分离纯化汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原的方法,如图1所示,是一种集成细胞破碎、层析和膜分离等技术的方法,具体包括如下的步骤:
1)细胞破碎
取常规工艺发酵培养得到的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原培养液,通过离心并洗涤用于表达乙肝表面抗原的汉逊酵母细胞,然后置于高压匀浆机或球磨机中,加入占待破碎液重量比0.05~0.3%的Triton X-100及终浓度为0.1~10mM的酶抑制剂(如PMSF),反复破碎1~6次,直至细胞破碎率达到50~90%;
2)离子交换层析
将破碎后细胞以5000~20000g的转速离心除去细胞碎片,用1.0M NaOH和1.0MHCl调节pH值至5.5~8.5,且电导率小于5.0~20mS/cm,然后进行阴离子交换层析;
所述的阴离子交换层析介质的配基为二乙胺基乙基纤维素(DEAE)或季铵盐(Q),洗脱液为含0.1~1.0M无机盐(硫酸铵、氯化钠或硫酸钠,下同)的10~50mM缓冲液(pH 5.5~8.5),流速为1.0~20ml/(h·ml gel),按照常规的平衡、进料、淋洗、洗脱、再生顺序完成离子交换层析的全过程,ELISA法监测,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液;
3)疏水层析
合并阴离子交换层析得到的活性汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原组分,加入无机盐(硫酸铵、硫酸钠或氯化钠)直至其电导率为50~200ms/cm,然后用1.0M NaOH和1.0M HCl调节pH至5.5~8.5,然后进行疏水层析;
所述的疏水层析的介质的配基为丁基(Butyl)、苯基(Phenyl)或辛基(Octyl),依次使用缓冲液A(含5~20wt%硫酸铵的10~50mM缓冲液,pH 5.5~8.5)平衡、进料、淋洗,再使用100%缓冲液B(10~50mM缓冲液,pH 5.5~8.5)梯度洗脱,最后使用0.5~1.0M NaOH或20~40wt%异丙醇再生,全过程流速控制在1.0~20ml/(h·ml gel),ELISA法监测,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液;
4)超滤浓缩
对疏水层析所得组分,采用截留分子量为100~500KD的超滤膜将样品一次或多次重复浓缩,直至样品中蛋白质浓度为0.1~1.0mg/ml,超滤时流速为10~100cm/s,压力在0.3MPa以下;
5)凝胶过滤
将步骤4)得到的浓缩液使用凝胶过滤柱,按照常规的平衡(1~2柱体积)、进料、洗脱、再平衡进行凝胶过滤,最后得到纯度大于99%以上的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原;
所述的凝胶过滤柱为Sepharose 4FF或6FF,进料体积为凝胶柱体积的0.5~5%,流动相为含0.05~0.5M硫酸铵、硫酸钠或氯化钠的pH 5.5~7.5的缓冲液,全过程流速保持恒定,为0.05~0.5ml/(h·ml gel);
上述方法各步骤均在2~30℃温度范围内进行。
本发明提供的分离纯化汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原的方法分别在实验室规模、500人份小试和5000人份中试规模进行了试验。从细胞破碎开始,样品经离心预处理后依次经过阴离子交换层析、疏水层析、超滤和凝胶过滤。在纯化过程中,离子交换层析可除去85%以上的宿主蛋白和部分脂类物质。疏水层析可进一步去除90%以上的杂蛋白和部分脂类物质。凝胶过滤层析可进一步除去残留的绝大部分杂质,使最终样品纯度大于99%以上,达到电泳纯和色谱纯。与文献记录的现有技术相比较,本发明具有以下特点:
1)纯化活性回收率高,平均可达到30%以上(重复三次实验),且纯度可达到99%以上;
2)纯化工艺操作步骤少,步骤间衔接紧凑,操作周期短;
3)避免使用超速离心机等价格高昂的设备,成本相对较低;
4)生产工艺简单,可使用自制层析介质,生产成本低;
5)全过程采用层析和膜分离技术相结合,易于放大到工业化规模生产;
综上所述,本发明提供了一种简便、快速、易于放大的分离纯化汉逊酵母表达的乙肝表面抗原的方法,具有较大的实际应用价值。
具体实施方式
实施例1、实验室规模分离纯化实验1
取200ml常规工艺发酵培养得到的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原培养上清液,先通过离心并洗涤用于表达乙肝表面抗原的汉逊酵母细胞,然后置于高压匀浆机中,加入占待破碎液重量比0.05%Triton X-100和1mM的PMSF,反复破碎6次,细胞破碎率达到90%。
将破碎后细胞在20000g的转速下离心20min,除去细胞碎片,将上清液用1.0MNaOH和1.0M HCl调整pH值至5.5,且电导率小于5.0mS/cm,然后进料到Q SepharoseFF离子交换层析柱中(GE Healthcare,30cm×15cm I.D.),柱体积(CV)为2000ml,流速为1.0ml/(h·ml gel)。层析过程依次进行缓冲液I(20mM磷酸盐缓冲液(PB),pH 5.5)平衡、进料、缓冲液I再平衡、0~100%缓冲液II(1.0M NaCl+缓冲液I)连续梯度洗脱、缓冲液I再生等步骤,收集各洗脱峰组分,采用ELISA法测定蛋白浓度和目的蛋白抗原活性,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液。
合并上述阴离子交换层析得到的活性组分,依次用硫酸铵和NaOH溶液分别调整电导率和pH至50ms/cm和5.5后,进料到预先用加有硫酸铵到电导率为50ms/cm的PB缓冲液(缓冲液III,pH 5.5)平衡的Octyl QZT疏水层析柱(国家生化工程中心,北京,40cm×5.5cm I.D.),柱体积1000ml,流速为1.0ml/(h·ml gel)。进料后经缓冲液III再平衡后用20mM PB(pH5.5)进行梯度洗脱,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液。
对疏水层析所得活性峰样品,经截留分子量为100KD的中空纤维膜超滤膜(GEHealthercare)一次超滤浓缩到10ml左右,样品中蛋白质浓度为0.1mg/ml;超滤时中空纤维膜流速为10cm/s,压力控制在0.3MPa以下。
取10ml超滤浓缩后样品,进料到Sepharose 4FF凝胶过滤柱(GE Healthcare,100cm×5.0cm,I.D.),柱体积为2000ml,流速保持为0.5ml/(h·ml gel),流动相为含0.10M硫酸钠的20mM PB,pH 5.5,分别检测洗脱峰组分的蛋白质含量和活性,最后得到纯度大于99%以上的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原,所得活性峰组分相对于细胞破碎上清液的活性回收率为32%。
实施例2、实验室规模分离纯化实验2
取200ml常规工艺发酵培养得到的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原培养上清液,先通过离心并洗涤用于表达乙肝表面抗原的汉逊酵母细胞,然后置于球磨机上,加入占待破碎液重量比0.3%Triton X-100和0.1mM的PMSF,反复破碎2次,细胞破碎率达到50%。
将破碎后细胞在6000g的转速下离心30min,除去细胞碎片,将上清液用1.0MNaOH和1.0M HCl调整pH值至8.5,且电导率小于20mS/cm,然后进料到Q SepharoseFF离子交换层析柱中(GE Healthcare,30cm×15cm I.D.),柱体积(CV)为2000ml,流速为20ml/(h·ml gel)。层析过程依次进行缓冲液I(20mM Tris-HCl缓冲液,pH 8.5)平衡、进料、缓冲液I再平衡、0~100%缓冲液II(1.0M硫酸钠+缓冲液I)连续梯度洗脱、缓冲液I再生等步骤,收集各洗脱峰组分,采用ELISA法测定蛋白浓度和目的蛋白抗原活性,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液。
合并上述阴离子交换层析得到的活性组分,依次用NaCl和NaOH溶液分别调整电导率和pH至200ms/cm和5.5后,进料到预先用加NaCl到电导率为200ms/cm的PB缓冲液(缓冲液III)平衡的Butyl-S Sepharose 6 FF疏水层析柱(GE Healthcare,40cm×5.5cm I.D.),柱体积1000ml,流速为20ml/(h·ml gel)。进料后经缓冲液C再平衡后用20mM PB(pH5.5)进行梯度洗脱,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液。
对疏水层析所得活性峰样品,经截留分子量为300KD的平板式超滤膜(Millipore,USA)分三次超滤浓缩到20ml左右,样品中蛋白质浓度为1.0mg/ml;超滤时中空纤维膜流速为50cm/s,压力控制在0.2MPa以下。
取10ml超滤浓缩后样品,进料到Sepharose 6 FF凝胶过滤柱(GE Healthcare,100cm×5.0cm,I.D.),柱体积为2000ml,流速保持为0.05ml/(h·ml gel),流动相为含0.2MNaCl的20mM PB,pH 7.0,分别检测洗脱峰组分的蛋白质含量和活性,最后得到纯度大于99%以上的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原,所得活性峰组分相对于细胞破碎上清液的活性回收率为35%。
实施例3、实验室规模分离纯化实验3
取50ml常规工艺发酵培养得到的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原培养上清液,先通过离心并洗涤用于表达乙肝表面抗原的汉逊酵母细胞,然后置于高压匀浆机上,加入占待破碎液重量比0.1%Triton X-100和10mM的PMSF,反复破碎3次,细胞破碎率达到70%。
将破碎后细胞在10000g的转速下离心20min,除去细胞碎片,将上清液用1.0MNaOH和1.0M HCl调整pH值至7.0,且电导率小于10mS/cm,然后进料到DEAE QZTFF离子交换层析柱中(国家生化工程中心,30cm×5.5cm I.D.),柱体积(CV)为500ml,流速为10ml/(h·ml gel)。层析过程依次进行缓冲液I(20mM Tris-HCl,pH 7.0)平衡、进料、缓冲液A再平衡、0%,20%,40%,100%缓冲液II(1.0M NaCl+缓冲液I)阶跃梯度洗脱、缓冲液I再生等步骤,收集各洗脱峰组分,采用ELISA法测定蛋白浓度和目的蛋白抗原活性,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液。
合并上述阴离子交换层析得到的活性组分,依次用硫酸铵和NaOH溶液分别调整电导率和pH至96ms/cm和7.0后,进料到预先用加硫酸铵到电导率为96ms/cm的Tris-HCl缓冲液(缓冲液III)平衡的Butyl-S QZT FF疏水层析柱(国家生化工程中心,北京,20cm×5.5cm I.D.),柱体积200ml,流速为20ml/(h·ml gel)。进料后经缓冲液C再平衡后用20mM Tris-HCl(pH7.0)进行梯度洗脱,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液。
对疏水层析所得活性峰样品,经截留分子量为500KD的中空纤维膜超滤膜(Pall公司,USA)超滤浓缩到10ml左右,样品中蛋白质浓度为0.5mg/ml;超滤时中空纤维膜流速为10cm/s,压力控制在0.1MPa以下。
取10ml超滤浓缩后样品,进料到Sepharose 4FF凝胶过滤柱(国家生化工程中心,北京,100cm×2.6cm,I.D.),柱体积为400ml,流速保持为0.5ml/(h·mlgel),流动相为含0.3M硫酸钠的20mM Tris-HCl,pH 7.5,分别检测洗脱峰组分的蛋白质含量和活性,最后得到纯度大于99%以上的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原,所得活性峰组分相对于细胞破碎上清液的活性回收率为44%。
实施例4、5000人份中试实验
4000ml实施例1中的细胞破碎液离心后的样品,用50mM Tris-HCl,pH8.5缓冲液(缓冲液A)稀释到电导率小于20ms/cm,并用1.0M NaOH和1.0M HCl调节pH到8.5后,进料到用缓冲液A平衡过的Q QZT FF离子交换柱(国家生化工程中心,100cm×30cm I.D,CV=30L),流速5ml/(h·ml gel),进料完成后依次经缓冲液A再平衡、15%、50%和100%缓冲液B(1.0M NaCl+缓冲液A)洗脱,洗脱图谱如图2所示,采用ELISA法测定蛋白浓度和目的蛋白抗原活性,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液10000ml,计算活性回收率和纯化倍数。
取离子交换层析所得活性峰组分,加入饱和硫酸铵溶液至其电导率接近于缓冲液C(含15%硫酸铵的20mM PB,电导率在120ms/cm左右),再用0.1M NaOH调节其pH至8.5,进料到预先用缓冲液C平衡后的HIC柱(Phenyl QZT FF,国家生化工程中心,北京,50cm×15cm I.D,CV=5.0L),流速10ml/(h·ml gel)。进料完成后按照再平衡、缓冲液D(10mM Tris-HCl,pH 8.5)、1.0M NaOH洗脱。收集缓冲液D洗脱峰组分,洗脱图谱如图3所示,收集含汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原活性回收率大于20%以上的紫外吸收峰的洗脱液5000ml。
将疏水层析HIC中P1峰(如图3所示)的样品,用截留分子量为300KD超滤膜(GE Healthcare)进行超滤,将样品体积浓缩到约500ml,样品中蛋白质浓度为0.5mg/ml;超滤时中空纤维膜流速为100cm/s,压力控制在0.3MPa以下。由活性和蛋白浓度测定结果可知,该浓缩步骤没有活性损失。
对于超滤浓缩所得样品,用凝胶过滤柱(Sepharose 4 FF,GE Healthcare,100cm×11.3cm,I.D.,CV=10.2L)进行纯化实验,流动相为含0.05M NaCl的50mM PB溶液,洗脱图谱如图4所示,最后得到纯度大于99%以上的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原,所得活性峰组分相对于细胞破碎上清液的活性回收率为29%。
该中试实验中,包括离子交换层析、疏水层析、凝胶过滤和超滤浓缩在内的工艺的总操作时间小于40小时,整个工艺的最终回收率为31.5%,大于30%。
实施例5、SDS-PAGE电泳分析
将实施例1和4中得到的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原进行SDS—PAGE电泳分析。将凝胶过滤所得最终样品浓缩,然后还原型SDS-PAGE分析其纯度,如图5所示,其中,第一泳道为低分子量Marker,第二、三泳道分别为实验室规模的实施例1和中试实验的实施例4所得的样品。由此结果可见,实施例1和4得到的样品均只含有一条主带,其分子量为24KD左右,为HBsAg的S蛋白单体。此结果说明,经本发明提供的方法纯化的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原可得到电泳纯样品,纯度大于99%。
实施例6、高效分子排阻色谱(HPSEC)分析
将实施例1和4中得到的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原进行高效分子排阻色谱(HPSEC)分析。将凝胶过滤所得最终样品分别浓缩20和50倍后,与样品处理液(0.1MDTT与1:50Tween 80等体积比混合液)等量混合,进行HPSEC分析(TSK G5000柱,300mm×7.8mm),实验结果如图6所示,图6-A和图6-B分别为实验室规模的实施例1和中试实验的实施例4所得的样品。由图6可知,2种样品均不含任何杂蛋白,即经本发明提供的方法纯化的汉逊酵母表达的重组乙肝表面抗原不含杂蛋白,样品达到色谱纯,纯度大于99%以上。
实施例7、样品蛋白含量测定
对三批中试试验中所得GF样品采用Lowry法进行蛋白浓度测定实验,结果表明可知,由每升细胞破碎上清液经上述分离纯化工艺平均可得到42mg目的蛋白抗原HBsAg,每批试验平均可得到168mg目的蛋白。