CN107245093A - 一种蛋白质等电纯化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蛋白质等电点区别进行蛋白质纯化的方法及装置,其原理为:在电泳过程中,目的蛋白质在与其等电点相同的缓冲液中几乎不泳动。而杂质蛋白质因为带负点荷或正电荷而向电泳池正极或负极泳动,集中在电极池区域,从而与目的蛋白质分离。采用微孔材料隔离样品与电泳池正负极区域,可以将电泳后的目的蛋白质保留在样品池中。同时电泳过程中电极池缓冲液不停更新,以避免pH极化和各种带电离子浓差极化导致杂质蛋白质泳动停止,并带走杂质蛋白质和极化后累积的离子。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,具体涉及一种蛋白质等电纯化装置及方法。
背景技术
蛋白质是实现生命体功能的大分子物质,包括酶、抗体、细胞因子、结构蛋白、膜蛋白等等许多类型。由于蛋白质具有从催化反应到信号转导的一系列活性,其在科研、医药、食品、工业等方面的应用越来越广泛。
一种蛋白质中通常混杂有其它蛋白质。为获得纯净的蛋白质实现应用目的,常常需要将蛋白质纯化。以用于药品的抗体为例,通常需要其纯度达到99%以上。蛋白质的纯化手段包括盐析、各种色谱、超滤、电泳。其中盐析是很粗糙的分离手段,只能进行大致分离。超滤通常只能将蛋白质与小分子物质分离。色谱是最常用的蛋白质纯化手段。然而,色谱填料通常载量不高,重复使用的次数有限,装填、消毒灭菌不方便且价格昂贵。电泳纯化通常使用聚丙烯酰胺凝胶作为载体,载量非常小,只用于实验室。等电聚焦也属于一种电泳纯化方法,其使用一系列不同等电点的化合物作为载体,不仅载量非常小,且操作复杂,价格高昂。目前所有的蛋白质纯化手段对于公斤级蛋白质纯化都非常昂贵,这也导致了药用蛋白质如人血白蛋白价格高昂。
在申请号为200710049296.6的专利申请文件中公开了一种蛋白质纯化方法,采用了在目的蛋白质等电点电泳,使杂蛋白离开样品池从而纯化目的蛋白的方法。然而其方法存在几个缺点。首先是分隔样品池的是聚丙烯酰胺凝胶,需要临时准备并一次性使用,较为复杂,不能消毒灭菌且成本较高,不适合工业规模蛋白质纯化。其次为了保持良好的导电性,聚丙烯酰胺凝胶中加了大量盐,在电泳过程中这些盐会进入样品,导致样品成分改变甚至蛋白质可能变性。最后电泳持续进行会导致整个装置出现离子和pH的极化,改变蛋白质电泳性质,因此该发明步骤中需要改变原电池的pH值,使另一批蛋白质离子向正、负极池转移,直到完全纯化。这就导致了步骤繁琐且难以控制。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种蛋白质等电纯化装置及方法,旨在采用电泳手段纯化蛋白质。
本发明的技术方案是:
本发明公开了一种蛋白质等电纯化装置,包括泵、电泳槽、电源、储液缸和废液缸;所述的电泳槽是由有机玻璃板拼接制成的方形直槽,有机玻璃板的连接处采用透明硅橡胶进行粘接和密封处理。
进一步的,所述的电泳槽的内侧面纵向设置有两排滑槽,滑槽内设置有由多孔材料制成的多孔滤膜;多孔滤膜将电泳槽划分为样品池、正极电极池和负极电极池;多孔滤膜的作用是起到分子滤网的作用,允许蛋白质分子自由通过,同时限制液体的宏观流动,以避免目的蛋白质被带出样品池。
再进一步,所述的多孔滤膜一般采用微滤膜。
进一步的,电泳槽侧壁上对应样品池的区域内设置有样品进液口和样品出液口。
进一步的,电泳槽侧壁上对应正极电极池的区域内设置有正极进液口和正极出液口。
进一步的,电泳槽侧壁上对应负极电机的区域内设置有负极进液口和负极出液口。
进一步的,所述的正极电极池上设置有正极电极孔,电源连接正极电极针通过正极电极孔伸入正极电极池;负极电极池上设置有负极电极孔,电源连接负极电极针通过负极电极孔伸入负极电极池。
为了保证密封性,放置泄露,正极电极孔和负极电极孔处均设置有密封圈。
进一步的,所述的正极电极池和负极电极池内均设置有电极丝,电极丝分别与正极电极针和负极电极针连接。
一般情况下,电极丝为铂丝。
进一步的,所述的电极丝平行布置,且电极丝之间的间距为10-50mm。
进一步的,所述的泵为蠕动泵,蠕动泵的进口与储液缸连通,蠕动泵的出口分别与正极进液口、负极进液口连通。
蠕动泵的进口和出口均连接硅胶软管,并通过硅胶软管分别与储液缸、正极进液口、负极进液口连通。
进一步的,所述的正极出液口和负极出液口分别连接到废液缸。
正极出液口和负极出液口同样通过硅胶软管连接到废液缸。
进一步的,所述的正极出液口和负极出液口位于电泳槽不同的侧壁上。
一般正极出液口和负极出液口位于电泳槽相对的侧壁上。
再进一步,所述的电泳槽的侧壁上设置有紧固螺钉,紧固螺钉穿过电泳槽的相对两个侧壁面和多孔滤膜。
本发明还公开了一种蛋白质等电纯化方法,包括以下步骤:
步骤一:将待纯化蛋白质溶于与其等电点pI相同pH的缓冲液中;
步骤二:将步骤一中配置得到的溶液加入样品池中备用;
步骤三:向正极电极池和负极电极池中加入缓冲液,该缓冲液与步骤一中使用的缓冲液具有相同的缓冲试剂及浓度,对正极电极池,pH范围为(pI-1)至pI,对负极电极池,pH范围为pI至(pI+1);
步骤四:向正极储液缸及负极储液缸中加入缓冲液,该缓冲液与步骤三中选用的溶液所使用的缓冲液相同;
步骤五:启动蠕动泵更新正极电极池和负极电极池中的缓冲液;
步骤六:启动电源进行5-15分钟电泳纯化;
进一步的,步骤一中所述的待纯化蛋白质可选用牛血红蛋白。
再进一步,步骤一所述的缓冲液包括:
NaAc(50mM,pH5.0)缓冲液、Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液、TrisHCl(50mM,pH8.5)缓冲液。
再进一步,所述的步骤一中待纯化蛋白质中包括杂质蛋白质,杂质蛋白质可使用藻蓝蛋白。
具体的说,本发明利用蛋白质具有不同的等电点,在其等电点附近,蛋白质几乎不带电,从而不会在电场作用下泳动。若将混杂有其它蛋白质的目的蛋白质调整pH至目的蛋白质等电点,再进行电泳,目的蛋白质几乎停留于原地,大多数杂质蛋白质因为等电点与目的蛋白质不同,将带上正电荷或负电荷,从而向电泳池负极或正极泳动。
为了将目的蛋白质与杂质蛋白质分离,在样品池和正极电极池、样品池和负极电极池之间以多孔滤膜分隔。多孔滤膜的选择,应能够容许蛋白质及离子通过,又能够尽量隔离液体的宏观流动。这样,电泳过程中目的蛋白质留在样品池中,杂质蛋白质穿过隔离的多孔物质,进入并停留在电极池中,实现了目的蛋白质的纯化。
上述分离与纯化不能长期维持,因为电泳过程同时也是电解过程,负极通常发生电极反应:
2H2O+2e-→H2+2OH-
正极常见的电极反应包括:
上述电极反应会导致正极电极池pH逐渐降低,负极电极池pH逐渐升高。进而阻止杂质蛋白质进入电极池甚至逆转杂质蛋白质的泳动方向,使杂质蛋白质返回样品池。实施方案中展示了极化导致的蛋白质泳动改变。同时,样品中其它离子也会在电场作用下积累于正极电极池或负极电极池,改变样品池中的离子组成与电场强度。
在原有方案的基础上,将电极池溶液不断排出并加入新的溶液,可有效解决上述问题。电极池溶液更新稳定了极化导致的电极池离子浓度改变,消除了电极反应导致的pH改变,使蛋白质电泳可一直稳定进行。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明基于的原理是在目的蛋白质等电点进行电泳,使杂蛋白向电极池泳动与目的蛋白分离。有益效果在于:
1.本发明使用多孔材料隔离样品池与电极池,成本低、使用方便、可以消毒灭菌且不会导致样品成分发生变化。
2.电极池溶液不断更新,避免了pH极化与浓差极化,整个电泳纯化过程非常稳定。
3.本发明装置组成结构简单,可反复使用若干次而不降低效果。
4.本发明控制过程简单,一次性处理蛋白质载量大,甚至可达到一次性处理公斤级规模。
5.本发明成本低廉,除了少量低成本的缓冲液及电力外,几乎没有消耗品。
6.本发明公开的方案纯化速度快,效果较好,10分钟可达到90%以上的纯度。
7.本发明可以很容易做到无菌纯化,适合药用蛋白质的生产。
附图说明
图1为本装置的整体结构示意图。
图2为电泳槽的结构示意图。
以上附图中,附图标记对应的名称为:1-负极电极池,101-正极电极池,2-电极丝,3-样品池,4-多孔滤膜,5-负极电极针,6-正极电极针,7-电源,8-电泳槽,9-泵,10-储液缸,11-废液缸,12-硅胶软管。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案进行详细的说明,应当说明的是,以下仅是本发明的优选实施方式,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些应当都属于本发明的保护范围。实施例一
如图1、图2所示,本实施例公开了一种蛋白质等电纯化装置,包括电泳槽8、电源7、储液缸10和废液缸11;电泳槽8是由有机玻璃板拼接制成的方形直槽,有机玻璃板的连接处采用透明硅橡胶进行粘接和密封处理。
优选地,电源7为15V调压开关电源。
优选地,有机玻璃板的厚度为3mm,电泳槽8的整体尺寸为120mm×22mm×30mm。
电泳槽8的内侧面纵向设置有两排滑槽,滑槽内设置有由多孔材料制成的多孔滤膜4;多孔滤膜4将电泳槽8划分为样品池3、正极电极池101和负极电极池1。
优选地,滑槽与有机玻璃板一体成型。
电泳槽8侧壁上对应样品池3的区域内设置有样品进液口和样品出液口。
电泳槽8侧壁上对应正极电极池101的区域内设置有正极进液口和正极出液口。
电泳槽8侧壁上对应负极电机的区域内设置有负极进液口和负极出液口。
优选地,进液口、出液口均为圆孔状,且进液口、出液口与有机玻璃板一体成型。
优选地,本实施例中进液口、出液口均封闭。
正极电极池101上设置有正极电极孔,电源7连接正极电极针6通过正极电极孔伸入正极电极池101;负极电极池1上设置有负极电极孔,电源7连接负极电极针5通过负极电极孔伸入负极电极池1。
优选地,正极电极针6和负极电极针5均为0.3mm直径的铂丝。
正极电极池101和负极电极池1内均设置有电极丝2,电极丝2分别与正极电极针6和负极电极针5连接。
优选地,电极丝2为0.3mm直径的铂丝。
电极丝2平行布置,且电极丝2之间的间距为16mm。
多孔滤膜4为聚丙烯微滤膜。
正极出液口和负极出液口位于电泳槽8不同的侧壁上。
优选地,正极出液口和负极出液口位于电泳槽8相对的两个侧壁上。
在采用本套装置对蛋白质进行纯化时,具体方法如下:
步骤一:将牛血红蛋白溶于NaAc(50mM,pH5.0)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,并加入样品池3中;
步骤二:分别向正极电极池101和负极电极池1中加入NaAc(50mM,pH5.0)缓冲液;
步骤三:接通电源7进行10分钟电泳纯化;
本实施例中,牛血红蛋白等电点大约6.8,牛血红蛋白在pH5.0的醋酸缓冲液中带正电,且在电泳中向负极泳动。
pH5.0环境下电泳纯化负极电极池1结果为:进行1分钟后,负极电极池1中开始明显积累牛血红蛋白,并在3分钟左右达到最大量。由于pH极化及浓差极化,5分钟后牛血红蛋白量开始减少,10分钟后减少明显。正极电极池101整个过程中未出现牛血红蛋白积累。
实施例二
本实施例公开了一种蛋白质等电纯化方法,且本实施例采用的装置与实施例一中的装置相同。
在采用本套装置对蛋白质进行纯化时,具体方法如下:
步骤一:将牛血红蛋白溶于Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,并加入样品池3中;
步骤二:分别向正极电极池101和负极电极池1中加入Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液;
步骤三:接通电源7进行10分钟电泳纯化;
本实施例中,牛血红蛋白等电点大约6.8,此pH下牛血红蛋白几乎不带电。在各个时间点的正负极电极池1中均没有明显的牛血红蛋白积累。
实施例三
本实施例公开了一种蛋白质等电纯化方法,且本实施例采用的装置与实施例一中的装置相同。
在采用本套装置对蛋白质进行纯化时,具体方法如下:
步骤一:将牛血红蛋白溶于TrisHCl(50mM,pH8.5)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,并加入样品池3中;
步骤二:分别向正极电极池101和负极电极池1中加入TrisHCl(50mM,pH8.5)缓冲液;
步骤三:接通电源7进行10分钟电泳纯化;
本实施例中,牛血红蛋白等电点大约6.8,牛血红蛋白在pH8.5的TrisHCl缓冲液中带负电,且在电泳中向正极泳动。
pH5.0环境下电泳纯化正极电极池101结果为:进行1分钟后正极电极池101开始积累牛血红蛋白,5分钟后达到最大量并不再增加。负极电极池1整个过程中未出现牛血红蛋白积累。
实施例四
本实施例公开了一种蛋白质等电纯化方法,且本实施例采用的装置与实施例一中的装置相同。
在采用本套装置对蛋白质进行纯化时,具体方法如下:
步骤一:将牛血红蛋白溶于Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,同时将藻蓝蛋白溶于Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,并将牛血红蛋白溶液和藻蓝蛋白溶液混合形成混合溶液;
步骤二:分别向正极电极池101和负极电极池1中加入Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液;
步骤三:接通电源7进行10分钟电泳纯化;
本实施例中,负极电极池1在整个纯化过程中未积累蛋白质。藻蓝蛋白由于在此pH下带负电,向正极电极池101泳动。
电泳纯化正极电极池101结果为:正极电极池101中1分钟后开始明显积累藻蓝蛋白,3分钟后达到最大量。由于pH极化及浓差极化,5分钟后藻蓝蛋白量开始明显减少,10分钟后藻蓝蛋白已完全回到了样品池3。
实施例五
本实施例公开了一种蛋白质等电纯化方法,且本实施例采用的装置与实施例一中的装置具有以下区别:
本实施例公开了一种蛋白质等电纯化装置,包括泵9、电泳槽8、电源7、储液缸10和废液缸11;电泳槽8是由有机玻璃板拼接制成的方形直槽,有机玻璃板的连接处采用透明硅橡胶进行粘接和密封处理。
泵9为蠕动泵9,蠕动泵9的进口与储液缸10连通,蠕动泵9的出口分别与正极进液口、负极进液口连通。
优选地,蠕动泵9为兰格BT100-2J。蠕动泵9管为硅胶软管12,内径2mm,外径4mm,硅胶软管12的另一端伸入储液缸10;蠕动泵9的出口连接硅胶软管12。
正极出液口和负极出液口分别连接到废液缸11。
在采用本套装置对蛋白质进行纯化时,具体方法如下:
步骤一:将牛血红蛋白溶于Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,同时将藻蓝蛋白溶于Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液中配置成5mg/mL溶液,并将牛血红蛋白溶液和藻蓝蛋白溶液混合形成混合溶液;
步骤二:分别向正极电极池101和负极电极池1中加入Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液;
步骤三:启动蠕动泵9,泵9入Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)溶液且以5mL/min的速度更新负极池中的缓冲液;泵9入Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.4)溶液且以5mL/min的速度更新正极池中的缓冲液;
步骤四:接通电源7进行10分钟电泳纯化。
步骤五:取4uL进行SDS-PAGE纯度分析,PAGE胶浓度为12%。
电泳纯化正极电极池101结果为:
纯化过程中正极电极池101出现的藻蓝蛋白量大约2分钟后基本稳定,并持续整个纯化过程,未出现蛋白质返回样品池3的现象。多余藻蓝蛋白进入正极电极池101流出液。
SDS-PAGE处理后凝胶以考马斯亮蓝染色,纯度分析用软件Gel-Pro Analyzer 4.0(Media Cybernetics,L.P.)进行,采用Joining Valleys方法扣除背景。纯度的计算以牛血红蛋白主条带灰度除以该泳道所有可见条带的灰度之和。计算结果见表1。
表1.根据SDS-PAGE条带灰度计算的牛血红蛋白纯度
由此可见,等电纯化后牛血红蛋白纯度有了很大提高,由纯化前的50.6%提高到93.1%。
按照上述实施例,便可很好地实现本发明。值得说明的是,基于上述设计原理,为解决同样的技术问题,即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色,所采用的技术方案实质仍与本发明一样,故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种蛋白质等电纯化装置,其特征在于,包括泵(9)、电泳槽(8)、电源(7)、储液缸(10)和废液缸(11);所述的电泳槽是由有机玻璃板拼接制成的方形直槽,有机玻璃板的连接处采用透明硅橡胶进行粘接和密封处理;所述的储液缸(10)包括正极储液缸和负极储液缸;
所述的电泳槽的内侧面纵向设置有两排滑槽,滑槽内设置有由多孔材料制成的多孔滤膜(4),多孔滤膜(4)对蛋白质的截留分子量大于100kD;多孔滤膜将电泳槽划分为样品池(3)、正极电极池(101)和负极电极池(1);
电泳槽侧壁上对应样品池的区域内设置有样品进液口和样品出液口;
电泳槽侧壁上对应正极电极池的区域内设置有正极进液口和正极出液口;
电泳槽侧壁上对应负极电机的区域内设置有负极进液口和负极出液口;
所述的正极电极池上设置有正极电极孔,电源连接正极电极针(6)通过正极电极孔伸入正极电极池;负极电极池上设置有负极电极孔,电源连接负极电极针(5)通过负极电极孔伸入负极电极池;
所述的正极电极池和负极电极池内均设置有电极丝(2),电极丝分别与正极电极针和负极电极针连接。
2.根据权利要求1所述的一种蛋白质等电纯化装置,其特征在于,所述的电极丝平行布置,且电极丝之间的间距为10-50mm。
3.根据权利要求1所述的一种蛋白质等电纯化装置,其特征在于,所述的多孔滤膜为微滤膜。
4.根据权利要求1所述的一种蛋白质等电纯化装置,其特征在于,所述的泵为蠕动泵,蠕动泵的进口与储液缸连通,蠕动泵的出口分别与正极进液口、负极进液口连通。
5.根据权利要求1所述的一种蛋白质等电纯化装置,其特征在于,所述的正极出液口和负极出液口分别连接到废液缸。
6.根据权利要求1所述的一种蛋白质等电纯化装置,其特征在于,所述的正极出液口和负极出液口位于电泳槽不同的侧壁上。
7.采用权利要求1-6中任一所述的蛋白质等电纯化装置进行蛋白质等电纯化的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:将待纯化蛋白质溶于与其等电点pI相同pH的缓冲液中;
步骤二:将步骤一中配置得到的溶液加入样品池中备用;
步骤三:向正极电极池和负极电极池中加入缓冲液,该缓冲液与步骤一中使用的缓冲液具有相同的缓冲试剂及浓度,对正极电极池,pH范围为(pI-1)至pI,对负极电极池,pH范围为pI至(pI+1);
步骤四:向正极储液缸及负极储液缸中加入缓冲液,该缓冲液与步骤三中选用的溶液所使用的缓冲液相同;
步骤五:启动蠕动泵更新正极电极池和负极电极池中的缓冲液;
步骤六:启动电源进行5-15分钟电泳纯化。
8.根据权利要求7所述的一种蛋白质等电纯化方法,其特征在于,步骤一所述的缓冲液包括:
NaAc(50mM,pH5.0)缓冲液、Na2HPO4/NaH2PO4(50mM,pH6.8)缓冲液或TrisHCl(50mM,pH8.5)缓冲液。
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