CN1183251C - 回收重组HBsAg的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种获得重组HBsAg的方法。根据该方法，使用高压匀浆器破碎能表达HbsAg的重组甲基营养酵母细胞，并且从得到的细胞碎屑回收HbsAg。本发明方法特征在于每克细胞干重的高产品产率，因此是对已知的从微生物获得HBsAg的方法的相当大的改进。
Description
本发明涉及从表达HBsAg的酵母细胞回收重组HBsAg的方法。
破碎微生物的细胞壁-细胞破碎-是回收胞内生物活性蛋白的第一步。在生产规模上，近几年适合的有机械破碎方法，例如在球磨机中湿研磨。
由于对于研细和分散不断提高的要求，已经从色素处理中使用的常规球磨机开发出了紧凑构造型高速搅拌器球磨机。它们由垂直轴或水平轴旋转的中空筒体组成，所述筒体中装有混合的玻璃或锆的氧化物小球，最大装填度为80％。转速不以为了提高冲击/加压粉碎的任何期望的方式而提高，因为离心力补偿了磨细效果。此外，提高的速度和装填度会产生热度问题，其可能会破坏要回收的产物。使用筛筒，旋转筛隙或者使用安装在轴承套中的同轴环隙进行连续的研磨材料/研磨体分离。研磨材料通过研磨容器周围的双层夹套冷却；转动轴也可以被部分冷却。湿研磨的破碎原理在于将动能从搅拌器传递给研磨体。这主要通过粘合力与排代力结合实现，所述排代力源于搅拌器元件的组装和类型。该力和内聚力驱动研磨室。研磨体径向方向的加速促进层流的形成。根据研磨体运动的绝对速度和距离，研磨体层之间的差示速度曲线影响高剪切力，所述高剪切力除去碰撞结果外，是微生物细胞壁破碎的主要原因。
细胞壁也可以通过高压匀浆器机械破碎。这样一种装置主要由高压活塞泵和匀浆装置组成。当达到启动压力时，匀浆阀门打开，然后细胞悬浮液加压下以非常高的速度通过该阀门装置。之后，细胞悬浮液每100巴加热约2.5℃。离开破碎阀装置之后，利用热交换器冷却细胞悬浮液。这样，与湿研磨相反，在这里破碎材料被短时间加热。通过匀浆装置时，使细胞悬浮液具有非常高的湍流，空化和剪切力。高压匀浆器的破碎原理在于在一个非常短的时间内迅速减小细胞悬浮液中的能量密度，即高压差和快速注压可以被认为是破碎程度的主要原因。
两种机械破碎方法用于不同的微生物。根据微生物的类型，特别是根据其结构，选择各自的方法。例如，在Pittroff，M.等，DECHEMA-Biotechnol.Conf.；(1990)，4，Pt.B，1055-60中对于各种各样的微生物，例如酿酒酵母，藤黄微球菌和大肠杆菌，试验了两种细胞破碎方法，得出的结论是微生物的形态学差异影响两种方法的破碎效果。
例如Pittroff，M.等，DECHEMA-Biotechnol.Conf.；(1992)，5，Pt.B，687-91和Pittroff，M.等，Chem.Ing.Techn.；(1992)，64，10，950-53指出对于特殊的微生物，例如杆状细菌，优选使用高压破碎方法。相反，球磨方法优选用于具有圆形结构的球状微生物。发现两种方法对于破碎酿酒酵母种酵母细胞破碎程度相同。
此外，Luther，H.等，Acta-Biotechnol.；(1992)，12，4，281-91，描述了从酿酒酵母或大肠杆菌纯化蛋白质所使用的球磨机和高压匀浆器之间的进一步比较。证明酵母和细菌细胞都可以使用球磨机或高压匀浆器破碎。发现高压匀浆器的缺点是生成粘液的微生物或机械污染非常容易导致阻塞。关于酵母细胞指出，高压匀浆器破坏了较少量细胞。尽管没有明确指出，但是已经设想出高压匀浆器得到较低的产率。
Schutte，H.，Biol.Recombinant-Microorg.Anim.Cells；(1991)Oholo 34 Meet.，293-305也证明高压匀浆器可进行酵母和细菌细胞的有效破碎，但是不非常适合菌丝体微生物。
Baldwin，C.，Biotechnol.Tech；(1990)，96，4，329-34中研究了使用高压匀浆器破碎酿酒酵母。发现利用高压匀浆器破碎细胞通常给出低的破碎率(5次产率40％)。只有事先用来自溶黄质厄氏菌的消解酶处理才能发现高压匀浆器中酵母细胞的完全破碎。
从迄今为止已经进行的充分研究进一步明确地看到，要纯化的蛋白质的类型对于各种破碎方法的选择处于决定性重要地位。这里特别感兴趣的是乙肝表面抗原(HBsAg)表达细胞的细胞破碎。
Choo；K.B.等Biochem.Biophys.Res.Commun.；(1985)，131，1，160-66研究了使用球磨机破碎酿酒酵母细胞回收HBsAg。但是，只能提取少量颗粒形式的HBsAg。
FentonD.M.等，Abstr.Ann.Med.Am.Soc.Microbiol.；(1984)，84Meet.193描述了利用高压匀浆器细胞破碎方法从酿酒酵母回收重组HBsAg。该文献中指出激活形式即抗原形式的HBsAg大规模溶解存在问题。用高压匀浆器只有通过10次处理后才发现细胞的充分破碎和令人满意的蛋白质释放，并且只有在15次处理后才发现最大HBsAg释放。作者得出结论抗原激活HBsAg的释放需要亚细胞结构的破碎。
因此，迄今为止这两种破碎方法还不可能提供通过细胞破碎最佳产生HBsAg的合适的系统。
因此本发明的目的是提供从重组微生物高产率回收重组HBsAg的方法。
根据本发明，该目的是通过回收重组HBsAg的方法实现的，其中使用高压匀浆器破碎能表达HBsAg的重组甲基营养酵母(methylotrophicyeast)细胞，并且从得到的细胞碎屑回收HBsAg。
出人意料地发现在高压匀浆器中破碎表达HBsAg的多形汉逊氏酵母(Hansenula polymorpha)细胞可以获得比用常规方法，特别是利用高压匀浆器或玻璃球磨机对酿酒酵母的细胞破碎，高得多的每克细胞干重的产品产率。因此，本发明方法对于以前公知的用于从微生物回收HBsAg的方法进行了相当大的改进。
在本发明方法中，从能表达HBsAg的重组甲基营养酵母细胞回收重组HBsAg。优选地，使用汉逊氏酵母属下的种的表达HBsAg的菌株，特别优选多形汉逊氏酵母。也可以使用毕赤氏酵母属，假丝酵母属和球拟酵母属下的种的甲基营养酵母。在发酵过程中控制标准参数，例如pH，通气量和温度。甘油，甲醇和葡萄糖，优选甘油，适合用作底物。向发酵罐培养基补充该底物直到达到酵母细胞至少80，优选至少90克/升(g.11)细胞干重的期望的细胞密度。达到所述细胞密度后，在酵母培养基中诱导HBsAg的表达。
在优选的实施方案中，通过自甲醇代谢中涉及的基因衍生的启动子来控制甲基营养酵母中HBsAg的表达。充分描述过的启动子是MOX启动子，DAS和FMD启动子(Ledeboer，A.M.等，核酸研究(Nucl.Acids Res.)(1985)，13，9，3063-3082；Janowics，Z.A.等，核酸研究(Nucl.Acide Res.)(1995)，13，9，2043-3062，EP299108)。为了实现所述启动子控制下的最佳表达，首先让酵母细胞在全合成营养培养基中生长。加入甲醇诱导，使得细胞悬浮液中含有大约1％的甲醇。关于甲基营养酵母的培养和上述三种启动子的诱导条件的详细情报可以例如参见Gelissen，G.，Murooka/lmanaka(编著)工业和农业应用的重组微生物(Recombinant microbes for industrial and agriculturalapplications)，Marcel Dekker，NY1993，787-796和Weydemann，U.等，应用微生物.生物技术(Appl.Microbiol.Biotechnol.)(1995)，44，377-385。
完成发酵过程后，通过切向流过滤从培养基成分分离细胞。通过用破碎缓冲液适当稀释来调节期望的细胞密度。
对于破碎，优选以50-150克/升细胞干重的细胞密度使用酵母细胞。精确的细胞密度取决于各重组甲基营养酵母细胞物种。特别地，70-120克/升细胞干重的细胞密度是优选的。如果根据本发明使用的重组甲基营养酵母细胞的细胞密度太低，则该方法变得费时且不经济。酵母细胞细胞密度过高时，破碎变得越来越效率低，对冷却能力的要求提高。
根据本发明使用的高压匀浆器正如导论中所描述的是常规高压匀浆器，其可以用于细胞破碎。特别优选的是使用Nanojet LAB30PL型或相当型的高压匀浆器。在细胞破碎过程中，匀浆器装置中的压力是1.0×108-2.0×108帕。1.2×108-1.6×108帕的压力是优选的。特别优选的压力是1.5×108-1.6×108帕。
酵母细胞的起始温度优选是2-15℃，特别优选4-8℃。通常以细胞悬浮液形式存在的酵母细胞可以在搅拌下冷却到期望的温度。优选冷却高压匀浆器，使得在产物出口处观察到的低出口温度例如是2-15℃，优选3-13℃，特别优选5-10℃。
在高压匀浆器中，细胞通常经几次循环(通过)破碎。发现共3-8次循环(通过)对于最佳产物收率就足够了。对于回收重组HBsAg的细胞破碎优选3-6次，特别优选4次循环(周期)。
细胞破碎过程完全后，用该方法制备的产物优选使进行进一步分离和纯化步骤。所述附加的处理步骤是将提取物中的重组HBsAg进行进一步纯化和富集的常规方法。例如，可以进行一种或几种下面的分离和纯化步骤，如以指出的顺序：
用聚乙二醇沉淀细胞碎屑，分离PEG上清液，在硅石基质上吸附，分离硅石基质，从硅石基质解离产物，分离硅石基质上清液，离子交换层析，通过超滤浓缩离子交换集液(ion exchanger pool)，氯化铯中的密度梯度分离，大小排阻层析和无菌过滤(最后的含水物质(bulk))。
下面的实施例将解释本发明。
实施例1
通过高压破碎细胞破碎多形汉逊氏酵母回收HBsAg
1.高压匀浆器
下面说明的装置用于高压破碎方法：
Nanojet Lab30 PL：
破碎原理： 高压
体积流速： (100±20)毫升/分钟，不可调节
活塞泵输入压力： 4×105-7×105帕
匀浆装置压力： 1.2×108-1.6×108帕
匀浆阀门： 碳化钨
冷却： 管式热交换器
细胞干重： 70克/升
密封剂： EPDM
高压密封： Buna N
材料： 1-45-71钢
2.微生物及其培养
在全合成营养培养基中培养表达HBsAg的多形汉逊氏酵母菌株，例如Janowicz等，酵母(Yeast)，7：431-443，1991中描述的菌株。在发酵过程中，控制pH，通气量和温度。发酵过程中，响应溶解的氧的浓度间歇性地向发酵罐培养基补充作为底物的甘油使得细胞密度最大大约90克/升细胞干重。在细胞密度大约90克/升细胞干重和约46小时发酵时间时，通过18-26小时内加入甲醇一次，在多形汉逊氏酵母培养基中诱导HBsAg表达。通过在干重天平上蒸发直至恒重从培养物等份测定细胞干重。最后加入后，使培养物再生长2-9小时。接着，通过交叉流过滤从发酵培养基成分大量分离细胞。破碎之前将细胞缓冲。缓冲使用20mM磷酸盐缓冲液和2mM Na2-乙二胺四乙酸二水合物(Triplex III)。向最后的悬浮液加入每克细胞干重75毫克洗涤剂Tween2O。破碎多形汉逊氏酵母时，以大约70克/升细胞干重细胞密度使用发酵罐培养肉汤。
3.细胞破碎
搅拌下将缓冲的细胞冷却到4-8℃。破碎装置上的起始温度调节到8±5℃。在一个分开的冷却搅拌容器中收集细胞提取物。
通过活塞冲程体积和每分钟的冲程次数测定高压匀浆器中体积流速并且不能各个调节。作为原则，在每分钟100毫升细胞悬浮液的流速下进行破碎。将细胞共4次循环破碎。第4次循环完成后，用80mM PMSF贮存溶液调节到2mM终浓度。
细胞破碎后，可以以下面指出的次序或者以不同的次序通过下面的分离和纯化步骤来纯化产物：
·用聚乙二醇沉淀细胞碎屑
·分离PEG上清液
·在硅石基质上吸附
·分离硅石基质
·从硅石基质解离产物
·分离硅石基质上清液
·离子交换层析
·通过超滤浓缩离子交换器集液
·氯化铯中的密度梯度分离
·大小排阻层析
·无菌过滤(最后的含水物质)
为了研究高压破碎的效率，通过Lowry方法测定总的蛋白质含量，并且通过免疫学方法(“ELISA”)测定细胞提取物中HBsAg浓度。
以10升发酵规格进行Nanojet高压破碎。为了保证可比性，使HBsAg的产率与细胞破碎之前各细胞量相关联。
4.结论
4.1测试Nanojet高压破碎
菌株：多形汉逊氏酵母K3/8-1
起始材料：10升发酵培养基RL-98/17
目的：测定破碎循环必要的次数
| 次数 | 总的蛋白质(mg) | 总的HBsAg(产物)(mg) |
| NJ-2-1 | 2208 | 118 |
| NJ-2-2 | 3898 | 278 |
| NJ-2-3 | 4968 | 340 |
| NJ-2-4 | 4884 | 440 |
| NJ-2-5 | 4795 | 430 |
| NJ-2-6 | 5088 | 434 |
从4次起不再能够检测到蛋白质和产物(HBsAg)明显的增加。因此下面的试验设定为4次通过。
4.2粗提物和“最后的含水物质”(终产物)的Nanojet高压破碎的破碎效率
“最后的含水物质”是进行过上面提到的分离和制备步骤后，获得的产物：
菌株：多形汉逊氏酵母K3/8-1
起始材料：10升发酵培养基NJ-4()RL-98/19，NJ-6，-7
| 蛋白质毫克数/克细胞干重 | HBsAg毫克数/克细胞干重 | |||
| NanojetLAB30PL | 粗提物 | 最后的含水物质 | 粗提物 | 最后的含水物质 |
| 发酵NJ-4 | 128.2 | 1.98 | 10.8 | 1.77 |
| 发酵NJ-6 | 100.4 | 1.29 | 7.1 | 1.41 |
| 发酵NJ-7 | 92.6 | 0.99 | 6.9 | 1.10 |
| 平均值 | 107.1 | 1.42 | 8.3 | 1.43 |
对比实施例1
通过湿磨细胞破碎多形汉逊氏酵母回收HBsAg
1.玻璃球匀浆器
下面说明的装置用于湿磨方法：
Fryma Coball Mill MS18：
破碎原理： 湿磨
转子直径： 192mm
有效研磨体积： 1200ml
研磨体的填入： 有效研磨体积的70-80％
研磨间隙： 6.50mm
分离间隙： 0.05mm
筛间隙： 0.20mm
差示间隙： 0.18mm
转子圆周速度： 14m/s
冷却： 双层夹套和转子冷却
细胞干重： 100-120克/升
体积流速： (200-300)毫升/分钟
密封材料： 乙烯丙烯
Dyno Mill KDL Spezial：
破碎原理： 湿磨
有效研磨腔体积： 600ml
搅拌盘： 4，聚氨基甲酸乙酯
研磨体的填入： 有效研磨体积的80-85％
转速： 6.8m/s
同轴环间距： 0.1mm
冷却： 双套夹套
细胞干重： 70克/升
体积流速： 100毫升/分钟
密封材料： Viton
使用直径0.45-0.55mm的玻璃球进行湿磨。
2.微生物及其培养
使用和实施例1相同的材料，但是发酵培养肉汤的细胞密度是70-120克/升细胞干重。
3.细胞破碎
根据实施例1所述进行前处理和后处理。
Dyno Mill KDL Spezial中湿磨
通过体积流速为100毫升/分钟的蠕动泵向卧式破碎室连续加入含有70克/升细胞的细胞悬浮液。同时，为了蛋白酶抑制，加入80mM PMSF溶液，在立即混合下1/40的细胞悬浮液流向破碎室的分开的入口部分。在一个循环内破碎细胞悬浮液。
Fryma Coball Mill MS18内湿磨
这里也是通过蠕动泵连续向竖式破碎室加入细胞悬浮液。但是，该实施例中的细胞密度是100-120克/升，体积流速设定在200-300毫升/分钟。与Dyno Mill KDL Spezial相对照，蛋白酶抑制剂贮存液(80mMPMSF)不在球磨机出口之前加入。细胞悬浮液在一个循环内被破碎。终细胞提取物中的PMSF终浓度是2mM。
以50升规模进行使用Fryma Coball Mill MS18进行破碎试验。在使用Dyno Mill KDL Spezial进行的湿研磨中使用10升发酵规模。为了保证可比性，使HBsAg的产率与细胞破碎之前各细胞量相关联。
4.结论
4.1 Dyno Mill玻璃球破碎的破碎效率
菌株：多形汉逊氏酵母K3/8-1
起始材料：10升发酵培养基RL-98/19
| 破碎装置 | 处理步骤 | 蛋白质毫克数/克细胞干重(Lowry) | HBsAg毫克数/克细胞干重(ELISA) |
| Dyno Mill KDL | 粗提物 | 69.4 | 2.35 |
4.2 Fryma玻璃球破碎达到终产物“最后的含水物质”的破碎效率
菌株：多形汉逊氏酵母K3/8-1
起始材料：50升发酵培养基RL-98/26，/29，/35
| 蛋白质毫克数/克细胞干重 | HBsAg毫克数/克细胞干重 | |||
| Fryma CoballMill MS18 | 粗提物 | 最后的含水物质 | 粗提物 | 最后的含水物质 |
| 发酵RL-98/26 | 75.7 | 0.56 | 2.85 | 0.53 |
| 发酵RL-08/29 | 78.5 | 0.53 | 3.00 | n.d. |
| 发酵RL-98/35 | 92.7 | 0.55 | 2.86 | 0.55 |
| 平均值 | 82.3 | 0.55 | 2.90 | 0.54 |
实施例2
湿磨和高压破碎之间的比较
1.Nanojet高压破碎和Dyno Mill玻璃球破碎的破碎效率
在与Dyno Mill玻璃球研磨机中细胞破碎比较时，从相同的起始物每克干物质释放出高四倍的产物的量。而同时总的蛋白质量只增加了2倍。结果，从相同的起始物释放出了更大量的产物(HBsAg)。在得到最后的含水物质的所有随后的处理步骤之后，高压破碎方法中最初的产物产率保持增长，产物的质量相当于标准方法(湿磨)的质量。这可以利用所描述的Lowry和ELISA的组合来证明。
2.Nanojet高压破碎和Fryma Coball Mill玻璃球破碎的破碎效率
从各三次通过的平均值来看，与玻璃球破碎相比，Nanojet高压破碎每克干物质释放出高2.9倍的产物的量。细胞破碎更高的产物量得到高2.6倍的量的最后的含水物质中纯化的产物。根据下面的分析证明证实，两种破碎方法的产物的质量处于相同规格。
3.分析结果
3.1高压破碎
样品：rHBsAg
批量号.NJ6 GFC
| 试验 | 结果 | RB规格1 | 评述 |
| 蛋白质含量Lowry | 3.96mg/ml | ||
| 蛋白质纯度SDS-PAGE/胶体考马斯染色 | ＞95％纯度 | ≥095％ | 肯定的 |
| 鉴定蛋白质印迹 | 反应 | 与抗HbsAg抗体反应 | 肯定的 |
| 反应性AUSZYME | 6.61mg/ml1.67mg/mg蛋白质 | ＞1mg/mg蛋白质 | 肯定的 |
| 脂质含量Merckotest | 2.43mg/ml0.61mg/mg蛋白质 | 0.5-1.8mg脂质/1.0mg蛋白质 | 肯定的 |
| DNA含量阈值 | 1221pg DNA/ml6.1pg/20μg蛋白质 | ＜100pg/20μg蛋白质 | 肯定的 |
| 铯含量HR-ICP-MS2 | 8.7ng/ml43.5pg/20μg蛋白质 | ＜10μg/20μg蛋白质 | 肯定的 |
| 碳水化合物含量Orcinol | 101μg/ml25.5μg/mg蛋白质 | ＜50μg/mg蛋白质 | 肯定的 |
| 内毒素含量LAL3 | 0.16EU4/ml0.04EU/mg蛋白质 | ＜100EU/mg蛋白质 | 肯定的 |
1参照WHO(世界健康组织)和欧洲药学会提供的信息的固定的限定值
2高分辨-诱导偶联的等离子体-质谱
3鲎变形细胞溶解物试验(检测内毒素的方法)
4内毒素单位
3.2玻璃球破碎
样品：rHBsAg
批量号.RL98/35最终物质(Final Bulk)
| 试验 | 结果 | RB规格1 | 评述 |
| 蛋白质含量Lowry | 1.39mg/ml | 1.0-2.0mg/ml | 肯定的 |
| 蛋白质纯度SDS-PAGE/胶体考马斯染色 | ＞95％纯度 | ≥95％ | 肯定的 |
| 鉴定蛋白质印迹 | 反应 | 与抗HbsAg抗体反应 | 肯定的 |
| 反应性AUSZYME | 1.92mg/ml1.38mg/mg蛋白质 | ＞1mg/mg蛋白质 | 肯定的 |
| 脂质含量Merckotest | 1.13mg/ml0.81mg/mg蛋白质 | 0.5-1.8mg脂质/1.0mg蛋白质 | 肯定的 |
| DNA含量阈值 | 56.4pg DNA/ml0.8pg/20μg蛋白质 | ＜100pg/20μg蛋白质 | 肯定的 |
| 铯含量HR-ICP-MS2 | 8.2ng/ml118pg/20μg蛋白质 | ＜10μg/20μg蛋白质 | 肯定的 |
| 碳水化合物含量Orcinol | 35.8μg/ml26μg/mg蛋白质 | ＜50μg/mg蛋白质 | 肯定的 |
| 内毒素含量LAL3 | 0.75EU4/ml0.54EU/mg蛋白质 | ＜100EU/mg蛋白质 | 肯定的 |
1参照WHO(世界健康组织)和欧洲药学会提供的信息的固定的限定值
2高分辨-诱导偶联的等离子体-质谱
3鲎变形细胞溶解物试验(检测内毒素的方法)
4内毒素单位
4.结论
上述分析提供了与现有技术作出的设想相反的证据，高压破碎对于酵母细胞，至少对于甲基营养型酵母细胞相当有利。通过高压破碎，产率可以提高2.5-4倍。
Claims (7)
1.一种回收重组乙肝表面抗原的方法，其中使用高压匀浆器破碎能表达乙肝表面抗原的重组甲基营养酵母细胞，并且从得到的细胞碎屑回收乙肝表面抗原。
2.根据权利要求1的方法，特征在于所述重组甲基营养酵母细胞是汉逊氏酵母属的种的酵母细胞。
3.根据权利要求1或2的方法，特征在于所述酵母细胞在50-150克/升细胞干重的细胞密度下用于破碎。
4.根据权利要求1的方法，特征在于在高压匀浆器的匀浆装置中的1×108-2×108帕的压力下破碎酵母细胞。
5.根据权利要求1的方法，特征在于产物出口处的温度是2℃至15℃。
6.根据权利要求1的方法，特征在于细胞破碎3-6次循环。
7.根据权利要求1的方法，特征在于细胞破碎之后，使重组乙肝表面抗原进行进一步的分离和纯化步骤。
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