CZ306818B6 - A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances - Google Patents

A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances Download PDF

Info

Publication number
CZ306818B6
CZ306818B6 CZ2015-55A CZ201555A CZ306818B6 CZ 306818 B6 CZ306818 B6 CZ 306818B6 CZ 201555 A CZ201555 A CZ 201555A CZ 306818 B6 CZ306818 B6 CZ 306818B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
solution
freezing
chloride
freeze
sodium
Prior art date
Application number
CZ2015-55A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ201555A3 (en
Inventor
Dominik Heger
Ľubica Krausková
Original Assignee
Masarykova Univerzita
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Masarykova Univerzita filed Critical Masarykova Univerzita
Priority to CZ2015-55A priority Critical patent/CZ306818B6/en
Publication of CZ201555A3 publication Critical patent/CZ201555A3/en
Publication of CZ306818B6 publication Critical patent/CZ306818B6/en

Links

Landscapes

  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

The invention relates to to the method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances in the form of a solution. The essence of the invention lies in the fact that the pH change is determined before and after the freezing test, then a cryoprotectant from the group of salts with a different affinity to the resulting ice is added to the solution before the next freezing, which causes the opposite changes in the local proton concentrations in the solution being frozen during the freezing compared to the solution frozen without the addition of this salt.

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu potlačení mrazové denaturace bílkovin při mrazení a/nebo lyofilizaci biologicky aktivních látek ve formě roztoku s přídavkem alespoň jedné neutrální soli pro stabilizaci pH pufru v roztoku.The invention relates to a method of suppressing the frost denaturation of proteins upon freezing and / or lyophilization of biologically active substances in solution form with the addition of at least one neutral salt to stabilize the pH of the buffer in solution.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Jedním z nej účinnějších moderních způsobů uchovávání biologicky aktivních látek je jejich mrazení nebo lyofílizace (vakuové vymrazování), která spočívá ve zmrazení uchovávané látky a v následné sublimaci vody při nízkém tlaku a teplotě. Tato metoda je vhodná pro uchovávání proteinů při dlouhodobém skladování jak ve výzkumných laboratořích, tak i v biotechnologickém a farmaceutickém průmyslu. Během mrazení dochází k částečné nebo i úplné degradaci aktivních látek. Z toho důvodu jsou prováděny optimalizace celého procesu mrazení, což je časově i finančně náročné. Optimalizace je v praxi často založená na empirických zkušenostech místo vědeckých poznatků, které jsou neúplné či protichůdné. Tyto zkušenosti nelze dobře využít při stanovení průmyslových výrobních postupů. Proto je snaha o analýzu a minimalizaci vlivů mrazení na degradaci biologicky aktivních látek.One of the most effective modern ways of storing biologically active substances is to freeze or freeze-dry (vacuum freeze), which involves freezing the stored substance and subsequently subliming the water at low pressure and temperature. This method is suitable for long-term storage of proteins in research laboratories as well as in the biotechnology and pharmaceutical industries. During freezing, the active substances are partially or completely degraded. For this reason, the entire freezing process is optimized, which is time-consuming and costly. In practice, optimization is often based on empirical experience rather than scientific knowledge that is incomplete or contradictory. This experience cannot be well used in determining industrial manufacturing processes. Therefore, there is an effort to analyze and minimize the effects of freezing on the degradation of biologically active substances.

Velkou skupinu látek uchovávaných lyofilizaci tvoří roztoky nebo látky s původně vysokým obsahem vody. Roztok před mrazením či lyofilizaci obsahuje mnoho složek, kromě aktivní látky (např. proteinu) také různé excipienty jako pufr, kryoprotektant nebo lyoprotektant, které snižují teplotu homogenní nukleace, zvyšují rekrystalizační teplotu a snižují množství volné vody v systému, surfaktant tvořený povrchově aktivní látkou snižující povrchové napětí, aj. Při mrazení takového roztoku mohou probíhat procesy, které vedou k denaturaci proteinu. Jedním z těchto procesů je postupná krystalizace jednotlivých složek pufru, která může významně změnit pH mrazeného roztoku. Příkladem může být sodnofosfátový pufr (Na-P), při jehož mrazení dochází vlivem postupné krystalizace k výraznému okyselení roztoku. Literatura uvádí, že při mrazení sodnofosfátového pufru o koncentraci pufru 50 mM nebo 100 mM a počátečním pH 7,4 klesne PH o více než 3 jednotky až na výsledné pH 4,2. Při mrazení draselnofosfátového pufru (K-P) dochází jenom k malé změně kyselosti, protože rozdíl v rozpustnosti monohydrogenfosforečnanu a dihydrogenfosforečnanu není tak výrazný.A large group of substances stored by lyophilization are solutions or substances with initially high water content. The solution before freezing or lyophilization contains many components, in addition to the active substance (e.g. protein) also various excipients such as buffer, cryoprotectant or lyoprotectant, which lower the temperature of homogeneous nucleation, increase the recrystallization temperature and reduce the amount of free water in the system. surface tension, etc. When freezing such a solution, processes may occur that result in protein denaturation. One of these processes is the gradual crystallization of the individual buffer components, which can significantly change the pH of the frozen solution. An example is the sodium phosphate buffer (Na-P), where freezing leads to significant acidification of the solution due to gradual crystallization. The literature reports that upon freezing the sodium phosphate buffer at a buffer concentration of 50 mM or 100 mM and an initial pH of 7.4, the pH drops by more than 3 units to a final pH of 4.2. When the potassium phosphate buffer (K-P) is frozen, there is only a slight change in acidity, because the difference in solubility of monohydrogen phosphate and dihydrogen phosphate is not so pronounced.

Neutrální soli často ovlivňují stabilitu proteinů v roztoku a také během mrazení a rozmražení. Většina autorů studií se přiklání k tomu, že stabilizační vliv soli souvisí s postavením iontů v tzv. Hofmeistrově sérii (Carpenter, J. F. and J. H. Crowe (1988). THE MECHANISM OF CRYOPROTECT1ON OF PROTEINS BY SOLUTES. Cryobiology 25(3): 244-255.,Anchordoquy, T.Neutral salts often affect the stability of proteins in solution and also during freezing and thawing. Most of the authors suggest that the stabilizing effect of salt is related to the position of ions in the Hofmeister series (Carpenter, JF and JH Crowe (1988). THE MECHANISM OF CRYOPROTECT1ON OF PROTEINS BY SOLUTES. Cryobiology 25 (3): 244-255 Anchordoquy, T.

J., K. Izutsu, et al. (2001). Maintenance of quatemary structure in the frozen statě stabilizes lactate dehydrogenase during freeze-drying. Archives of Biochemistry and Biophysics 390(1): 35-41., Chen, Y. H. and Z. Cui (2006). Effect of salts on the freezing denaturation of lactate dehydrogenase. Food and Bioproducts Processing 84(C1): 44-50). Je-li sůl preferenčně vyloučena z povrchu proteinu (tzv. vysolovací sůl), má tendenci protein stabilizovat. V nedávné době byly prováděny pokusy zkoumající stabilizaci LDH při mrazení pomocí vysolovacích solí. Rozdíl v obnovené aktivitě LDH v přítomnosti solí a LDH v samotném pufru byl však minimální nebo dokonce žádný, nebo bylo k stabilizaci LDH potřeba vysokých koncentrací solí (> 0.5 M), přičemž nižší koncentrace solí vedly k destabilizaci LDH (Carpenter, J. F. and J. H. Crowe (1988). THE MECHANISM OF CRYOPROTECTION OF PROTEINS BY SOLUTES. Cryobiology 25(3): 244-255.,Chen, Y. H. and Z. Cui (2006). Effect of salts on the freezing denaturation of lactate dehydrogenase. Food and Bioproducts Processing 84(C 1): 44-50.). Tyto výsledJ., K. Izutsu, et al. (2001). Maintenance of quatemary structure in the frozen state stabilizes lactate dehydrogenase during freeze-drying. Archives of Biochemistry and Biophysics 390 (1): 35-41., Chen, Y.H. and Z. Cui (2006). Effect of salts on the freezing denaturation of lactate dehydrogenase. Food and Bioproducts Processing 84 (C1): 44-50). If the salt is preferentially excluded from the surface of the protein (the so-called salting salt), it tends to stabilize the protein. More recently, attempts have been made to stabilize LDH in freezing with salting out salts. However, the difference in restored LDH activity in the presence of salts and LDH in buffer alone was minimal or even none, or high salt concentrations (> 0.5 M) were needed to stabilize LDH, with lower salt concentrations leading to destabilization of LDH (Carpenter, JF and JH Crowe) (1988). THE MECHANISM OF CRYOPROTECTION OF PROTEINS BY SOLUTES Cryobiology 25 (3): 244-255., Chen, YH and Z. Cui (2006), Effect of salts on the freezing denaturation of lactate dehydrogenase, Food and Bioproducts Processing 84 (C1): 44-50.). These result

- 1 CZ 306818 B6 ky zpochybňují stabilizující vliv solí při mrazení pomocí mechanismu přednostního vyloučení, který tak nemůže být využit pro racionalizaci a optimalizaci procesu mrazení.They question the stabilizing effect of salts in freezing by means of the priority elimination mechanism, which thus cannot be used to rationalize and optimize the freezing process.

Přídavek solí do roztoku před mrazením může mít také vliv na pH zmraženého roztoku. Přidaná sůl může ovlivnit rozpustnost složek pufru a množství zbytkové vody v zmraženém roztoku. Změna pH při mrazení může být také spojena s neutralizací potenciálu mrznutí, který je způsoben nerovnoměrnou distribucí kladných a záporných iontů mezi led a nezmražený roztok a nábojová nerovnováha je pak neutralizována difúzí H+ nebo OH z roztoku do ledu. Výsledky výše uvedených pokusů nevedly k vytvoření takového způsobu potlačení vlivů mrazové degradace, který by umožňoval provádění procesu mrazení a rozmražení v průmyslové praxi s minimálními ztrátami vlivem denaturace bílkovinné části mrazené látky.The addition of salts to the solution prior to freezing may also affect the pH of the frozen solution. The added salt may affect the solubility of the buffer components and the amount of residual water in the frozen solution. The pH change in freezing may also be associated with neutralization of the freezing potential, which is caused by the uneven distribution of positive and negative ions between the ice and the non-frozen solution, and the charge imbalance is then neutralized by diffusion of H + or OH from solution to ice. The results of the above experiments did not result in a method of suppressing the effects of frost degradation that would allow the freezing and thawing process to be carried out in industrial practice with minimal losses due to the denaturation of the protein portion of the frozen substance.

Dosud uplatňované látky pro mrazové uchovávání ve farmaceutické praxi jsou dimethylsufoxid (DMSO) nebo glycerol, které jsou ale toxické a mají nežádoucí vedlejší účinky.The pharmaceutical freezing agents used so far in the pharmaceutical practice are dimethylsufoxide (DMSO) or glycerol, but these are toxic and have undesirable side effects.

Úkolem vynálezu proto je vytvoření průmyslově využitelného způsobu potlačení mrazové denaturace bílkovin, který by odstraňoval výše uvedené nedostatky a byl by snadno aplikovatelný na širokou škálu látek.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an industrially applicable method of suppressing the frost denaturation of proteins which removes the above drawbacks and is easily applicable to a wide variety of substances.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Tento úkol je vyřešen vytvořením způsobu potlačení mrazové denaturace bílkovin při mrazení a/nebo lyofilizaci biologicky aktivních látek ve formě roztoku. Podstata vynálezu spočívá v tom, že nejprve se provede testovací zmrazení roztoku, přičemž se určí změna pH roztoku před a po testovacím zmrazení. Následně se před dalším zmrazením přidá do roztoku kryoprotektant ze skupiny solí obsahujících anionty a kationty s rozdílnou afinitou k vznikajícímu ledu při mrazení roztoku. Kryoprotektant je sůl, jejíž anionty a kationty mají rozdílnou afinitu k vznikajícímu ledu při mrazení roztoku. Jestliže se například roztok při mrazení okyseluje vlivem částečné krystalizace přítomného pufru, je do roztoku přidaná taková sůl, aby se anionty zabudovávaly do ledu více než kationty. V ledu pak bude nadbytek záporných iontů a ve zbylém roztoku bude nadbytek kladných iontů. Tato nábojová nerovnováha bude pak neutralizována prouděním protonů ze zbylého nezmraženého roztoku do ledu a zbylý roztok se stane bazičtějším. Tak dojde k tomu, že přídavkem inertní soli se zamezí změně kyselosti mrazeného roztoku a tím i denaturaci aktivní látky.This object is solved by providing a method of suppressing the frost denaturation of proteins upon freezing and / or freeze-drying of biologically active substances in solution. It is an object of the present invention to first perform a test freezing of the solution, determining the pH change of the solution before and after the test freezing. Subsequently, cryoprotectant from the group of salts containing anions and cations with different affinities to the ice formed upon freezing of the solution is added to the solution before further freezing. A cryoprotectant is a salt whose anions and cations have different affinities to the ice formed upon freezing the solution. For example, if the solution is acidified during freezing due to the partial crystallization of the buffer present, such a salt is added to the solution that the anions are more incorporated into the ice than the cations. There will be an excess of negative ions in the ice and an excess of positive ions in the remaining solution. This charge imbalance will then be neutralized by the flow of protons from the remaining non-frozen solution to the ice and the remaining solution will become more basic. Thus, the addition of an inert salt prevents the acidity of the frozen solution from being changed and thus the denaturation of the active substance.

Klesne-li při testovacím zmrazení hodnota pH roztoku jako kryoprotektant se přidá sůl, jejíž anionty mají vyšší afinitu k ledu než kationty. Sůl je alespoň jedna látka ze skupiny: tetramethylamonium chlorid (TMAC), chlorid sodný (NaCl), jodid sodný (Nal), fluorid sodný (NaF), bromid sodný (NaBr), chlorid draselný (KC1), chlorid vápenatý (CaCl2), chlorid horečnatý (MgCl2), chlorid barnatý (BaCl2). V opačném případě, kdy se vlivem změny koncentrace protonů při testovacím zmrazení roztoku zvýší hodnota pH zbylého nezmraženého roztoku, do roztoku se přidá jako kiyoprotektant sůl, jejíž kationty mají vyšší afinitu k ledu než anionty. Taková sůl je s výhodou alespoň jedna látka ze skupiny: síran sodný (Na2SO4), dusičnan sodný (NaNO3), chlorid amonný (NH4C1) a síran hořečnatý (MgSO4). Výše popsaným využitím neutrálních solí lze nahradit jako kryoprotektanty nejčastěji uplatňované látky jako DMSO nebo glycerol, které často mají nežádoucí vedlejší účinky.If the pH of the solution drops as a cryoprotectant in the test freeze, a salt whose anions have a higher affinity for ice than cations is added. The salt is at least one of tetramethylammonium chloride (TMAC), sodium chloride (NaCl), sodium iodide (Nal), sodium fluoride (NaF), sodium bromide (NaBr), potassium chloride (KCl), calcium chloride (CaCl 2 ) , magnesium chloride (MgCl 2 ), barium chloride (BaCl 2 ). Otherwise, when the pH of the remaining non-frozen solution increases due to the change in proton concentration in the test freeze solution, a salt whose cations have a higher affinity for ice than anions is added to the solution. Such a salt is preferably at least one of sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), sodium nitrate (NaNO 3 ), ammonium chloride (NH 4 Cl) and magnesium sulfate (MgSO 4 ). As described above, the use of neutral salts can replace most commonly used substances such as DMSO or glycerol as cryoprotectants, which often have undesirable side effects.

Změna pH roztoku při testovacím zmrazení se určí přidáním acidobazického indikátoru do roztoku, např. kresolové červeně. Roztok se následně zmrazí a změna protonace se určí ze změny spektra acidobazického indikátoru. Na stanovení změny protonace je možno použít i jiné metody, např. nízkoteplotní elektrochemickou elektrodu. Kresolová červeň se může vyskytovat ve třech různých formách, jejichž výskyt závisí na okolním pH. Každá z těchto forem absorbuje v jiné oblasti viditelného světla, takže se jednotlivé formy dají spektroskopicky odlišit a z poměru plochThe change in pH of the test freezing solution is determined by adding an acid-base indicator to the solution, e.g., cresol red. The solution is then frozen and the change in protonation is determined from the change in the acid-base indicator spectrum. Other methods, such as a low temperature electrochemical electrode, can be used to determine the change in protonation. Cresol red can occur in three different forms depending on the surrounding pH. Each of these forms absorbs in a different area of visible light so that the individual forms can be spectroscopically differentiated from the area ratio

-2CZ 306818 B6 jednotlivých píku se dá přibližně určit kyselost roztoku (v kapalném i zamraženém stavu). Pozice absorpčních maxim jednotlivých forem a odpovídající hodnoty pKa v roztoku jsou uvedeny níže.The acidity of the solution (both liquid and frozen) can be approximately determined from the individual peaks. The positions of the absorption maxima of the individual forms and the corresponding pK and solution values are given below.

forma A Π forma B [| forma C (Zmax = 518nrn) pX^l.lO (Ámax = 434nrn) pKa 2 = 8.15 (λ,^χ = 573 nm)Form A Π Form B [| form C (Z max = 518 nm) pX l 10.10 (λ max = 434 nm) pK and 2 = 8.15 (λ, λ = 573 nm)

Ve zmraženém stavu vykazují absorpční maxima všech tří forem mírný bathochromní posun. pH zmrazeného roztoku se rovněž může určit spektroskopickým vyhodnocováním.In the frozen state, the absorption maxima of all three forms show a slight bathochromic shift. The pH of the frozen solution can also be determined by spectroscopic evaluation.

Výhody způsobu potlačení mrazové denaturace bílkovin podle vynálezu spočívají v jeho snadné aplikovatelnosti na širokou škálu látek a v odstranění toxických kryoprotektantů z roztoků obsahujících látku určenou k mrazovému uchování.The advantages of the method of suppressing the frost denaturation of the proteins according to the invention reside in its easy applicability on a wide variety of substances and in the removal of toxic cryoprotectants from solutions containing the substance to be frozen.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález bude blíže objasněn pomocí obrázků na výkresech, na nichž znázorňují:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be explained in more detail by means of the drawings in which:

obr. 1 UV-Vis spektra kresolové červeně (2.5 χ ΙΟ'5 M) v kapalných (-----/ plná křivka) a zmražených roztocích 50 mM Na-P (---/ čárkovaná křivka) a 50 mM K-P (----- / čerchovaná křivka). Výchozí pH roztoků bylo 7,50.Fig. 1 UV-Vis spectra of cresol red (2.5 χ ΙΟ ' 5 M) in liquid (----- / solid curve) and frozen solutions of 50 mM Na-P (--- / dashed curve) and 50 mM KP ( ----- / dashed line). The initial pH of the solutions was 7.50.

obr. 2 UV-Vis spektra kresolové červeně (2.5 χ 10’5 M) v kapalných (plná křivka) a zmražených roztocích 50 mM Na-P (čárkovaná křivka) a 50 mM Na-P s 0.1 M TMAC (čerchovaná křivka). Výchozí pH roztoků bylo 7,50.Fig. 2 UV-Vis spectra of cresol red (2.5 χ 10 -5 M) in liquid (solid curve) and frozen solutions of 50 mM Na-P (dashed line) and 50 mM Na-P with 0.1 M TMAC (dashed line). The initial pH of the solutions was 7.50.

obr. 3 Obnovené aktivity enzymu DbjA v 50 mM Na-P nebo 50 mM K-P bez přídavku TMAC (f^) a s přídavkem TMAC ve výsledné koncentraci 0.1 M (i^). Vzorky byly zmraženy a rozmraženy 3krát, teplota mrazení byla 77 K. Chybové úsečky představují směrodatné odchylky.FIG. 3 Restored DbjA activity in 50 mM Na-P or 50 mM K-P without addition of TMAC (?) and with addition of TMAC at a final concentration of 0.1 M (?). The samples were frozen and thawed 3 times, the freezing temperature was 77 K. Error bars represent standard deviations.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Rozumí se, že dále popsané konkrétní příklady uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení vynálezu na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána.It is to be understood that the specific embodiments of the invention described below are presented by way of illustration and not by way of limitation of the examples to the examples. Those skilled in the art will find, or will be able to detect, using routine experimentation, more or less equivalents to specific embodiments of the invention specifically described herein.

Potlačení mrazové denaturace bílkovin při mrazení biologicky aktivních látek bylo ověřeno na příkladu modelového enzymu. Jako modelový enzym byla použita halogenalkandehalogenasa DbjA izolovaná z bakterie Bradyrhizobium japonicum USDA110 ze třídy haloalkandehalogenas (EC 3.8.1.5), které katalyzují hydrolytické štěpení vazby uhlík-halogen v halogenovaných alifatických uhlovodících. pH optimum DbjA je kolem 9,7, ale více než 90 % aktivity je zachováno v rozmezí pH od 7,7 do 10,4. DbjA je stabilní v širokém rozsahu pH, svou sekundární i terciární strukturu si zachovává v oblasti pH 6,2 až 10,1. Specifická aktivita enzymu DbjA byla stanovena jako rychlost katalyzované přeměny 1,2-dibromethanu na 2-bromoethanol v glycinovém pufru s pH 8,6 při 37 °C. Na monitorování poklesu koncentrace reaktantu/nárůstu koncentrace produktů byla použita Iwasakiho metoda (Iwasaki, I., S. Utsumi, et al. (1952). NEW COLORIMETRIC DETERMINATION OF CHLORIDE USING MERCURIC THIOCYANATE AND FERRIC ION. Bulletin of the Chemical Society of Japan 25(3): 226-226) nebo plynová chromatografíe s plamenově-ionizačním detektorem (Chaloupkova, R., Z. Prokop, et al. (2011). Stereoselectivity and conformational stability of haloalkane dehalogenase DbjA from Bradyrhizobium japonicum USDA110: the effect of pH and temperature. Febs Joumal 278(15): 2728-2738).The inhibition of the frost denaturation of proteins in the freezing of biologically active substances was verified using a model enzyme. DbjA haloalkane dehalogenase isolated from Bradyrhizobium japonicum USDA110 of the haloalkane dehalogenase class (EC 3.8.1.5), which catalyzes the hydrolytic cleavage of the carbon-halogen bond in halogenated aliphatic hydrocarbons, was used as a model enzyme. The pH optimum of DbjA is about 9.7, but more than 90% of the activity is maintained in the pH range of 7.7 to 10.4. DbjA is stable over a wide pH range, retaining its secondary and tertiary structure in the pH range of 6.2 to 10.1. The specific activity of DbjA was determined as the rate of catalyzed conversion of 1,2-dibromoethane to 2-bromoethanol in glycine buffer at pH 8.6 at 37 ° C. Iwasaki method (Iwasaki, I., S. Utsumi, et al. (1952) was used to monitor the decrease in reactant concentration / increase in product concentration. Bulletin of the Chemical Society of Japan 25 (3): 226-226) or by gas chromatography with a flame ionization detector (Chaloupkova, R., Z. Prokop, et al. (2011). Stereoselectivity and conformational stability of haloalkane dehalogenase DbjA from Bradyrhizobium japonicum USDA110: the effect of pH and temperature, Febs Joumal 278 (15): 2728-2738.

-3 CZ 306818 B6-3 CZ 306818 B6

Enzym byl zmražen ponořením polypropylenové zkumavky do tekutého dusíku o teplotě 77 K nebo do etanolové lázně s teplotou 233 K. Čas mrazení neměl vliv na ztrátu enzymové aktivity. Poté byl vzorek rozmražen ponořením do vodné lázně o teplotě 22 °C na 15 minut. Tento cyklus zmrazení-rozmrazení byl několikrát opakován, aby byl vliv mrazení na ztrátu aktivity výraznější. Specifická aktivita byla měřena ihned po rozmražení a také po 24 hodinách a nebyl zde zjištěn významný rozdíl - ztráta aktivity byla nevratná a jednalo se o trvalou denaturaci enzymu vlivem mrazení. V průběhu experimentů byly použity různé várky enzymu DbjA a byl proveden dostatečný počet měření, aby výsledky mohly být statisticky zpracovány.The enzyme was frozen by immersing the polypropylene tube in 77 K liquid nitrogen or in a 233 K ethanol bath. The freezing time did not affect the loss of enzyme activity. Then, the sample was thawed by immersion in a 22 ° C water bath for 15 minutes. This freeze-thaw cycle was repeated several times to make the effect of freezing on the loss of activity more pronounced. Specific activity was measured immediately after thawing and also after 24 hours and there was no significant difference - loss of activity was irreversible and was a permanent denaturation of the enzyme due to freezing. Various batches of DbjA were used during the experiments and sufficient measurements were made to statistically process the results.

Nejdřív byl roztok enzymu DbjA (c = 0,1 až 0,2 mg/ml) opakovaně mrazen (lx - 5x) v samotném pufru bez přídavku jiných látek. Byl použit 50 mM Na-P a 50 mM K-P pufr, pH obou bylo 7,5. Na-P pufr má tendenci se během mrazení výrazně okyselovat kvůli vykrystalování Na2HPO4 z roztoku. Naproti tomu se pH při mrazení roztoku K-P pufru mění jenom mírně. Pro ověření tohoto trendu byla kyselost zmrzlých roztoků pufrů stanovena spektrofotometricky (obrázek 1). Plná křivka v grafu patří kapalnému roztoku kresolové červeně v pufru (Na-P nebo K-P) s pH 7,5. V roztoku jsou přítomny dvě formy kresolové červeně - monoprotonovaná forma B a deprotonovaná forma C. Po zmrazení roztoku K-P forma C téměř vymizela - roztok se mírně okyselil (čerchovaná křivka). Ve spektru zmraženého roztoku Na-P se už forma C nenachází vůbec, kromě formy B však je patrný i výrazný pík pro diprotonovanou formu A - roztok se významně okyselil (čárkovaná křivka). Se změnou kyselosti roztoků pufrů koreluje i ztráta aktivity enzymu po zmrazení a rozmražení. Když byl roztok DbjA v 50 mM pufrech Na-P nebo K-P podroben 3 cyklům zmrazení při 77 K a rozmražení, jeho průměrná aktivita po rozmražení (označovaná jako obnovená aktivita) byla (65 ± 11) % pro enzym v pufru K-P a jen (19 ± 11) % pro enzym v pufru Na-P.First, the DbjA enzyme solution (c = 0.1 to 0.2 mg / ml) was repeatedly frozen (1x - 5x) in buffer alone without the addition of other substances. 50 mM Na-P and 50 mM KP buffer were used, both pH 7.5. Na-P buffer tends to be strongly acidified during freezing due to the crystallization of Na 2 HPO 4 from solution. In contrast, the pH changes only slightly when freezing the KP buffer solution. To verify this trend, the acidity of frozen buffer solutions was determined spectrophotometrically (Figure 1). The solid curve in the graph is a liquid solution of cresol red in buffer (Na-P or KP) at pH 7.5. Two forms of cresol red are present in the solution - monoprotonated form B and deprotonated form C. After freezing of the KP solution, form C almost disappeared - the solution became slightly acidified (dashed line). Form C is no longer present in the spectrum of the frozen Na-P solution, except for Form B, there is also a significant peak for the diprotonated form A - the solution is significantly acidified (dashed curve). The loss of enzyme activity after freezing and thawing also correlates with the acidity of the buffer solutions. When a solution of DbjA in 50 mM Na-P or KP buffers was subjected to 3 freeze-thaw cycles at 77 K and thawing, its mean thawing activity (referred to as recovered activity) was (65 ± 11)% for the enzyme in KP buffer and only (19). ± 11)% for enzyme in Na-P buffer.

V dalším kroku byla změna kyselosti roztoku potlačena přídavkem neutrální soli tetramethylamonium chloridu (TMAC). Přídavek TMAC do roztoku má za následek výraznou změnu pH zmrzlého roztoku směrem k bazičtějším hodnotám oproti mrazení bez jejího přídavku, pravděpodobně kvůli neutralizaci Workmanova-Reynoldsova potenciálu mrznutí. Tetramethylamoniový kationt je objemný, proto jeho zabudování se do struktury ledu je v porovnání s chloridovými anionty minimální. V ledu tedy je nadbytek záporného náboje, který pak je neutralizován tokem protonů ze zbytkového nezmraženého roztoku do ledu. Díky tomu se zbytkový roztok stane bazičtější. Přídavkem TMAC do fosfátového pufru tak dojde jen k malé změně kyselosti při mrazení oproti nezmraženému roztoku.In the next step, the acidity change of the solution was suppressed by the addition of neutral tetramethylammonium chloride (TMAC) salt. Addition of TMAC to the solution results in a marked change in the pH of the frozen solution towards more basic values than freezing without its addition, probably due to neutralization of the Workman-Reynolds freezing potential. The tetramethylammonium cation is bulky, so its incorporation into the ice structure is minimal compared to chloride anions. Thus, there is an excess of negative charge in the ice, which is then neutralized by the proton flow from the residual non-frozen solution to the ice. This makes the residual solution more basic. Thus, the addition of TMAC to the phosphate buffer results in only a slight change in the freezing acidity of the non-frozen solution.

Na obr. 2 je znázorněno porovnání kyselosti zmražených roztoků 50 mM pufru Na-P (čárkovaná křivka) a 50 mM pufru Na-P s 0,1 M TMAC (čerchovaná křivka). Z obrázku lze zjistit, že výrazné okyselení roztoku pufru při mrazení bylo přídavkem 0,1 M TMAC potlačeno (forma C je znovu přítomna, pík pro formu A zmizel).Figure 2 shows a comparison of the acidity of frozen solutions of 50 mM Na-P buffer (dashed line) and 50 mM Na-P buffer with 0.1 M TMAC (dashed line). It can be seen from the figure that significant acidification of the buffer solution during freezing was suppressed by the addition of 0.1 M TMAC (Form C is again present, the peak for Form A disappeared).

Obnovená aktivita enzymu po zmrazení a rozmražení v pufru v přítomnosti TMAC byla stanovena za stejných podmínek jako při předchozích měřeních, jenom byl před mrazením do roztoku enzymu v pufru přidán TMAC v požadované koncentraci. Jako nej vhodnější koncentrace TMAC byla experimentálně zjištěna koncentrace 0,1 M. Průměrná obnovená aktivita DbjA při 3 cyklech mrazení při teplotě 77 K a rozmražení v 50 mM pufru K-P s 0,1 M TMAC byla (106 ± 14) % a v 50 mM pufru Na-P s 0,1 M TMAC byla (105 ± 23) %. Porovnání hodnot obnovené aktivity DbjA v pufru bez přídavku TMAC a s přídavkem 0,1 M TMAC je přehledně uvedeno v tabulce 1 a na obr. 3. Na výsledky byl aplikován Welchův dvouvýběrový /-test, který potvrdil, že mezi průměrnými hodnotami obnovených aktivit enzymu DbjA bez přídavku a s přídavkem 0,1 M TMAC je statisticky významný rozdíl.The recovered enzyme activity after freezing and thawing in buffer in the presence of TMAC was determined under the same conditions as in the previous measurements, except that TMAC at the desired concentration was added to the enzyme solution in the buffer prior to freezing. The most suitable concentration of TMAC was 0.1 M experimentally. The average recovered DbjA activity at 3 K freezing cycles at 77 K and thawing in 50 mM KP buffer with 0.1 M TMAC was (106 ± 14)% and in 50 mM Na-P buffer with 0.1 M TMAC was (105 ± 23)%. A comparison of the recovered DbjA activity values in the buffer without TMAC addition and with 0.1 M TMAC addition is shown in Table 1 and Figure 3. The Welch two-sample / -test was applied to the results, confirming that between the average recovered DbjA activity values without and with 0.1 M TMAC, there is a statistically significant difference.

-4CZ 306818 B6-4GB 306818 B6

Tabulka 1: Průměrné aktivity DbjA po 3 cyklech zmrazení a rozmražení. Teplota mrazení byla 77 K.Table 1: Average DbjA activities after 3 freeze-thaw cycles. The freezing temperature was 77 K.

Obnovená aktivita DbjA po 3 cyklech zmrazení a rozmražení / % Recovered DbjA activity after 3 freeze / thaw cycles /% Typ pufru Buffer type bez TMAC without TMAC s 0,1 MTMAC with 0.1 MTMAC 50 mM K-P 50 mM K-P 65 ± 11 65 ± 11 106± 14 106 ± 14 50 mM Na-P 50 mM Na-P 19 ± 11 19 ± 11 105 ±23 105 ± 23

Při vyšší koncentraci TMAC (0,5 M a 1 M) byl pozorován úbytek specifické aktivity nemrazeného roztoku způsobeného pravděpodobně inhibicí dehalogenační reakce chloridy. I přes tento pokles byla obnovená aktivita roztoku enzymu v 50 mM pufru Na-P s 0,5 M i 1 M TMAC po 5 cyklech zmrazení (77 K) a rozmražení přibližně 90 %.At higher concentrations of TMAC (0.5 M and 1 M), a decrease in the specific activity of the non-frozen solution was observed, possibly due to inhibition of the dehalogenation reaction by the chloride. Despite this decrease, the activity of the enzyme solution in 50 mM Na-P buffer with 0.5 M and 1 M TMAC was recovered after 5 cycles of freezing (77 K) and thawing of approximately 90%.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Způsob potlačení mrazové denaturace bílkovin při mrazení a/nebo lyofílizaci biologicky aktivních látek podle vynálezu lze využít v oblasti molekulárních biotechnologií, ve farmacii, v potravinářském průmyslu, kde je potřeba uchovávat proteiny v mrazeném nebo lyofilizovaném stavu.The method of suppressing the frost denaturation of proteins in the freezing and / or lyophilization of biologically active substances according to the invention can be used in the field of molecular biotechnology, pharmacy, food industry, where it is necessary to store proteins in frozen or lyophilized state.

Claims (4)

1. Způsob potlačení mrazové denaturace bílkovin při mrazení a/nebo lyofílizaci biologicky aktivních látek ve formě roztoku, v y z n a č uj í c í se tím, žeA method for suppressing the frost denaturation of proteins in the freezing and / or lyophilization of biologically active substances in the form of a solution, characterized in that: - nejprve se provede testovací zmrazení roztoku, přičemž se určí změna pH roztoku před a po testovacím zmrazení,- a test freeze of the solution is first carried out, determining the change in pH of the solution before and after the test freeze, - následně se před dalším zmrazením přidá do roztoku kryoprotektant ze skupiny solí obsahujících anionty a kationty s rozdílnou afinitou k vznikajícímu ledu při mrazení roztoku,- subsequently, cryoprotectant from the group of salts containing anions and cations with different affinity to the resulting ice when freezing the solution is added to the solution before further freezing, - přičemž klesne-li při testovacím zmrazení hodnota pH roztoku, přidá se do roztoku jako kryoprotektant sůl, jejíž anionty mají vyšší afinitu k ledu než kationty, kde sůl je alespoň jedna látka ze skupiny tetramethylamonium chlorid (TMAC), chlorid sodný (NaCl), jodid sodný (Nal), fluorid sodný (NaF), bromid sodný (NaBr), chlorid draselný (KC1), chlorid vápenaý (CaCl2), chlorid hořečnatý (MgCl2) a chlorid barnatý (BaCl2),- when the pH of the solution drops during test freezing, a salt whose anions have a higher affinity for ice than cations is added to the solution as a cryoprotectant, where the salt is at least one of tetramethylammonium chloride (TMAC), sodium chloride (NaCl), sodium iodide (NaI), sodium fluoride (NaF), sodium bromide (NaBr), potassium chloride (KCl), calcium chloride (CaCl 2 ), magnesium chloride (MgCl 2 ) and barium chloride (BaCl 2 ), - přičemž zvýší-li se při testovacím zmrazení hodnota pH roztoku, přidá se do roztoku jako kryoprotektant sůl, jejíž kationty mají vyšší afinitu k ledu než anionty, kde sůl je alespoň jedna látka ze skupiny síran sodný (Na2SO4), dusičnan sodný (NaNO3), chlorid amonný (NH4C1), síran hořečnatý (MgSO4).- while increasing the pH of the solution during the test freeze, a salt whose cations have a higher affinity for ice than the anions where the salt is at least one of sodium sulphate (Na 2 SO 4 ), sodium nitrate, is added to the solution as a cryoprotectant (NaNO 3 ), ammonium chloride (NH 4 Cl), magnesium sulfate (MgSO 4 ). 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t í m , že změnapH roztoku při testovacím zmrazení se určí přidáním acidobazického indikátoru do roztoku.2. The method of claim 1, wherein the change in pH of the test freeze is determined by adding an acid-base indicator to the solution. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že acidobazický indikátor je kresolová červeň.Method according to claim 2, characterized in that the acid-base indicator is cresol red. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že změna pH roztoku při testovacím zmrazení se určí spektroskopickým vyhodnocováním roztoku.Method according to claim 1, characterized in that the pH change of the solution in the test freeze is determined by spectroscopic evaluation of the solution. 2 výkresy2 drawings
CZ2015-55A 2015-01-29 2015-01-29 A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances CZ306818B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2015-55A CZ306818B6 (en) 2015-01-29 2015-01-29 A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2015-55A CZ306818B6 (en) 2015-01-29 2015-01-29 A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ201555A3 CZ201555A3 (en) 2016-08-10
CZ306818B6 true CZ306818B6 (en) 2017-07-26

Family

ID=56611717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2015-55A CZ306818B6 (en) 2015-01-29 2015-01-29 A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ306818B6 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993000807A1 (en) * 1991-07-03 1993-01-21 Cryolife, Inc. Method for stabilization of biomaterials
WO1998046072A1 (en) * 1997-04-15 1998-10-22 Biostore New Zealand Limited Compositions for the preservation of living biological materials and methods of their use

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993000807A1 (en) * 1991-07-03 1993-01-21 Cryolife, Inc. Method for stabilization of biomaterials
WO1998046072A1 (en) * 1997-04-15 1998-10-22 Biostore New Zealand Limited Compositions for the preservation of living biological materials and methods of their use

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHEN et al.:"EFFECT OF SALTS ON THE FREEZING DENATURATION OF LACTATE DEHYDROGENASE"; Trans IChemE, Part C, Food and Bioproducts Processing, 2006, 84(C1): 44-50; doi: 12.1205/fbp.05132 *
Kolhe P et al.:"Impact of freezing on pH of buffered solutions and consequences for monoclonal antibody aggregation", Biotechnol Prog. 2010 May-Jun;26(3):727-33; doi: 10.1002/btpr.377. *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ201555A3 (en) 2016-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Krausková et al. Suppression of protein inactivation during freezing by minimizing pH changes using ionic cryoprotectants
Riddle et al. Nonenzymic, polyvalent anion-catalyzed formation of methylglyoxal as an explanation of its presence in physiological systems
Brookes et al. The adenylate energy charge of the soil microbial biomass
US8987000B2 (en) Reagent for detection and assessment of free chlorine in aqueous solution
Tian et al. Form of nitrogen deposition affects soil organic matter priming by glucose and cellulose
CN113652468A (en) Freeze-drying protective agent suitable for freeze-drying of nucleic acid detection kit and freeze-drying method thereof
Yemets et al. Monitoring with lichens–conductivity methods assess salt and heavy metal damage more efficiently than chlorophyll fluorescence
Clough et al. Transformations of inorganic-N in soil leachate under differing storage conditions
Hashihama et al. Sensitive determination of enzymatically labile dissolved organic phosphorus and its vertical profiles in the oligotrophic western North Pacific and East China Sea
US8993337B2 (en) Reagent for detection and assessment of total chlorine in aqueous solution
CZ306818B6 (en) A method of suppressing freeze-induced protein denaturation when freezing and/or lyophilizing biologically active substances
Walker et al. Effect of acidified versus frozen storage on marine dissolved organic carbon concentration and isotopic composition
Desrois et al. L-arginine during long-term ischemia: effects on cardiac function, energetic metabolism and endothelial damage
Carrano et al. Tumor localizing agents: the transport of meso-tetra (p-sulfophenyl) porphine by Vero and HEp-2 cells in vitro
US9879250B2 (en) Protein-stabilizing agent and protein-stabilizing method
SIMPPSON et al. Studies on 3‐Deoxy‐d‐arabino heptulosonate‐7‐phosphate Synthetase (phe) from Escherichia coli K12: 2. Kinetic Properties
Rossi et al. Available phosphorus in the central area of the Argentinean Pampas. 2: Kinetics of adsorption and desorption of phosphorus under different soil and management environments
CN113049839A (en) Stable liver function composite quality control product
ASADA et al. Conservation of electron transport and energy transfer reactions of spinach chloroplasts in glycero
US20140349327A1 (en) Method for producing fructosyl valyl histidine oxidase preparation
Santos et al. Improved purification process of β-and α-trypsin isoforms by ion-exchange chromatography
Linklater et al. The use of guanidinium chloride in the preparation of stable cellular homogenates containing ATP
Gourley Phosphate transfer in chicken erythrocytes
Vetráková Study of Processes Associated with Freezing of Aqueous Solutions
Leclerc et al. Freshwater sample preservation for the analysis of dissolved low molecular mass thiols

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20220129