JP2005504505A - Protein in porous carrier - Google Patents
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Abstract
活性、タンパク質密度、及び安定性のような優れた特性を実現するようなサイズに作製された細孔を有するマトリックス材料内部でタンパク質が結合しているようなタンパク質系を説明する。好適な具体例においては、孔径は50〜400オングストロームの範囲にわたる。この系中で意外なことに良好な結果を証明した1タンパク質はOPHである。このタンパク質は、例えば化学兵器及び農薬中に見い出される有機リン化合物を分解することが周知である。タンパク質系を形成する新規な方法及びOPHの製造方法もまた説明する。また説明するのは、多孔質マトリックス材料及び多孔質マトリックス材料内部に配置されたタンパク質を含むタンパク質系において、タンパク質系は、1グラムのマトリックス材料当り少なくとも0.01mmolのタンパク質を含み、同一の条件下で通常のシリカマトリックス材料表面に形成されたタンパク質系の活性よりも少なくとも2倍大きな活性を示す、タンパク質系である。タンパク質を多孔質マトリックス中に取込むための非共有結合を用いたタンパク質系の製造方法もまた説明する。A protein system is described in which proteins are bound within a matrix material having pores sized to achieve superior properties such as activity, protein density, and stability. In a preferred embodiment, the pore size ranges from 50 to 400 Angstroms. One protein that has shown surprisingly good results in this system is OPH. This protein is well known to degrade organophosphorus compounds found, for example, in chemical weapons and pesticides. A novel method for forming a protein system and a method for producing OPH are also described. Also described is a protein system comprising a porous matrix material and a protein disposed within the porous matrix material, wherein the protein system comprises at least 0.01 mmol protein per gram of matrix material and under the same conditions A protein system that exhibits at least twice as much activity as the protein system formed on the surface of a normal silica matrix material. A method for producing a protein system using non-covalent bonds to incorporate proteins into a porous matrix is also described.
Description
【0001】
関連出願
本出願は、2001年2月21日に出願された米国特許出願第09/791,138号の一部継続であり、これを、完全に転載するように下記に組み込む。
【0002】
発明の分野
本発明は、多孔質担体中のタンパク質、タンパク質を担持する方法、及び担持型タンパク質を使用する方法に関する。本発明はまた、有機リンヒドロラーゼ(organophosphorous hydrolase)(“OPH”)の改良された製造方法を提供する。
【0003】
発明の背景
生体外で化学反応を促進するためのタンパク質の有用性は以前から周知であり、大いに効果的に使用されてきた。より様々な反応を促進し、こうした反応をより大規模に促進する上で、タンパク質のはるかに大きな用途の可能性が存在する。しかしながら、この可能性を完全に現実のものとするまでには、克服すべき多くの問題が存在する。こうした問題としては、高活性なタンパク質系が必要であること;ある範囲の条件下で高い活性を維持するタンパク質系が必要であること;及び活性なタンパク質を多孔質担体の上に高密度に配置する能力が挙げられる。
【0004】
様々な有用な反応を触媒するために有用なタンパク質の1例は、有機リンヒドロラーゼ(“OPH”)である。OPHは、化学兵器または有機リン農薬を不活性化するために使用し得る酵素である。化学兵器(すなわち、神経ガス、特にサリン及びVX)及び有機リン農薬(例えば、パラチオン、パラオキソン及びアセフェート)は高等生物にとって極めて有毒である。従って、偶発的な流出または製造プラントの汚染における化学兵器及び有機リン農薬の望ましくない放出を清浄化する方法に対する必要が存在する。OPH酵素は、複雑で高価な焼却施設の必要無しに化学兵器または有機リン農薬を不活性化する可能性を提供する。その可能性にもかかわらず、活性がありかつ安定なOPHを有する系の大規模生産のための適切な方法を欠くことが、この酵素の用途を限定してきた。
【0005】
本発明は、上記に説明した問題に良く対処することができる改良されたタンパク質系を提供する。本発明は一般に、固定化酵素系等に適用されるが、幾つかの具体的な例においては、本発明はまた、OPH及び活性なOPHを含む系の改良された製造方法を提供する。
【0006】
発明の概要
本発明の1概念は、タンパク質のサイズを担体構造の孔径に整合させる担体構造の工学的作製である。意外なことに、十分に整合したサイズは、活性なタンパク質の高い活性、向上した安定性、及び比較的に高い密度のような望ましい品質を有するタンパク質系を製造できることが見い出された。小さすぎるかまたは大きすぎる細孔中でのタンパク質のカップリングは、劣った特性をもたらす。他のファクターの例えば表面積、細孔密度、細孔均一性及び分布、担体内部のタンパク質占有数、並びに架橋部位のタイプ及び密度もまた利用して、タンパク質系の特性を制御してよい。
【0007】
1態様においては、本発明は、化学反応を促進する際に使用するためのタンパク質系を提供する。系は、固体マトリックス内部に細孔を有する多孔質マトリックス材料を含む。別の態様においては、タンパク質系は、細孔容積の少なくとも90%は50〜400オングストロームの範囲内のサイズを有する細孔で構成されるような細孔容積を有する多孔質マトリックス材料と、マトリックス材料と結合した化学的に活性なタンパク質とを含む。“結合した”は、マトリックス材料への、共有結合付着、イオン付着及び/または静電付着を指す。好適な具体例においては、タンパク質は、カップリング基を介してマトリックスと共有結合する。
【0008】
別の態様においては、タンパク質系は、1グラムのマトリックス材料当り0.01〜1mmolのタンパク質をタンパク質系が含むようなサイズに作製された多孔質マトリックス材料を含み、ここで、タンパク質系中のタンパク質は、活性状態にあるタンパク質の活性の少なくとも65%の活性を示す。
【0009】
本発明はさらに、取り込まれたタンパク質(entrapped protein)を含む多孔質マトリックス材料を含むタンパク質系を提供し、ここで、タンパク質系は、1グラムのマトリックス材料当り少なくとも0.01mmolのタンパク質と同一の条件下でただし通常のシリカマトリックス材料(normal silica matrix material)表面に形成されたタンパク質系の活性よりも少なくとも2倍大きな活性とを有することを特徴とする。“通常のシリカ”は、孔径300オングストローム及び12マイクロメートルのビーズサイズを有する未コーティングのシリカバルク材料であり、入手可能な場合、通常のシリカは、米国、メリーランド州、コロンビアのポリエルシーInc.(PolyLC Inc., Columbia Maryland, USA)から品目番号BMSI 1203で購入できるはずである。
【0010】
別の態様においては、本発明は、取り込まれたタンパク質を含む多孔質マトリックス材料を含むタンパク質系を提供し、ここで、タンパク質系は、1グラムのマトリックス材料当り少なくとも0.01mmolのタンパク質と本明細書において説明する安定性試験の手順によって定義される向上した安定性とを有することを特徴とする。
【0011】
本発明はまた、タンパク質系を形成する方法であって:
細孔容積の少なくとも90%は50〜400オングストロームの範囲内のサイズを有する細孔で構成されるような細孔容積を有する多孔質マトリックス材料を用意する工程と、多孔質マトリックス材料とタンパク質とを反応させ、その結果タンパク質は多孔質マトリックス材料と化学的に結合する工程と、を含む方法を提供する。好ましくは、この方法は、多孔質マトリックス材料と架橋剤とを反応させて、表面と共有結合した架橋剤を有する多孔質マトリックス材料を形成する工程と、表面と共有結合した架橋剤を有する多孔質マトリックス材料とタンパク質とを反応させ、その結果タンパク質は多孔質マトリックス材料と化学的に結合する工程と、を含む。
【0012】
別の態様においては、本発明は、架橋剤無しでタンパク質を多孔質マトリックス材料に加えることによってタンパク質系を製造する方法を提供する。タンパク質が非共有結合によって取り込まれているような安定でかつ活性なタンパク質系を得ることができることが見い出された。1つのこのような方法において、タンパク質系は、細孔容積の少なくとも90%は50〜400オングストロームの範囲内のサイズを有する細孔で構成されるような細孔容積を有する多孔質マトリックス材料であって官能基化表面を有する多孔質マトリックス材料を用意することと、タンパク質を加え、その結果タンパク質は非共有結合によって多孔質マトリックス材料中に取り込まれることと、によって形成される。
【0013】
本発明はまた、OPHの製造方法を提供する。この方法において、宿主細胞は、OPHをコード化する配列を含むベクターを用いてトランスフェクションされ、配列は、機能し得るようにT7発現制御配列に結合している。トランスフェクションした宿主細胞を、発現を可能にする条件下、発現制御配列の制御下で培養する。OPHを、細胞または細胞の培地から精製する。
【0014】
タンパク質系を工学的に作製して個々のタンパク質のサイズを個々の細孔のサイズに整合させ、好適な具体例においては、個々のタンパク質の体積は各細孔の平均容積の5〜40%を占有する。
【0015】
本発明はまた、化学的方法(すなわち、化学薬品の製造方法)の例えば加水分解、酸化、水素化、及びプロテオリシスを促進する際にこうした系を使用する方法を含む。本発明はまた、個々の兵士、農薬分野の仕事に従事する人、車両、航空機、船舶並びに建築物の例えば民間用及び軍事防御用シェルターのための、解毒を実行するろ過装置内での多孔質担体中の活性な酵素の使用を包含する。
【0016】
本発明の様々な具体例は、多孔質担体表面での高いタンパク質活性;様々な条件下での安定性;活性なタンパク質の高い密度;工業的規模での利用における能力;並びに化学兵器及び有機リン農薬を破壊するための環境にとって安全な方法を提供すること、及びこうした材料を燃焼させることに附随する危険を避けることを含む多数の利点を提供することができる。他の利点は、以下の説明及び実施例を考慮して予見することができる。
【0017】
発明の詳細な記述
本発明のタンパク質系2の1具体例の概念図を図1に示す。マトリックス材料4は、タンパク質8を含む細孔6を有する。タンパク質8は、連結部分10を介してマトリックスに連結する。この構造の多くの変形例が可能である。例えば、この図は各細孔中の単一のタンパク質を示すが、多くの具体例においては、幾つかの細孔は多数のタンパク質を含み、一方、他の細孔は何も含まないだろう。本発明は、図1に示す具体例に限定されない。
【0018】
多孔質マトリックス材料は、好ましくは細孔容積の少なくとも90%は50〜400オングストローム、より好ましくは100〜200、さらにより好ましくは100〜120オングストロームの範囲内のサイズを有する細孔で構成されるような細孔容積を有する。本発明のためには、孔径分布を、従来技術において周知の手法を使用してN2吸着によって測定する。特に大きな細孔を有する材料の場合、正確な孔径分布を得るために、N2吸着に、水銀細孔計法(mercury porisimetry)または顕微鏡法を補足する必要があるかもしれない。従来の通り、“孔径”は、細孔直径を指す。タンパク質系において、孔径分布はマトリックス中のタンパク質無しで測定されるはずであり、測定のために、タンパク質は、プロテアーゼまたは他の適切な手段によってマトリックスから除去できる。タンパク質系に関する測定の場合、孔径分布の測定の最中、カップリング剤はマトリックスと結合したままである。本発明の方法をキャラクタリゼーションするか、または、製造方法によってタンパク質系をキャラクタリゼーションするために、多孔質マトリックス材料の孔径分布をカップリング剤無しで測定する。マトリックス材料の組成は変化し得るが、好ましくは無機酸化物含有材料である。無機酸化物に基づく材料(例えば、シリカに基づく材料)は、多くの有機担体にまさる利点を提供し、こうした利点としては、機械的強度並びに化学的及び熱安定性を挙げることができる。
【0019】
好適な具体例においては、タンパク質系は、無機多孔質マトリックスとタンパク質との間に配置されたカップリング剤を含む。未反応(すなわち、タンパク質と反応する前)の無機酸化物担体は、典型的には表面ヒドロキシル基を有する。好ましくは、こうした表面ヒドロキシルを比較的に低分子量の有機化合物と反応させて、官能基化単一層を形成する。適切なカップリング剤を用いた処理は、多孔質担体の表面の選択された官能基化部分を生成することができる。好ましいカップリング部分は、メルカプト(−SH)、アミノ(−NH2)、カルボキシル(−COOH)、ヒドロキシル(−OH)、及びアジド(−N3)である。特に好適な具体例は、Feng et al.によって"Functionalized Monolayers on Ordered Mesoporous Supports," Science, vol. 276, 923-926 (1997)において説明されている官能基化メソ細孔性担体を利用する。Feng et al.による論文において説明されているように、表面ヒドロキシルをメルカプトプロピルトリメトキシシラン、(MeO)3Si(CH2)3SH、と反応させて、末端メルカプト基を有する官能基化表面を形成できる。官能基化表面は、より良好かつより制御可能な化学的環境及びタンパク質との結合を提供するので、非官能基化表面よりも優れている。
【0020】
多孔質マトリックス材料の表面が官能基化されている場合、官能基化度(degree of functionalization)(表面被覆率によって測定される。ここで、Feng et al.による上述の論文において説明されているように、表面被覆率は透過型電子顕微鏡法によって測定される)は、結合したタンパク質の活性レベルに影響を及ぼすことが見い出された。好ましくは、表面被覆率は少なくとも2%、より好ましくは約20〜70%、より好ましくは20〜50%である。多すぎるカップリング部分は活性を低下させ得るが、一方、少なすぎるとマトリックスへのタンパク質の共有結合付着を低下させ、タンパク質系の安定性を低下させ得る。
【0021】
特に、カップリング剤を使用しない具体例の場合、多数のファクターが、タンパク質を取込む多孔質マトリックスの能力に影響を及ぼし得ることが見い出された。こうしたファクターの非網羅的な一覧としては、官能基化度、官能基化部分のタイプ(例えば、アミノ、カルボキシル等)、pH、イオン強度、緩衝、及び孔径を挙げることができる。一般に、静電相互作用は、タンパク質の取込を制御するために非常に重要となり得る。例えば、マトリックス材料の細孔中のカルボキシルは、タンパク質の表面のアミノと相互作用し得、逆の場合も同じである。同様に、親水性/疎水性相互作用を制御して、マトリックス材料をタンパク質の取込に適応させることができる;例えば、マトリックス材料の細孔中の炭化水素鎖は、タンパク質表面の疎水性領域と相互作用することができる。選択されたタンパク質を取込むための条件の特定は、本明細書において述べる説明を考慮して常用の実験によって決定することができる。
【0022】
タンパク質は、約100を超えるアミノ酸残基を含み、典型的には約8,000〜約300,000ドルトンの範囲内の分子量を有する高分子有機化合物である。本発明において最も興味深いのは、化学的に活性なタンパク質、すなわち、化学的方法の例えば加水分解、酸化、還元、酸素輸送、光学的反転、脱水素、脱離等を促進できるタンパク質である。より好ましいのは、酵素、すなわち、化学反応を触媒するタンパク質である。1つの特に好ましいタンパク質は、有機リンヒドロラーゼ(organophosphorus hydrolase)(OPH)であり、これは周知であり、文献に報告されている。例えば、Muchandani et al., "Biosensor for direct determination of organophosphate nerve agents. Potentiometric enzyme electrode," Biosensors & Bioelectronics, 14, 77-85 (1999)を参照されたい。
【0023】
タンパク質は、全て共有結合を介して連結しているアミノ酸で構成され得る。タンパク質はまた、非共有結合相互作用によって一緒に保持されるサブユニットで構成され得る。例えば、ヘモグロビンは4つのサブユニットで構成されるタンパク質である。タンパク質はまた、他の構成要素の例えば金属原子、ポルフィリン環、及び他の人造のまたは天然に存在する修飾を含み得る。OPHは、直径約45〜80オングストローム及び体積約1.95×105オングストローム3を有する二量体酵素である。従って、OPHが平均細孔容積の10%を占有するようにタンパク質系が設計された場合、マトリックスは、平均細孔容積約1.95×106オングストローム3を有すると思われる。
【0024】
本発明におけるタンパク質のサイズを、未変性状態における回転半径に基づいて従来の意味で定義する。本発明のタンパク質系においては、好ましいタイプのタンパク質は、0.5×105オングストローム3〜3×105オングストローム3の範囲内の体積を有する酵素であり、というのは、このサイズ(体積)の範囲内のタンパク質は、本発明のタンパク質系の多孔質マトリックス中で特に好都合だからである。
【0025】
マトリックス中のタンパク質を、“活性状態”にあるタンパク質と比較することができる。本発明においては、固定化されたタンパク質の活性(または“単位活性”)の定義は、固定化されていないタンパク質の一般に認められている定義と同じである。活性単位を、特定の緩衝液条件中、特定の温度で、指定された時間の間に、既知のまたはキャラクタリゼーション済みの基質から生成物を生じるために必要なタンパク質の量によって定義する。多くの酵素及び酵素のクラスのために、一般に認められている活性単位が存在する。一般に認められている活性単位の1つの出典は、ワーシントン酵素マニュアル(Worthington Enzyme Manual)(ザ・ワーシントン・バイオケミカル・コーポレーション、フリーホールド、NJ(the Worthington Biochemical Corporation, Freehold, NJ)から入手可能である)である。このマニュアルは、グルコースオキシダーゼ(GOD)及びグルコースイソメラーゼ(GI)を含む酵素の活性の定義を含む。本発明においては、OPHの活性を、Dumas et al., J. Biol. Chem., v. 264, p19659 (1989)において説明されているように定義する;すなわち、活性単位は、25℃、100mMのCHES中、pH9での1分間当りの1ミクロモルのパラオキソンの加水分解であり、パラオキソン基質が加水分解されてジエチルホスフェート及びp−ニトロフェノラート陰イオンになる場合に、吸光係数ε405=17,000M-1cm-1と仮定して、典型的には吸光度の変化を400nmでモニターする。好適な具体例においては、本発明のタンパク質は、活性状態にある活性の少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%である。本発明者らは、OPH含有タンパク質系の活性は、優れた活性を有することを見い出した。幾つかの好適な具体例においては、本発明の系中のタンパク質は65〜95%の活性を有する。幾つかの具体例においては、本発明のタンパク質系はまた、同じ官能基化条件を含む同じ条件下で製造し、試験し、ただし通常のシリカを多孔質マトリックス材料として使用した同一の質量の系と比較して定義することができる;好ましくはタンパク質系は、同一に製造し、ただし多孔質マトリックス材料中に通常のシリカを有する系と比較して、少なくとも2倍(2×)、より好ましくは少なくとも5×、さらにより好ましくは少なくとも10×、さらにより好ましくは少なくとも50×大きな活性を有する。本発明はまた、同じ条件下で、実施例において説明するものとほぼ同じかまたはより大きな程度に活性を維持できると定義できる。
【0026】
本発明の様々な具体例において用いてよいタンパク質の非限定一覧は次の通り:アデノシンアミノヒドロラーゼ、アデノシンデアミナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、アミノ酸オキシダーゼ、アミノ酸デアミナーゼ、アミノ酸デカルボキシラーゼ、ATPキナーゼ、ATPホスファターゼ、ビリルビンオキシダーゼ、カタラーゼ、キモトリプシン、クレアチンホスホキナーゼ、カテコラーゼ、コレステロールオキシダーゼ、キチナーゼ、キトデキストリナーゼ、キトサナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、コレステロールエステラーゼ、コリンオキシダーゼ、コリンホスファターゼ、シトラーゼ、コカインエステラーゼ、シトクロムC、シトクロムCオキシダーゼ、シトクロムCレダクターゼ、シトクロムP450、シトクロムP450レダクターゼ、シトクロムB5、DNアーゼ、DNAジャイレース、ヘリカーゼ、DNAジョイナーゼ、リガーゼ、ヌクレオチジルエキソトランスフェラーゼ、DNAヌクレオチジルトランスフェラーゼ、DNAポリメラーゼ、DNA修復酵素、DNAトポイソメラーゼ、エンドペクチンリアーゼ、エンドペプチダーゼ、エンドペルオキシドイソメラーゼ、エンドプロテイナーゼ、エンドリボヌクレアーゼ、フィブリノーゲン、フェレドキシン、フェレドキシンレダクターゼ、フェレドキシンオキシドレダクターゼ、フェロオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ、GI、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコース−6−ホスファターゼ、グルコース−6−ホスフェートデヒドロゲナーゼ、グルタチオンペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼ、ヘモグロビン、ヘパリナーゼ、ラクトースシンターゼ、ラクトペルオキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、ラクターゼ、ラッカーゼ、ミオグロビン、マレエートデヒドロゲナーゼ(Malate dehydrogenase)、マリックデヒドロゲナーゼ(Malic dehydrogenase)、リンゴ酸酵素(Malic enzyme)、メタノールオキシダーゼ、ミクロペルオキシダーゼ(Microperoxidase)、モノフェノールモノオキシゲナーゼ、モノフェノールオキシダーゼ、ムタロターゼ、NADHデヒドロゲナーゼ、オキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、NADPシトクロムレダクターゼ、NADPHオキシドレダクターゼ、ヌクレアーゼ、ナイトレートレダクターゼ、OPH、オキサレートデカルボキシラーゼ、オキサレートオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、プロテアーゼ、プロテイナーゼ、プチダレドキシン、パパイン、ペプシン、プラスミン、プラスミノーゲン、ペクチナーゼ、ピルビン酸カルボキシラーゼ、デカルボキシラーゼ、プルベートデヒドロゲナーゼ(Puruvate dehydrogenase)、オキシダーゼ、キナーゼ、キノンレダクターゼ、リボヌクレアーゼ、サリチレートヒドロキシラーゼ、モノオキシゲナーゼ、サルコシンデヒドロキシラーゼ、オキシダーゼ、スルファターゼ、スルファイトオキシダーゼ、スーパーオキシドジスムターゼ、ストレプトリシンO、トリプシン、ウレートオキシダーゼ、ウレアーゼ、ウリカーゼ、キサンチンデヒドロゲナーゼ、オキシダーゼ、アクチン、ベータアガラーゼ、アルブミン、ウシ血清、アルドラーゼ、アミラーゼ、アルファアミラーゼ、ベータアスパルチルアミノトランスフェラーゼ、アビジン、カルボニックアンヒドラーゼ、カルボキシペプチダーゼA、カルボキシペプチダーゼB、カルボキシペプチダーゼY、カゼイン、アルファセルラーゼ、コレステロールエステラーゼ、コリンエステラーゼ、アセチルコリンエステラーゼ、ブチリル、キモトリプシン、クロストリパイン、コラーゲン、コラゲナーゼ、コンカナバリンA、クレアチンキナーゼ、デオキシリボヌクレアーゼI、デオキシリボヌクレアーゼII、T4DNAリガーゼ、DNAポリメラーゼI、T4DNAポリメラーゼ、デキストラナーゼ、ジアホラーゼ、エラスターゼ、エラスチン、ガラクトシダーゼ、ベータグルコース−6−ホスフェートデヒドロゲナーゼ、ベータグルコシダーゼ、ベータグルクロニダーゼ、グルタメートデカルボキシラーゼ、グリセルアルデヒド−3−ホスフェートデヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、グリセロールキナーゼ、ヘキソキナーゼ、ヒアルロニダーゼ、ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、ロイシンアミノペプチダーゼ、リパーゼ、ルシフェラーゼ、リゾチーム、マレエートデヒドロゲナーゼ、マルターゼ、ムチン、NADアーゼ、ノイラミニダーゼ、ミクロコッカルヌクレアーゼ、S1ヌクレアーゼ、卵白アルブミン、オキサレートデカルボキシラーゼ、ペクチナーゼ、酸性ホスファターゼ、アルカリ性ホスファターゼ、ホスホジエステラーゼI、ホスホジエステラーゼII、ホスホエノールピルベートカルボキシラーゼ、ホスホグルコムターゼ、ホスホリパーゼA2、ホスホリパーゼC、血漿アミンオキシダーゼ、アメリカやまごぼう抗ウイルス毒素、T4ポリヌクレオチドキナーゼ、ポリフェノールオキシダーゼ、プロテアーゼ、黄色ブドウ球菌(S. aureus)、プロテイナーゼK、ピルベートキナーゼ、逆転写酵素、リボヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼT1、リボ核酸、RNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼ、T7、及びキシロースイソメラーゼ。
【0027】
様々な具体例においては、本発明を、上記に列記したタンパク質のいずれでも包含する(排他的に、実質的に、または包含する)と定義することができる。例えば、本発明を、タンパク質は排他的に(すなわち、からなる)OPH(または、他に、上記の一覧の他のタンパク質のいずれでも)であるか、または実質的に(すなわち、本質的に〜からなる)OPH(または、他に、上記の一覧の他のタンパク質のいずれでも)であるか、またはOPH(または、他に、上記の一覧の他のタンパク質のいずれでも)を包含する(すなわち、含む)と定義することができる。
【0028】
非常に様々なタンパク質が存在するが、また、タンパク質の構造を構成する化学的部分には膨大な重複が存在する。同じタイプのアミノ酸は大部分のタンパク質に共通である。化学的部分におけるこの類似性が、同じカップリング手法を使用してタンパク質を担体の上に結合することを可能にする。例えば、システイン、アミノ末端アミノ酸及びカルボキシル末端アミノ酸のスルフヒドリル、並びにアルギニン及びリジンのアミノ基は、こうした部分が存在するタンパク質とは無関係に、一般的には同じように、カップリング剤またはマトリックス表面と反応することができる。
【0029】
大部分の場合には、タンパク質は担体とは直接に結合しない。場合によっては、単数または複数の連結部分が担体及びタンパク質と結合する。例えば、カップリング剤は、担体表面のヒドロキシル部分を介してタンパク質表面のアミンと反応できる(例えば、本明細書において参考のために引用する米国特許第5,077,210号を参照されたい。)。こうした連結部分は、好ましくは2〜20個の原子を有する鎖長、より好ましくは4〜10個の原子を有する鎖長を有する有機部分である。好ましくは、各タンパク質は少なくとも1つのカップリング部分を介して、より好ましくは2〜10の部分を介してマトリックスと結合する。各タンパク質と結合した部分の数を、適切な分析法によって、例えば、結合したタンパク質を開裂し、開裂した分子を質量分析法によって分析することによって測定できる。表面ヒドロキシルをタンパク質に連結するための、多数の周知のカップリング剤が存在する。例えば、カップリング剤は、表面とのオキソ結合を形成するシロキサン(−Si(OR)x)末端基、可撓性有機鎖(例えば、(CH2)n)、及びタンパク質と結合するチオール(−SH)末端基を有することができる。
【0030】
担体と取り込まれた(例えば、非共有結合したかまたは共有結合付着した)タンパク質とを組み合わせたタンパク質系は、化学的な正確さでキャラクタリゼーションをすることが困難となり得る。しかしながら、系は、測定可能な特性によってキャラクタリゼーションすることができる。本発明の様々な具体例を定義することができる測定可能な特性としては、孔径、細孔容積、孔径分布、表面積、活性、安定性、担体中のタンパク質の密度、系の密度、及び系の強度が挙げられる。優れた特性は、タンパク質のサイズ(またはタンパク質の体積)に相当する孔径(または細孔容積)を有する担体を工学的に作製することで得ることができることが発見された。好ましくはタンパク質の体積は、平均細孔容積(ここで、この測定基準のために、平均細孔容積は、サイズの範囲が50〜400オングストロームである細孔のみに基づく)の5〜40%、より好ましくはタンパク質の体積は平均細孔容積の10〜25%である。このようにタンパク質のサイズを孔径に整合させることで、活性及び安定性の意外な改良を与えることができる。こうした改良された特性を生じる機構は完全に解明されたわけではないが、タンパク質の閉じ込めは、反応性種をタンパク質中に指向することを助けるかもしれず、また、タンパク質が不可逆的に変性するのを防ぐかもしれないと考えられている。タンパク質の体積は、生物物理学的方法の例えば分析用超遠心またはX線結晶解析によって測定できる。好ましくは、活性は、タンパク質分子当りで測定して、活性状態にあるタンパク質の活性の少なくとも60%である。好ましくは、系は、40体積%未満のタンパク質;より好ましくは5〜40体積%のタンパク質;さらにより好ましくは10〜25体積%のタンパク質を含む。好ましくは、系は、8Mの尿素にさらすと(実施例において述べるように)、タンパク質系中のタンパク質は遊離タンパク質の少なくとも2倍安定であり、幾つかの具体例においては、約3〜約5倍安定であるような安定性を有する。他の具体例においては、タンパク質系中のタンパク質は、実施例において述べる条件のいずれの下ででも溶液中に置いた場合、遊離タンパク質の少なくとも2倍安定であり(変性の速度によって測定される)、より好ましくは少なくとも3倍安定である。
【0031】
本発明によって得ることができるさらなる利点は、タンパク質系の高い表面積(N2吸着によって測定される)である。孔径と同様に、表面積を、タンパク質系の場合には官能基化表面に関して、方法及びこうした方法によって製造される系によって定義される本発明の場合には非官能基化マトリックス材料に関して測定する。表面積は、好ましくは少なくとも700m2/g;より好ましくは少なくとも900m2/gである。表面積の上限は、Feng et al.によって説明されているタイプのメソ細孔性マトリックス材料及び同様の材料の上限によって限定されるかもしれない。本発明のさらなる利点は、比較的に緻密なタンパク質系を製造できることである。好ましくは、系中のタンパク質は、密度少なくとも0.01mmol/g;より好ましくは密度0.1〜1mmol/gを有する。本発明の系は、その特性のうちの任意の1つまたは様々な組合せにてその特性のうちの幾つかを示すことを特徴とすることができる。例えば、好適な具体例においては、タンパク質系は、活性なタンパク質の活性の65〜95%の活性を示し、密度0.1〜1mmol/gを有する。
【0032】
幾つかの好適な具体例においては、取り込まれたタンパク質を含む多孔質マトリックス材料は、微小チャネル内部に配置される。微小チャネルは、少なくとも1つの寸法が2mm以下、好ましくは1mm以下を有するチャネルである。微小チャネルは、向上した熱伝導及び/または物質移動及び設計の緻密さのような利点を提供することができる。幅0.25mmのチャネル中に配置されたSAMMS中に架橋したOPHに関する試験は、低い圧力低下(重力下での若しくは臑動ポンプでの送出下での流れまたは1bar未満)及びより大きい反応時間を証明した。従って、本発明は、取り込まれたタンパク質を含む多孔質マトリックス材料が微小チャネル内部に配置されるような装置及び方法を含む。この方法において、例えば、反応物は微小チャネルを通過して生成物を形成することができる。
【0033】
タンパク質は周知の手順によって製造でき、好適な具体例においては、単数または複数のカップリング剤と反応して担体と結合する前に、特殊な手順を必要としない。好ましくは、マトリックス内部で結合する前に、タンパク質は、活性を安定化する水溶液中で約95%純粋であるべきであり、緩衝液は、カップリングの化学を妨げるべきではない。
【0034】
OPHを製造する本発明の方法において、宿主細胞は、OPHをコード化する配列を含むベクターを用いてトランスフェクションされ、配列は、機能し得るようにT7発現制御配列に結合している。トランスフェクションした宿主細胞を、発現を可能にする条件下、発現制御配列の制御下で培養する。OPHを、細胞または細胞の培地から精製する。好適な具体例においては、ベクターには、機能し得るようにT7発現制御配列に結合した、OPHをコード化する配列が与えられている。好ましくは、OPHは、約13,000酵素単位/mg(unit/mg)の活性を有する。好ましくは、ベクターはプラスミドである。宿主細胞は原核細胞、真核細胞、または酵母細胞とすることができる。原核細胞は好ましくは細菌、より好ましくは細菌は大腸菌である。酵母細胞は、好ましくはピキア・パストリス(Pichia pastoris)である。
【0035】
マトリックスは好ましくは、可溶性前駆体から製造されたメソ細孔性酸化物材料である。好ましい合成の例は、米国特許第5,645,891号及び同第5,922,299号並びに米国特許出願第09/020,028号(この3つの全てを、完全に転載するように下記に組み込む。)、Liu et al.,"Molecular Assembly in Ordered Mesoporosity: A New Class of Highly Functional Nanoscale Materials," J. Phys. Chem., 104, 8328-8339 (Aug. 2000)及び上記に参照したFeng et al.の論文において提供されている。
【0036】
マトリックス材料の典型的な合成は、Feng et al., Science, 276, p923 (1997)によって報告された。CTAC/OH溶液を作製するために、CTAC溶液と強塩基性イオン交換樹脂(ダウエックス−1(DOWEX-1)、0.2gの樹脂/1グラムの29%CTAC溶液)とを接触させた。13gのコロイドシリカ、51gのテトラメチルアンモニウムシリケート及び28gのメシチレンを、各々100gのCTAH/OH溶液に加えた。混合物をテフロンTMで内張りした容器中に密封し、105℃にて1週間加熱した。生成物を吸引ろ過によって回収し、雰囲気温度で乾燥し、540℃で12時間、空気中でか焼した。得られたメソ細孔性材料の表面を、様々な方法で官能基化した。例えば、表面を、トリス(メトキシ)メルカプトプロピルシランと反応させることで、チオール基を用いて官能基化することができる。得られた官能基化マトリックスを“SAMMS”と呼ぶ。%表面被覆率を、(i)担体の表面積、(ii)官能基化単一層を付着させた後の重量変化、及び(3)平坦な表面上で実現する可能性がある理想的な負荷密度、に基づいて推定する。%表面被覆率は、電子エネルギー分散型分光法(electron energy-dispersive spectroscopy)(EDS)によって実証することができる。
【0037】
従来技術において周知のように、様々なアプローチを使用して、担体にタンパク質を付着させることができる。好適な具体例においては、担体を、カップリング剤の例えばビス[2−(スルホスクシンイミドキシカルボニルオキシ)エチル]スルホン(BSOCOES)を用いて前処理する。過剰のカップリング剤は洗い流すことができる。それに続いてタンパク質を、カップリング剤で処理済みの表面と反応させる。他に、タンパク質をまずカップリング剤と反応させ、それに続いてマトリックスの表面と反応させることができる。過剰のタンパク質は洗い流し、回収することができる。
【0038】
好ましい方法において、官能基化多孔質マトリックスをまず架橋剤と反応させる。例えば、アミノ誘導体化SAMMSをスルホ−BSOCOESまたはグルタルジアルデヒドと反応させる。過剰の架橋剤が存在する場合には除去することが望ましい。次に、タンパク質を加える。好ましくは、タンパク質は低濃度溶液中にある。この手順は、架橋剤によるタンパク質の分子間架橋の可能性を低減するかまたは無くす。
【0039】
他の方法において、架橋剤を加えずに多孔質マトリックス材料(好ましくは官能基化多孔質マトリックス材料)をタンパク質と合わせる。このようにして、タンパク質が多孔質マトリックスと非共有結合しているようなタンパク質系を製造することができる。この方法を好ましくは、多孔質マトリックスが、選択されたタンパク質のための相補的な環境(complementary environment)を作り出す(例えば、マトリックスの細孔中のアミノ基はタンパク質表面のカルボキシル基と一致する)ように、静電相互作用を適応させることで行う。静電相互作用を適応させる際に考慮すべき可能性のあるファクターは、上記に検討した。
【0040】
本明細書において説明するタンパク質系は、本明細書において説明する方法のいずれでも使用して製造でき、こうした方法もまた本発明の一部分である。
【0041】
実施例
本発明者らは、ATCCから入手可能なOPH遺伝子を得、ノバジェン(Novagen)から購入した2つのベクター、pET11a及びpET15b中にサブクローニングした。天然型のOPH及びHis−TagTMを含むOPHの両方を製造できるように、2つのノバジェンベクターを使用した。本発明者らは、両方のタイプの多数のクローンを作製した。こうしたノバジェンベクターは強いプロモーターを含み、所望のタンパク質の収率を最大にするように設計されている。制限消化は、本発明者らは間違いなくOPH遺伝子をサブクローニングし、得られた構成体は活性なOPHタンパク質:SEQ ID No.4(図4)を与えたことを確認した。
【0042】
細菌発現及び精製:組み換えOPHタンパク質を多孔質基体と結合した後、精製工程を実行した。実現した総発現レベルは、総タンパク質で約4g/リットルだった。本発明者らは、〜10mg/リットルの活性なタンパク質を可溶性フラクションから精製した。従って、OPHの大部分は封入体(inclusion bodies)中にある;すなわち、これは不活性な形態で存在する。タンパク質が封入体中に存在するという事実は、精製を簡略化する。洗浄し、遠心分離した封入体から直接に精製したOPHは、SDSポリアクリルアミドゲル電気泳動によって分析して、アフィニティーカラムクロマトグラフィーによって精製したOPHとほぼ同程度に純粋であるようである。封入体タンパク質から活性を回復する大規模な方法は、常用の実験によって開発できる。この簡略化された精製手順は工業用生産に適している。
【0043】
材料及び方法
材料:
ジエチルp−ニトロフェニルホスフェート(パラオキソン、90%)、様々な金属塩、グリセロール及び全ての緩衝液並びに他の塩類を、シグマ(Sigma)(登録商標)−オールドリッチ(Aldrich)(登録商標)から購入した。
【0044】
発酵槽培地の成分(ペプトン及び酵母エキス)をギブコ BRL(Gibco BRL)から得、発現ベクター(pET11aTM、pET15bTM)をノバジェンInc.、マディソン、WI(Novagen Inc., Madison, WI)から購入した。 PCR用のプライマーをジェノシスInc.(Genosys Inc.)から取り寄せた。
【0045】
タンパク質精製用のバルククロマトグラフィー媒質をパーセプティブ・バイオシステムズ(Perseptive Biosystems)から得た(HSTM及びHQTM)。
ポリプロピルATM(Polypropyl ATM)カラム並びにOPH結合の比較用の非誘導体化シリカ樹脂を、ポリエルシーInc.、コロンビア、MDから得た。
【0046】
酵素固定化用の架橋試薬をピアース・ケミカル・カンパニー、ロックフォード、IL(Pierce Chemical Company, Rockford, IL)から購入した。
使用した略号:
CTAC、セチルトリメチルアンモニウムクロリド
OPH、有機リンヒドロラーゼ
HEPES、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−2−エタンスルホン酸
CHES、2−(シクロヘキシルアミノ)エタンスルホン酸
IPTG、イソプロピルチオガラクトシド
SAMMS、メソ細孔性シリカ表面の自己集合単一層
スルホ−BSOCOES、ビス[2−(スルホスクシンイミドキシカルボニルオキシ)エチル]スルホン
DTSSP、ジチオビス(スルホスクシンイミジルプロピオナート)
β−ME、β−メルカプトエタノール
マトリックス合成:
実施例において使用するメソ細孔性酸化物材料を製造するための典型的な手順は、次の通り。300オングストロームの細孔直径を有するメソ細孔性シリカを、液晶鋳型手順によって製造した。トリブロックコポリマーであるプルロニック P123(Pluronic P123)(BASFから入手可能なプロピレンオキシド/エチレンオキシドコポリマー、Mav=5,600)を構造指向剤とし、メシチレンを細孔消費剤(pore expending agent)として使用した。20gのプルロニック P123を、150gの脱イオン(DI)水及び600gの2MのHCl溶液中に40℃で撹拌しながら溶解させた。31.9gのメシチレンを次に加え、同じ温度で撹拌を続けた。42.5gのTEOSを濁ったミセル溶液中に滴下し、上記の温度で20時間撹拌しながら硬化させた。混合物を、テフロンTMで内張りしたオートクレーブ中、100℃で一晩、撹拌せずにエージングした。白色の固体をろ過し、DI水を用いて洗浄し、空気乾燥した。この固体を、550℃で6時間徐々に昇温させて(1℃/分)か焼した。
【0047】
20%プロピルカルボン酸官能基化メソ細孔性シリカの典型的な製造において、2.0gのメソ細孔性シリカ(平均孔径=30nm、表面積=533m2/g)をまずトルエン(60mL)中に懸濁させ、ほぼ二層分のDI水(0.64mL)を用いて前処理した。この懸濁液を2時間撹拌して、メソ細孔性マトリックス全体にわたって水を分配させた。水和した混合物を次に20%(0.288g)の1単一層分の(1 monolayer's)3−シアノプロピルトリメトキシシラン(CPTS)を用いて処理し、加熱して6時間還流させた。処理済みのメソ細孔性シリカを、トルエンを用いて洗浄して、いかなる未反応のシランも除去した。空気乾燥したCPTS−SAMMS材料を次に50%H2SO4溶液を用いて処理し、3時間還流した。DI水を用いて長時間洗浄した後、白色の試料を70℃で一晩、真空下で乾燥した。
【0048】
20%アミノプロピル(APTS)及びメルカプトプロピル(MPTS)官能基化シリカの場合には、同じ手順を加水分解工程無しで適用した。2.0gのメソ細孔性シリカの懸濁液に、トルエン(60mL)及び0.64gの水及び0.188gのAPTSまたは0.206gのMPTSを、別々に加えた。混合物を加熱して6時間還流させ、次にろ別し、エタノールを用いて洗浄し、70℃で一晩、真空下で乾燥した。
OPHサブクローニング:
OPH配列を、PCRにより、pCMS75プラスミドを使用し、大腸菌FM5(アムジェンInc.(Amgen Inc.))(アメリカ培養コレクション、ロックビル、MD(American Type Culture Collection, Rockville, MD)から得た(ATCC(登録商標)#67778))中にクローニングした。PCR反応用のプライマーを、プレミア・バイオソフト・インターナショナル(Premier Biosoft International)製のプライマー・プレミアTMソフトウェア、バージョン4.04(Primer Premier software, version 4.04)を使用して選択した。使用したプライマーを以下のように列記する:
OPH上流プライマー、26マー:
【0049】
【化1】
【0050】
BamHI制限酵素切断部位を有するOPH下流プライマー(認識配列は太字の箇所)、20マー:
【0051】
【化2】
【0052】
OPH配列を、NdeI、BamHI制限酵素切断部位を使用してpET11a中にサブクローニングした。得られたOPH配列は、OPH酵素の成熟部分をコード化し、すなわち、N末端の29個のアミノ酸シグナル配列を有せず、その結果、配列の長さは1010bpであり、これは合計337個のアミノ酸またはMW36,419Daに相当する。
【0053】
クローニングの正しい生成物が得られたことの確認を、PCR及び制限酵素消化によって行った。
OPHのプラスミドの図を図2に示す。
発現及び精製:
有機リンヒドロラーゼを、oph−pET11aプラスミド及びBL21(DE3)pLyssTM、ノバジェンInc.、を宿主株として使用して、大腸菌発現系から精製した。(pET−15bプラスミド中にサブクローニングされたN末端His−TagTMOPH)。IPTGを用いた誘発は、SDSゲル表面で明白な移動度を有するタンパク質を生成することを示し、N末端シグナル配列(約36kDaまたはN末端His−Tag約38kDaを有する)を有しない成熟した天然OPHタンパク質の遺伝子配列に基づく予測と一致した。IPTGを用いた誘発の後、組み換え生成物の素性をまた、アミノ酸分析及び未精製の細胞溶解産物中のパラオキソン加水分解活性の出現によって確認した。
【0054】
バイオ−フロ3’000発酵槽TM(Bio-Flo 3'000 fermenterTM)(ニューブランズウィック、Inc.(New Brunswick Inc.))中での細胞の増殖のために使用する一般的なプロトコールは次の通りだった:
大腸菌細胞を、12時間、30℃でフラスコ中で増殖させ、100μLのグリセロールストック/1LのLB培地、100μg/mLのアンピシリン、35μg/mLのクロラムフェニコール、及びこの出発培養を発酵槽の接種材料として使用した。OD=0.5を有する500mLのON培養を遠心沈殿し、新しいLB培地を用いて洗浄し、再度遠心し、抗生物質を含まない250mLのLB中に再溶解させ、発酵槽培地に加えて、総体積=2.5Lだった。(注意:1mMのCoCl2をON出発培養用のLB培地に加えないことを確実にする。というのはこれは細胞を殺すからである)。
【0055】
発酵槽中の細胞は、4時間後に、37℃で、5g/Lの酵母エキス、10g/Lのペプトン、5g/LのNaCl、1mL/Lの泡止め剤、60mMのK2HPO4、15mMのKH2PO4、1mMのCoCl2、1.32μg/mLのチアミン、100μg/mLのアンピシリン、35μg/mLのクロラムフェニコール、10g/Lのグリセロール及び微量金属(10μMのNH4Mo7O24、CuSO4、H3BO3、MnCl2、ZnCl2)、50μMのFeCl3、0.5mMのCaCl2、1mMのMgSO4を含む培地中で、中間対数期(mid-log phase)に達した。DO−撹拌−酸素三重カスケード(DO-agitation-oxygen triple cascade)を使用し、撹拌範囲を最小200rpm〜最大800rpmに設定して、酸素レベルを35%に維持した。培地中の初期グルコース濃度は10g/Lであり、実験の間中、通常のグルコースストリップ(regular glucose strip)を使用してグルコースレベルをモニターして、2g/L以上になるように維持した。
【0056】
撹拌が467rpm、OD550=5に達した時に、グルコースレベルは2g/Lだった。31mLの40%グルコースを加えて、グルコースレベルを5g/Lにした。撹拌が700rpm、OD550=15に達した時に、グルコースレベルは再度2g/Lに低下した。温度は28℃に低下し、混合物を、0.25mMのIPTGを用いて誘発し、さらに31mLの40%グルコースを加えた。28℃で4時間誘発した後、さらに0.25mMのIPTGを加えた(合計0.5mM)。グルコースレベルは再度2g/Lであり、63mLの40%グルコースグルコースを加えて、グルコースレベルを10g/Lにした。さらに2時間誘発した後、細胞は明らかに増殖し続け、温度は24℃に低下し、細胞をさらに14時間、発酵槽ON中に残した。最後に、6,000rpm、20分間、4℃の遠心分離によって細胞を集めた。
【0057】
2.5Lの細胞培養から、約150gの湿潤重量の細胞ペーストを単離し、細胞ペーストを−80℃で貯蔵した。
本発明者らは、60gの細胞(1Lの培養に対応する)から、13,294.12酵素単位/mgの活性を有する約90mgのOPHを精製することができた。この収率を文献と比較できる。Omburo G.A., Kuo J.M., Mullins L.S., and Raushel F.M., in Characterization of the Zinc Binding site of Bacterial Phosphotriesterase. JBC, 1992, v. 267 (5): 13278-13283は、160gの細胞から8’020酵素単位/mgの活性を有する約298mgのコバルトホスホトリエステラーゼを得たことを報告した。
【0058】
Lai K., Dave K. I., and Wild J.R. (Bimetallic Binding Motifs in Organophosphorous Hydrolase Are Important for Catalysis and Structural Organization. JBC, 1994, 269 (24): 16579-16584)は、比較するのがより困難であるが、5mgのOPH/1Lの培養(恐らくフラスコ中で増殖させた)を精製したことを報告した。彼らは、T7のような強いプロモーターに対して、発現用に弱いプロモーター(天然のプラク(native Plac))を使用することを好み、というのは、強いプロモーター構成体を用いて彼らが得たOPH活性の収率はより低かったからである(データは示さない)。全ての精製工程を、予め冷却した装置及びレブコクロマトグラフィー冷蔵キャビネット(Revco Chromatography Refrigeration cabinet)を使用して4℃で実行した。
【0059】
細菌細胞(60g)を、100mMのHEPES(pH8.5)、50μMのCoCl2、1mMのDTT、抗プロテアーゼカクテル(ペプスタチン、ロイペプチン及びアプロチニン)を含む420mLの溶菌緩衝液A中に懸濁させ、フレンチ圧力セル(French pressure cell)を2回使用して細胞を溶菌した。可溶性タンパク質の上澄みを、1時間の100,000×gの遠心分離(アバンティTM、ベックマン(AvantiTM, Bechman))によって得、1mMのDTTを5mMのベータ−メルカプトエタノール(2−me)の代わりに用いた緩衝液A中で平衡化した500mLのHQTM陰イオン交換カラム(パーセプティブ・バイオシステムズ(Perseptive Biosystems))に負荷した。カラム流量は25mL/分だった。OPHを含むフロースルーを集め、1MのMES(pH5.5)を使用してpHを7.5に調節し、0.1MのHEPES(pH7.5)、50μMのCoCl2、5mMの2−me中で平衡化した250mLのHS陽イオン交換カラム(パースペクティブ・バイオシステムズ(Perspective Biosystems))に適用した。カラム流量は25mL/分だった。HSカラムのフロースルーを保持し、十分に乾燥した(NH4)SO4を加え、オリオン 126、セル 012210(Orion 126, Cell 012210)導電率計を使用して、試料の最終伝導率を1Mの(NH4)SO4溶液の伝導率(すなわち、105mS/mL)と等しくした。試料を、1Mの(NH4)SO4、0.1MのHEPES(pH7.5)、5mMの2−me中で平衡化した180mLのポリプロピルATM(ポリエルシー、Inc.)カラムに負荷した。カラム流量は10mL/分だった。
【0060】
平衡化緩衝液を用いた3カラム体積の洗浄の後、0.1MのHEPES(pH7.5)までの10カラム体積の勾配を利用し、OPHを勾配の最末端で溶出した。本発明者らは、100mg近くの純粋なOPHを60gの細胞(1Lの培養に対応する)から精製することができた。30KNMWL(30kDaカットオフ)膜を用いたミリポア・ウルトラフリー(登録商標)バイオマックス(Millipore Ultrafree(登録商標) Biomax)遠心濃縮器と、20%グリセロールに対し、0.1MのHEPES(pH7.5)、50μMのCoCl2への透析とを使用してタンパク質を3mg/mLまで濃縮した後、タンパク質を分取し、−80℃で貯蔵した。比活性を測定して13,294.12酵素単位/mgだった(表I及びSDSゲルの要約を参照されたい)。
【0061】
HICからピークとして現れたタンパク質の活性と濃縮及び透析後の同じタンパク質の活性との差は恐らく、緩衝液の交換によって説明されよう。1つの場合に、緩衝液は、OPH活性の競合阻害剤であるベータ−メルカプトエタノールを含み、CoCl2を含まず、他の緩衝液は50μMのCoCl2を含み、2−meを含まなかった。
【0062】
【表1】
【0063】
OPH固定化:
使用した媒質:
1.SAMMS:SH−、COO−、NH2−活性基を用いて誘導体化し、5%及び20%のコーティングを施した(全ての利用可能なシラン基の5%及び20%を活性基を用いて修飾したかまたは誘導体化した)。媒質の特性:250オングストロームの12〜15μmのビーズ、表面積約450m2/g
2.ポリエルシーシリカ:購入した未コーティングのものであり、NH2−、COO−基を用いてPNNL中に誘導体化し、20%及び100%のコーティングを施した。媒質の特性:300オングストロームの12μmのビーズ、表面積約100m2/g。
【0064】
結合した酵素の最高の密度並びに活性の最低の損失及び最低の拡散限度を与えると思われる最良の結合化学に関してふるい分けした後、本発明者らは、OPHのNH2−基を介したOPHとNH2−誘導体化媒質との結合を選択した。
【0065】
多くの架橋剤を試験し、この中で2つが特に効果的であることが見い出された:すなわち、スルホ−BSOCOES(ビス[2−(スルホスクシンイミドキシカルボニルオキシ)エチル]スルホン)及びDTSSP(ジチオビス(スルホスクシンイミジルプロピオナート))である。こうした2つの架橋剤の利点は次の通り:
i.両方の架橋剤とも、スペーサーアーム(DTSSPの場合には長さ12オングストロームであり、BSOCOESの場合には13オングストローム)を有する。スペーサーアームは、立体障害を避けるために有益である。
【0066】
ii.これらの両方は、スルホ官能基(functioning group)が理由となって水溶性である。
iii.ピアース(ロックフォード、IL)(Pierce (Rockford, IL))は、PBSを結合緩衝液(pH7.5)として推奨していた。このpHはOPHにとって好都合であり、というのは、酸性のpHで、すなわち、6.5よりも低いpHで、OPHは凝集し、活性中心から金属を失う傾向があるからである。より高いpHはさらなる利点を有する:NHS−エステルの加水分解はより高いpHでより速く進行する。従って、より高いpHを使用した場合、本発明者らは、架橋剤/タンパク質のより高いモル比を得た。
【0067】
iv.両方とも安定な共有結合のアミド結合を生じ、DTSSPの場合には、この結合は、チオール(DTT、メルカプトエタノール等)を用いて開裂可能である。この特徴は、特定の用途のために有用である可能性がある。
OPHとNH 2 −誘導体化表面とのスルホ−BSOCOESまたはDTSSPカップリングのための標準的なプロトコール:
(ピアースのプロトコールをほとんど修正していないもの)
1.スルホ−BSOCOESまたはDTSSP架橋試薬(管入りで入荷)は、−20℃で、好ましくは乾燥し、窒素下で貯蔵すべきである。実施においては、架橋試薬を用いて作業する(すなわち、最初の管の内容物を分取する)際には、窒素グローブボックスまたは窒素袋(冷蔵室中で窒素タンクを使用して窒素を充填した)を使用するのは良い考えである。管を開ける前に常に試薬を室温にする。
【0068】
2.OPHに結合する予定の媒質は、水中で十分に膨潤させるべきである。一般に本発明者らは、500mgの媒質/5mLのH2Oを使用し、SAMMS用の〜50%スラリー(v/v)を作製した。このスラリーは、+4℃で貯蔵した際に非常に安定だった。注意:ポリエルシー媒質の場合、SAMMSと比較して乾燥重量で2倍多い媒質を使用するべきである(すなわち、〜1gのポリエルシー媒質/5mLのH2O及び〜50%スラリー(v/v)を作製する)。
【0069】
3.OPH(09/02に精製、[3mg/mL])を2mL分取し、−80℃で貯蔵し、解凍させ、緩衝液を25mMのHEPES(pH8.5)、20%グリセロール、50μMのCoCl2から0.1Mのカーブ/重炭酸塩(carb/bicarbonate)(pH9.0)に変更した。本発明者らが使用したNAP−25カラムは最大体積10mLを有した。これを用いて、本発明者らは約2.5〜3.0mLの最大試料体積を利用することができた。
【0070】
4.新たなミリポア・バイオマックス・ウルトラフリーの4.0mLの30KCO膜ユニットを使用し、10分間、+4℃で、ソルバールCF、バッカーローター(Sorvall CF, bucker rotor)を最高速度で使用して20mg/mLまで濃縮した。
【0071】
5.切断したイエローチップを用いて、H2O中の50%スラリー粉末を、2mgに対して90.1mLの体積の0.1Mのカーブ/重炭酸塩緩衝液(pH9.0)中のOPHに加えた。スラリー粉末のおおよその比は150μlの50%スラリー/2mgのタンパク質である:ポリエルシーシリカ、及びNH2−SAMMSの20%被覆の2つのタイプの誘導体化(NH2−20%及び100%被覆)。
【0072】
6.1.5mgまたは3mgまたは6mgのスルホ−BSOCOESまたはDTSSPを590μlの5mMのMES(pH5)中に溶解させる。(架橋剤/タンパク質の10×、25×、及び50×のモル比を得る)
7.直ちに架橋剤溶液(125μl/2mgのタンパク質)を各エッペンドルフ管(eppendorf tube)に滴下し、混合し、室温で45分間、管を回転装置に取り付ける。
【0073】
8.停止液:1mLの1MのTris(pH8.1)を、1時間室温で加える。
9.PBSを用いて2回、0.5MのNaCl−PBSを用いて1回、及びPBSを用いて1回洗浄する。100mMのHEPES(pH8.5)−50μMのCoCl2中に再懸濁させ、+4℃で貯蔵する。
【0074】
10.BCAピアースキットを使用して37℃で30分間反応させて、樹脂に裏打ちしているタンパク質の量を推定する。
【0075】
実施例1
スルホ−BSOCOESの20%コーティングを使用し、50×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用したOPHとSAMMS−NH2誘導体化表面とのカップリング
標準的なプロトコールに次のように従った:
1.スルホ−BSOCOESを含む管から内容物のアリコートを取り出すために、窒素を充填した窒素グローブボックスを使用した。
【0076】
2.500mgの媒質を5mLのH2O中に使用し、〜50%スラリー(v/v)を作製した。このスラリーは、+4℃で貯蔵した際に非常に安定だった。
3.OPH(09/02に精製、[3mg/mL])を2mL分取し、−80℃で貯蔵し、解凍させ、緩衝液を25mMのHEPES(pH8.5)、20%グリセロール、50μMのCoCl2から0.1Mのカーブ/重炭酸塩(pH9.0)に変更し、ファルマシア・セファデックスG−25(Pharmacia Sephadex G-25)カラムを使用した。本発明者らが使用したNAP−25カラムは最大体積10mLを有した。これを用いて、本発明者らは約2.5〜3.0mLの最大試料体積を利用することができた。
【0077】
4.新たなミリポア・バイオマックス・ウルトラフリーの4.0mLの30KCO膜ユニットを使用し、10分間、+4℃で、ソルバールCF、バッカーローターを最高速度で使用して20mg/mLまで濃縮した。
【0078】
5.切断したイエローチップを用いて、H2O中の50%スラリー粉末を、2mgに対して90.1mLの体積の0.1Mのカーブ/重炭酸塩緩衝液(pH9.0)中のOPHに加えた。スラリー粉末のおおよその比は150μlの50%スラリー/2mgのタンパク質である:ポリエルシーシリカ、及びNH2−SAMMSの20%被覆の2つのタイプの誘導体化(NH2−20%及び100%被覆)。
【0079】
6.6mgのスルホ−BSOCOESを590μlの5mMのMES(pH5)中に溶解させる。
7.直ちにスルホ−BSOCOES溶液(125μl/2mgのタンパク質)をエッペンドルフ管に滴下し、混合し、室温で45分間、管を回転装置に取り付ける。
【0080】
8.1mLの1MのTris(pH8.1)を、1時間室温で加える。
9.PBSを用いて2回、0.5MのNaCl−PBSを用いて1回、及びPBSを用いて1回洗浄する。100mMのHEPES(pH8.5)−50μMのCoCl2中に再懸濁させ、+4℃で貯蔵する。
【0081】
10.BCAピアースキットを使用し、37℃で反応させて、樹脂と結合したOPHの推定される量=25.0mg/mLの媒質及び125.0mg/gの媒質だった。
【0082】
実施例2
スルホ−BSOCOESの20%コーティングを使用し、25×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用したOPHとSAMMS−NH2誘導体化表面とのカップリング。手順は実施例1と同様だったが、ただし、工程6において3mgのスルホ−BSOCOESを代わりに使用した。樹脂と結合したOPHの推定される量=16.0mg/mLの媒質及び8.0mg/gの媒質。
【0083】
実施例3
スルホ−BSOCOESの20%コーティングを使用し、10×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用したOPHとSAMMS−NH2誘導体化表面とのカップリング。手順は実施例1と同様だったが、ただし、工程6において1.5mgのスルホ−BSOCOESを代わりに使用した。樹脂と結合したOPHの推定される量=5.0mg/mLの媒質及び25.0mg/gの媒質。
【0084】
実施例4
DTSSPの20%コーティングを使用し、50×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用したOPHとSAMMS−NH2誘導体化表面とのカップリング。手順は実施例1と同様だったが、ただし、工程6において6mgのDTSSPを代わりに使用した。樹脂と結合したOPHの推定される量=25.0mg/mLの媒質及び125.0mg/gの媒質。
【0085】
実施例5
DTSSPの20%コーティングを使用し、25×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用したOPHとSAMMS−NH2誘導体化表面とのカップリング。手順は実施例1と同様だったが、ただし、工程6において3mgのDTSSPを代わりに使用した。樹脂と結合したOPHの推定される量=16.0mg/mLの媒質及び80.0mg/gの媒質。
【0086】
実施例6
DTSSPの20%コーティングを使用し、10×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用したOPHとSAMMS−NH2誘導体化表面とのカップリング。手順は実施例1と同様だったが、ただし、工程6において1.5mgのDTSSPを代わりに使用した。樹脂と結合したOPHの推定される量=5.0mg/mLの媒質及び25.0mg/gの媒質。
【0087】
実施例7
スルホ−BSOCOES及びDTSSPを使用した20%及び100%のコーティング表面において、10×、25×、及び50×モル過剰の架橋剤/タンパク質を使用して、OPHをポリエルシーとカップリングさせた。手順は実施例1〜6と同様だったが、ただし、工程2において5mLのH2O当り1000mgのポリエルシーを使用し、〜50%スラリー(v/v)を作製した。
【0088】
樹脂と結合したOPHの推定される量を表IIに列記する。
【0089】
【表2】
【0090】
本発明の組成物は、従来のシリカ(ポリエルシー)を用いた場合よりも高い密度の負荷が可能であることが分かる。従って、本発明の好適な具体例は、負荷密度を特徴とすることができる。好ましくはタンパク質系は、同じコーティング%を有するポリエルシーよりも2〜約7倍高い(mg/g単位で)、より好ましくは約5〜約7倍高い密度を有する。好適な具体例においては、20%コーティングで密度を測定する。
【0091】
実施例8−変性の影響
OPH−SAMMS及び可溶性OPHの変性条件に対する安定性を、尿素を4M、6M及び8Mの濃度で変性剤として使用して調べた。実施例の節における“可溶性OPH”または“OPHは可溶”という句は、フレンチプレスを用いた細胞破壊の最中に放出され、各精製工程で示される緩衝液中に可溶性である非封入体OPHを指す。結果を下記の表3に示す。
【0092】
【表3】
【0093】
固定化酵素は、遊離タンパク質よりもはるかに安定である。従って、本発明の好適な具体例は、変性剤に対するその安定性を特徴とすることができる。好ましくはタンパク質系は、8Mの尿素中で、遊離タンパク質の少なくとも2倍安定であり、幾つかの具体例においては、約3〜約5倍安定であるような安定性を有する。
【0094】
実施例9−脱水からの回復
脱水及び回復の実験を、固定化OPH−SAMMS及び可溶性OPHを使用して行った。可溶性OPHはその活性の7±1%のみを保持したが、OPH−SAMMSはその活性を完全に保持した(106±8%)。
【0095】
実施例10−動力学的特性
動力学的研究を、SAMMS表面の固定化OPH、ポリエルシー表面の固定化OPH、及び可溶性OPHを用いて実行した。1mMのパラオキソン溶液を25Cで使用して、100mMのCHES緩衝液(pH8.0)、50μMのCoCl2中で基質が加水分解されてジエチルホスフェート及びp−ニトロフェノラートになる場合に、吸光度の変化を405nmでモニターして(吸光係数は17,000M-1cm-1)、酵素活性を測定した。分析には、耐熱性セルホールダー及びセル撹拌モジュールを備えたヒューレット・パッカードモデル8453UV/Vis分光光度計を動力学モードで(Hewlett-Packard model 8453 UV/Vis spectrophotometer in kinetics mode equipped with the Thermostable Cell Holder and Cell Stirring Module)用いた。基質の新しい希釈物は、測定前30分以内に作製した。シグマプロット(SigmaPlot)を使用して、データの線形回帰を作図した。ポリエルシー(コロンビア、MD)シリカは購入した未コーティングのものであり、アミノ基を用いて誘導体化した。12μmのビーズの孔径は300オングストロームだった。SAMMSで固定化されたOPH及びポリエルシーで固定化されたOPHの両方は、可溶性OPHと同じKmを有するが、より低いVmax(OPH−SAMMSの場合には2.83倍低く、OPH−ポリエルシーの場合には6.44倍低い)を証明した。すなわち、OPH−SAMMSは、OPH−ポリエルシーよりも約2.3倍大きい反応速度を有する。表の質量は、OPHの質量を指す。
【0096】
【表4】
【0097】
実施例11−アルカリ性pHにおける安定性
この実験において、OPH−SAMMS及び可溶性OPHを、アルカリ性条件下での安定性に関して試験した。1時間のアルカリ性pH処理(1MのTris、pH12.0)の後に、OPH−SAMMSは、可溶性OPHの場合の0.77%と比較して、その活性の11.6%を保持することが見い出され、24時間のこのアルカリ性処理の後に、OPH−SAMMSは、可溶性OPHの場合の0.03%と比較して、その活性の9.9%を保持することが見い出された。この実施例における条件は、“アルカリ性条件”という用語が本出願において使用される時にこの用語が意味するものを定義する。この実施例ではOPH系を示すが、本発明のメソ細孔性マトリックスによって提供される安定性の利点は一般的なものであるということは認識できるはずであり、他のタンパク質でも同様の安定性の利点が得られるだろうということは予想される。
【0098】
実施例12−熱安定性
熱安定性を研究する実験は、OPH−SAMMSは溶液中のOPHよりもかなり安定であることを示した。こうした実験の結果を下記の表に示す。
【0099】
【表5】
【0100】
実施例13−凍結乾燥の影響
OPH−SAMMS及び可溶性OPHを凍結乾燥条件(1MのMES、pH5.0)にさらして、1時間後及び24時間後にOPH−SAMMSはその活性の50%を保持したが、1時間後及び24時間後に可溶性OPHはその活性の15%のみを保持したことが見い出された。
【0101】
実施例14
(1)スルホ−BSOCOESを含む管から内容物のアリコートを取り出すために、窒素を充填した窒素グローブボックスを使用した。
【0102】
(2)pH7.5で0.1MのHEPES/50μMのCoCl2中のOPHを、05/04/01に精製し、1mL分取し、−80℃で貯蔵し、冷蔵庫中で解凍させた。酵素ストックは、9223.30酵素単位(0.29mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0103】
(3)1.8mLの管中の300オングストロームの2%NH2−SAMMSの2〜4mgのアリコートに、100〜200μLの3.2mg/mLのスルホ−BSOCOES(pH7.5で0.1MのHEPES/50μMのCoCl2中)を加え、2分間振とうした。次に、これを1400rpmで2分間遠心分離し、過剰の架橋剤を含む上澄みを分離し、堆積物を、100μLの同じ緩衝液を用いて洗浄した。次にこれに100〜800μLのOPHストックを加え、1400分-1の速度、エッペンドルフサーモミキサー5436(Eppendorf Thermomixer 5436)上、25℃で45〜90分間振とうした。
【0104】
(4)次に酵素インキュベーション溶液を分離し、得られた堆積物をn×400μLのpH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl(n≧10)で洗浄した。中間段階で、これを14Krpmで6分間遠心分離した。最後に、洗浄した堆積物を、100μLの緩衝液/mgの初期SAMMSで、同じ洗浄用緩衝液中に再度再懸濁させた。徹底的な洗浄の後に懸濁液及び透明な溶液の両方を測定して、しっかり固定化されていないOPHが完全に洗い流されたことを示した。
【0105】
(5)共有結合したOPHの推定されるタンパク質の量は、ピアースBCAアッセイキット(ピアース、23227)によって11.00mg/gのSAMMSであり、初期比活性11386.07酵素単位/mgの結合したOPHを有した。
【0106】
実施例15
(1)10.17mgのGOD(シグマG−7016)を、5mLのpH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl中にGODストックとして溶解させた。酵素ストックは、395.05酵素単位(1.05mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0107】
(2)実施例14と同様だが、GODストック及び300オングストロームの20%NH2−SAMMSを代わりに使用した。
(3)GOD活性を、シグマ標準法(08/30/96に改訂)を使用して測定した。
【0108】
(4)共有結合したGODの推定されるタンパク質の量は14.85mg/gのSAMMSであり、初期比活性114.31酵素単位/mgの結合したGODを有した。
【0109】
実施例16
(1)9.95mgのGOD(シグマG−7016)を、5mLのpH7.0で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl中にGODストックとして溶解させた。酵素ストックは、372.25酵素単位(1.08mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0110】
(2)実施例15と同様だが、共有結合剤(covalent linker)源としてスルホ−BSOCOES溶液の代わりに200〜400μLの5%グルタルジアルデヒド(オールドリッチ、34085−5)(pH7.0で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl中)を使用した。
【0111】
(3)洗浄溶液は、実施例15において使用したpH7.5の代わりにpH7.0だった。
(4)共有結合したGODの推定されるタンパク質の量は81.64mg/gのSAMMSであり、初期比活性72.34酵素単位/mgの結合したGODを有した。
【0112】
実施例17
(1)ストレプトミセス・ルビギノサス(Streptomyces rubiginosus)から精製したGIを、ハンプトン・リサーチ、Inc.(Hampton Research, Inc.)から得た。これを、pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl/1mMのMgSO4中で透析し、1mL分取し、−80℃で貯蔵し、使用前に冷蔵庫中で解凍させた。GIストックは、180.22酵素単位(4.11mgのGIタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0113】
(2)実施例15と同様だが、GODストックの代わりにGIストックを使用した。インキュベーションを40℃で実行した。
(3)洗浄溶液は、pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl/1〜20mMのMgSO4だった。
【0114】
(4)本条件でのGI活性の定義:1酵素単位は、pH7.5、60℃、1.923MのD−フルクトース濃度にて、1分間でD−グルコースに転換される1ミクロモルのD−フルクトースである。活性を以下のような一般的な手順で測定した:5〜20μLのGI−SAMMS懸濁液に、0.5mLの2MのD−フルクトース(フルカ47739(Fluka 47739))(pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl/20mMのMgSO4中)を加え、次に1400分-1の速度、エッペンドルフサーモミキサー5436上、60℃の制御された温度で15分間振とうした。次に、10μLの1.8MのH2SO4によって反応を停止した。次に、5〜20μLの反応溶液に、2.0mLのグルコース(GO)アッセイ試薬(シグマ、G3660)を加え、湯浴中、37℃で30分間インキュベートさせた。インキュベーション反応を1.0mLの6MのH2SO4によって停止し、吸光度を540nmで測定した。グルコース標準曲線から、フルクトースのGI触媒転換によって生じたグルコースの量を得た。
【0115】
(5)共有結合したGIの推定されるタンパク質の量は48.47mg/gのSAMMSであり、初期比活性53.40酵素単位/mgの結合したGODを有した。
【0116】
実施例18
(1)実施例17と同様だが、共有結合剤源としてスルホ−BSOCOES溶液の代わりに200〜400μLの5%グルタルジアルデヒド(オールドリッチ、34085−5)(pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl中)を使用した。
【0117】
(2)共有結合したGIの推定されるタンパク質の量は30.45mg/gのSAMMSであり、初期比活性39.19酵素単位/mgの結合したGODを有した。
【0118】
実施例19
(1)pH7.5で0.1MのHEPES/50μMのCoCl2中の精製されたOPHを、1mL分取し、−80℃で貯蔵し、冷蔵庫中で解凍させた。酵素ストックは、9223.30酵素単位(0.29mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0119】
(2)1.8mLの管中の300オングストロームの2%NH2−SAMMSの2〜4mgのアリコートに、100〜800μLのOPHストックを加え、1400分-1の速度、エッペンドルフサーモミキサー5436上、25℃で2〜3時間振とうした。
【0120】
(3)次に酵素インキュベーション溶液を分離し、得られた堆積物をn×400μLのpH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl(n≧10)で洗浄した。中間段階で、これを14,000rpmで6分間遠心分離した。最後に、洗浄した堆積物を、100μLの緩衝液/mgの初期SAMMSで、同じ洗浄用緩衝液中に再度再懸濁させた。徹底的な洗浄の後に懸濁液及び透明な溶液の両方を測定して、しっかり固定化されていないOPHが完全に洗い流されたことを示した。
【0121】
(4)取り込まれたOPHの推定されるタンパク質の量は、ピアースBCAアッセイキットによって9.52mg/gのSAMMSであり、初期比活性16378.74酵素単位/mgの取り込まれたOPHを有した。
【0122】
実施例20
(1)10.17mgのGOD(シグマG−7016)を、5mLのpH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl中にGODストックとして溶解させた。酵素ストックは、395.05酵素単位(1.05mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0123】
(2)実施例19と同様だが、GODストック及び300オングストロームの20%NH2−SAMMSを代わりに使用した。
(3)GOD活性を、シグマ標準法(08/30/96に改訂)を使用して測定した。
【0124】
(4)取り込まれたGODの推定されるタンパク質の量は13.35mg/gのSAMMSであり、初期比活性99.33酵素単位/mgの取り込まれたGODを有した。
【0125】
実施例21
(1)実施例20と同様だが、9.95mgのGOD(シグマG−7016)を、5mLのpH7.0で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl中にGODストックとして溶解させた。酵素ストックは、372.25酵素単位(1.08mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0126】
(2)洗浄溶液は、プロトコール7において使用したpH7.5の代わりにpH7.0だった。
(3)取り込まれたGODの推定されるタンパク質の量は14.59mg/gのSAMMSであり、初期比活性136.28酵素単位/mgの取り込まれたGODを有した。
【0127】
実施例22
(1)ストレプトミセス・ルビギノサスから精製したGIを、ハンプトン・リサーチ、Inc.から得た。これを、pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl/1mMのMgSO4中で透析し、1mL分取し、−80℃で貯蔵し、使用前に冷蔵庫中で解凍させた。GIストックは、180.22酵素単位(4.11mgのGIタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0128】
(2)実施例20と同様だが、GODストックの代わりにGIストックを使用した。インキュベーションを40℃で実行した。
(3)洗浄溶液は、pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl/1〜20mMのMgSO4だった。
【0129】
(4)GI活性を、プロトコール4において行ったものと同じ方法で測定した。
(5)取り込まれたGIの推定されるタンパク質の量は94.94mg/gのSAMMSであり、初期比活性43.26酵素単位/mgの取り込まれたGODを有した。
【0130】
実施例23
(1)精製されたOPHを、2mL分取し、−80℃で貯蔵し、冷蔵庫中で解凍させ、pH8.5で25mMのHEPES/20%グリセロール/50μMのCoCl2からpH7.2で0.1MのHEPESへと透析した。酵素ストックは、4830.00酵素単位(0.39mgのOPHタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0131】
(2)50mLの管中の300オングストロームの2%HOOC−SAMMSの82.45mgのアリコートに、12mLのOPHストックを加え、350rpmの速度、イノヴァ4330冷蔵インキュベーター振とう機(Innova 4330 refrigerated incubator shaker)上、25℃で2時間47分間振とうした。次いで、得られた懸濁液を0.4mL分取した。
【0132】
(3)次に酵素インキュベーション溶液を分離し、得られた堆積物をn×400μLのpH7.5で20mMのHEPES(n≧10)で洗浄した。中間段階で、これを14,000rpmで6分間遠心分離した。最後に、洗浄した堆積物を、100μLの緩衝液/mgの初期SAMMSで、同じ洗浄用緩衝液中に再度再懸濁させた。徹底的な洗浄の後に懸濁液及び透明な溶液の両方を測定して、しっかり固定化されていないOPHが完全に洗い流されたことを示した。
【0133】
(4)取り込まれたOPHの推定されるタンパク質の量は、46.73mg/gのSAMMSであり、初期比活性26766.78酵素単位/mgの取り込まれたOPHを有した。
【0134】
実施例24
(1)31.07mgのGOD(シグマG−7016)を、11mLのpH7.0で20mMのホスフェート中にGODストックとして溶解させた。酵素ストックは、393.08酵素単位(1.71mgのGODタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0135】
(2)実施例23と同様だが、GODストック及び98.67mgの300オングストロームの20%NH2−SAMMSを代わりに使用した。
(3)洗浄溶液はpH7.0で20mMのホスフェート緩衝液である。
【0136】
(4)GOD活性を、シグマ標準法(08/30/96に改訂)を使用して測定した。
(5)取り込まれたGODの推定されるタンパク質の量は107.94mg/gのSAMMSであり、初期比活性76.22酵素単位/mgの取り込まれたGODを有した。
【0137】
実施例25
(1)ストレプトミセス・ルビギノサスから精製したGIを、ハンプトン・リサーチ、Inc.から得た。これを、pH7.5で20mMのホスフェート/0.15MのNaCl/1mMのMgSO4中で透析し、1mL分取し、−80℃で貯蔵した。6つのアリコートを使用前に冷蔵庫中で解凍させ、22.5mLのpH7.0で20mMのナトリウム/1mMのMgSO4によって一緒に希釈してGIストックとした。GIストックは、42.10酵素単位(0.86mgのGIタンパク質の量)/mLを含んだ。
【0138】
(2)実施例24と同様だが、GIストック及び100.98mgの300オングストロームの20%NH2−SAMMSを使用した。インキュベーションを40℃で実行した。
(3)洗浄溶液は、pH7.5で20mMのホスフェート/1〜20mMのMgSO4だった。
【0139】
(4)GI活性を、実施例17において行ったものと同じ方法で測定した。
(5)取り込まれたGIの推定されるタンパク質の量は77.26mg/gのSAMMSであり、初期比活性45.06酵素単位/mgの取り込まれたGIを有した。
比較例及び様々な条件を含む試験の結果
ポリエルシーInc.から市販されている通常のシリカ(品目番号:BMSI 1203)をSAMMSの場合と同様の方法で官能基化し、比較のために同じ実験条件下で上述のプロトコールにおけるSAMMSに代えて使用した。
【0140】
孔径、官能性のタイプ及び被覆の影響を調べるために、様々な孔径、官能性単一層のタイプ及び被覆を使用して、同じ実験条件下で上述のプロトコールにおけるSAMMSに代えた。
【0141】
緩衝液組成、pH、安定性及びイオン強度の影響を調べるために、様々な異なる洗浄溶液を、同じ実験条件下で上述のプロトコールにおける洗浄溶液に代えて使用した。
幾つかの結果を図に示す。以下の表記を使用したことに注意されたい:300オングストロームの20%NH2−SAMMSは、トリス−(メトキシ)アミノプロピルシランから誘導体化されたNH2−官能性単一層の20%被覆を有する孔径300オングストロームのメソ細孔性シリカを意味し、一方、300オングストロームの2%HOOC−SAMMSは、トリス−(メトキシ)カルボキシルエチルシランから得たHOOC−官能性単一層の2%被覆を有する同じメソ細孔性シリカを意味する。
【0142】
図5は、5つの異なるマトリックス表面に固定化されたOPHの比較データを示す。通常のシリカを使用した3つの実施例は48酵素単位/mgのシリカの活性を有し、一方、SAMMS表面に固定化されたOPHは156及び125の活性を証明した。実施例14及び19を参照されたい。従って、通常のシリカから製造されたタンパク質系はかなりより低い活性を証明した。
【0143】
官能基のタイプ及び官能基化度は、タンパク質系を形成する際に重要なファクターであることが見い出された。2%ではなく20%官能基化(100オングストローム、170オングストロームまたは300オングストロームのSAMMSの表面で)を用いて実施例19(活性156)を繰り返すと、1未満の活性を得た。同様に、2%ではなく20%官能基化(100オングストローム、170オングストロームまたは300オングストロームのSAMMSの表面で)を用いて実施例14(活性125)を繰り返すと、20未満の活性を得た。OPHを用いて処理した300オングストロームの20%HOOC−SAMMSは97の活性を証明し、一方、OPHを用いて同様に処理した300オングストロームの20%NH2−SAMMSは1未満の活性を有した。
【0144】
実施例の節におけるデータは、タンパク質の共有結合固定化を利用するかまたは非共有結合取込を利用するかに関係なく(とはいえ、結合のタイプは制御できる別のファクターである)、個々のタンパク質に関し適切な密度で陰イオンまたは陽イオン官能基化を適応させることの重要性を証明した。この適応可能性は、高濃度の活性なタンパク質を多孔質マトリックス中に取り入れることを促進する。得られたタンパク質系は、その活性または他の測定可能な特性によって定義することができる。
【0145】
図6及び9は、様々な緩衝液濃度で取り込まれたタンパク質(図6)及び、様々な緩衝液濃度で取り込まれたタンパク質の比活性(pH7.2のOPHの溶液と比較して)(図9)の両方の場合に、活性は緩衝液濃度(イオン強度)に敏感であることを示す。
【0146】
図7及び8に示すように、pH7.0で作製した試料は、より高いpHで作製した試料よりも多くのOPHを含んだが、タンパク質系の比活性はほぼpH7.5で最適化されるようである。図8の比活性は、pH7.2のOPHの対照液の比活性で割った固定化OPHの比活性である。
【0147】
非共有結合で保持されようと共有結合で保持されようと、取り込まれたOPHは、溶液中のOPHと比較してかなり良好な安定性を証明した。図10に示すように、4℃で110日間冷蔵した場合に、取り込まれたタンパク質は約30%未満の活性の損失を示した。室温でさらに40日経た後に、恐らく再生によって若干の活性を回復した。
【0148】
図11は、6つの異なるマトリックス表面に固定化されたGODの比較データを示す。通常のシリカを使用した3つの実施例は0.2、0.3及び0.4の活性を有し、一方、SAMMS表面に固定化されたGODは2.0及び5.9の活性を証明した。実施例20及び15を参照されたい。従って、通常のシリカから製造されたタンパク質系はかなりより低い活性を証明した。同じ条件下で処理した“300オングストロームのメソシリカ”と名付けられた非官能基化SAMMS(すなわち、0%NH2)は、わずか0.3の活性を示した。100オングストロームの20%NH2−SAMMSから製造したGODタンパク質系は、300オングストロームの20%NH2−SAMMSと同じ活性を示したが、共有結合架橋剤を用いて100オングストロームの20%NH2−SAMMSから製造したGODタンパク質系は、300オングストロームの20%NH2−SAMMS中に共有結合で架橋された同様に製造したタンパク質の活性5.9と比較して、4.0の活性を示した。図12に示すように、GODの場合、20%アミノ表面被覆率を有する多孔質マトリックスは、2%表面被覆率よりもかなり良好に機能した。0.15Mの塩化ナトリウムの存在は、NH2−SAMMS系中のGODの活性のかなりの低下を引き起こした。図13に示すように、GOD−NH2−SAMMS系の製造の最中にpHを上昇させると、活性の低下をもたらす;しかしながら、GODの比活性はより高いpH範囲で低下しなかった(図14を参照されたい)。再度、図15に示すように、タンパク質系は、GOD溶液と比較して向上した安定性を示し、意外なことに、4℃で冷蔵した後に、非共有結合したタンパク質系は共有結合した系と比較してより良好な安定性を示した。
【0149】
従って、官能基化の他にまたは官能基化に加えて、各タンパク質系を共有結合及び非共有結合の点でキャラクタリゼーションするのが望ましいことがある。幾つかの好適な具体例においては、本明細書において説明する手順に従って試験した場合、非共有結合したタンパク質は、共有結合で架橋した系と比較して優れた安定性を有する。
【0150】
図16は、8つの異なるマトリックス表面に固定化されたGIの比較データを示す。通常のシリカを使用して同様の条件下で作製した4つの実施例は0.0、0.0、0.3及び0.0の活性を有し、一方、SAMMS表面に固定化されたGIはそれぞれ4.1、1.2及び2.6の活性を証明した。実施例22、17及び18を参照されたい。従って、再度、通常のシリカから製造されたタンパク質系はかなりより低い活性を証明した。同じ条件下で処理した“300オングストロームのメソシリカ”と名付けられた非官能基化SAMMS(すなわち、0%NH2)は、0.0の活性を示した。GIの場合、孔径に基づいてかなり大きな影響が見られ(図17)、これは、GIの大きなサイズを考慮すると予想外だったわけではない。図18に示すように、共有結合した20%NH2−通常のシリカ表面に固定化されたGIは、比活性70を証明し、一方、共有結合した300オングストロームの20%NH2−SAMMS表面に固定化されたGIは、比活性89を証明した。NH2−SAMMS中のGIは、0.15Mの塩化ナトリウムの存在によってほとんど影響されないことが見い出された。300オングストロームの2%NH2−SAMMS及び300オングストロームの20%HOOC−SAMMSは、活性がほとんどまたは全く無いことが見い出された。
【0151】
GIは頑健な酵素(robust enzyme)であり、SAMMS中への取込は、試験した期間及び条件に関して比較的にわずかな安定性の向上を示した。しかしながら、OPHタンパク質系における安定性試験に基づいて、変性剤にさらす等のより困難な条件下での試験を行えば、好ましい本発明のタンパク質系、特にSAMMSに基づく系の優れた安定性特性を明らかにすると思われると結論するのは合理的である。本発明を、一般に様々な試験条件下での安定性に関して説明することができる。
【0152】
本発明は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を含むことができる。従って、本発明を特定の説明及び実施例に限定すべきではなく、請求の範囲及び請求の範囲において述べる要素の同等物において述べる限定によって制御されるべきであることは理解できるはずである。
【図面の簡単な説明】
【0153】
【図1】多孔質基体中に配置された酵素の概念化された断面図である。
【図2】OPHプラスミドのリボン図である。
【図3】T7プロモーターの直ぐ前からOPH停止コドンの直ぐ向こうまでを包含する、構成体のBamH IからBgl II部位までの関連DNA配列(SEQ ID:2)である。
【図4】OPHのアミノ酸配列(SEQ ID:1)である。
【図5】OPH固定化に関する通常のシリカとNH2−SAMMSとの比較を示す。
【図6】HOOC−SAMMS中に取り込まれたOPHにイオン強度が及ぼす影響を示す。
【図7】HOOC−SAMMS中へのOPH取込にpHが及ぼす影響を示す。
【図8】様々なpHでのHOOC−SAMMS中のOPHの固定化効率を示す。
【図9】HOOC−SAMMS中のOPH固定化効率にイオン強度が及ぼす影響を示す。
【図10】NH2−SAMMS中に固定化されたOPHの安定性を示す。
【図11】グルコースオキシダーゼ(GOD)固定化に関する通常のシリカとNH2−SAMMSとの比較を示す。
【図12】GOD取込にNH2−SAMMSの官能基の被覆が及ぼす影響を示す。
【図13】NH2−SAMMS中へのGOD取込にpHが及ぼす影響を示す。
【図14】様々なpHでのNH2−SAMMS中のGODの固定化効率を示す。
【図15】NH2−SAMMS中に固定化されたGODの安定性を示す。
【図16】GI固定化に関する通常のシリカとNH2−SAMMSとの比較を示す。
【図17】GI固定化とNH2−SAMMSの孔径の影響との比較を示す。
【図18】NH2−SAMMS中のGIの固定化効率を示す。[0001]
Related applications
This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 09 / 791,138, filed Feb. 21, 2001, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
[0002]
Field of Invention
The present invention relates to a protein in a porous carrier, a method for supporting a protein, and a method using a supported protein. The present invention also provides an improved process for producing organophosphorous hydrolase (“OPH”).
[0003]
Background of the Invention
The usefulness of proteins for promoting chemical reactions in vitro has been well known and has been used very effectively. There is a much greater potential for use of proteins in facilitating more diverse reactions and promoting these reactions on a larger scale. However, there are many problems to overcome before this possibility is fully realized. These problems include the need for highly active protein systems; the need for protein systems that maintain high activity under a range of conditions; and the active protein placed on a porous carrier in high density Ability to do.
[0004]
One example of a protein useful for catalyzing a variety of useful reactions is organophosphorus hydrolase (“OPH”). OPH is an enzyme that can be used to inactivate chemical weapons or organophosphorus pesticides. Chemical weapons (ie nerve gases, especially sarin and VX) and organophosphorus pesticides (eg parathion, paraoxon and acephate) are extremely toxic to higher organisms. Accordingly, there is a need for a method to clean up unwanted releases of chemical weapons and organophosphorus pesticides in the event of accidental spills or contamination of manufacturing plants. OPH enzymes offer the potential to inactivate chemical weapons or organophosphorus pesticides without the need for complex and expensive incineration facilities. Despite that possibility, the lack of appropriate methods for large-scale production of systems with active and stable OPH has limited the use of this enzyme.
[0005]
The present invention provides an improved protein system that can better address the problems described above. Although the present invention is generally applied to immobilized enzyme systems and the like, in some specific examples, the present invention also provides improved methods for producing systems comprising OPH and active OPH.
[0006]
Summary of the Invention
One concept of the invention is the engineering creation of a carrier structure that matches the size of the protein to the pore size of the carrier structure. Surprisingly, it has been found that well-matched sizes can produce protein systems with desirable qualities such as high activity of active proteins, improved stability, and relatively high density. Coupling of proteins in pores that are too small or too large results in poor properties. Other factors such as surface area, pore density, pore uniformity and distribution, protein occupancy within the support, and type and density of cross-linking sites may also be utilized to control the properties of the protein system.
[0007]
In one aspect, the present invention provides a protein system for use in promoting chemical reactions. The system includes a porous matrix material having pores within the solid matrix. In another aspect, the protein system comprises a porous matrix material having a pore volume such that at least 90% of the pore volume is composed of pores having a size in the range of 50-400 Angstroms, and the matrix material And chemically active proteins combined with “Coupled” refers to covalent attachment, ionic attachment, and / or electrostatic attachment to a matrix material. In a preferred embodiment, the protein is covalently bound to the matrix via a coupling group.
[0008]
In another aspect, the protein system comprises a porous matrix material sized such that the protein system contains 0.01-1 mmol protein per gram of matrix material, wherein the protein in the protein system Exhibits an activity of at least 65% of the activity of the protein in the active state.
[0009]
The present invention further provides a protein system comprising a porous matrix material comprising entrapped protein, wherein the protein system is under the same conditions as at least 0.01 mmol protein per gram of matrix material. It is characterized in that it has an activity that is at least twice as large as that of the protein system formed on the surface of a normal silica matrix material. "Regular silica" is an uncoated silica bulk material having a pore size of 300 Angstroms and a bead size of 12 micrometers, and when available, regular silica is available from Poly LLC Inc. of Columbia, Maryland, USA. (PolyLC Inc., Columbia Maryland, USA) should be available under item number BMSI 1203.
[0010]
In another aspect, the present invention provides a protein system comprising a porous matrix material comprising incorporated proteins, wherein the protein system comprises at least 0.01 mmol protein per gram of matrix material. With improved stability as defined by the stability test procedure described in the document.
[0011]
The present invention is also a method of forming a protein system comprising:
Providing a porous matrix material having a pore volume such that at least 90% of the pore volume is composed of pores having a size in the range of 50 to 400 Angstroms; and Reacting so that the protein chemically binds to the porous matrix material. Preferably, the method comprises the steps of reacting a porous matrix material and a cross-linking agent to form a porous matrix material having a cross-linking agent covalently bonded to the surface, and a porous material having a cross-linking agent covalently bonded to the surface. Reacting the matrix material with the protein so that the protein chemically binds to the porous matrix material.
[0012]
In another aspect, the present invention provides a method for producing a protein system by adding protein to a porous matrix material without a crosslinker. It has been found that a stable and active protein system can be obtained in which the protein is incorporated by non-covalent bonds. In one such method, the protein system is a porous matrix material having a pore volume such that at least 90% of the pore volume is composed of pores having a size in the range of 50-400 angstroms. Forming a porous matrix material having a functionalized surface and adding protein so that the protein is incorporated into the porous matrix material by non-covalent bonding.
[0013]
The present invention also provides a method for producing OPH. In this method, host cells are transfected with a vector containing sequences encoding OPH, and the sequences are operably linked to T7 expression control sequences. Transfected host cells are cultured under the control of expression control sequences under conditions that allow expression. OPH is purified from cells or cell culture medium.
[0014]
A protein system is engineered to match the size of individual proteins to the size of individual pores, and in a preferred embodiment, the volume of individual proteins represents 5-40% of the average volume of each pore. Occupy.
[0015]
The present invention also includes methods of using such systems in promoting chemical methods (ie, chemical manufacturing methods) such as hydrolysis, oxidation, hydrogenation, and proteolysis. The present invention also provides porosity within filtration devices that perform detoxification for individual soldiers, persons engaged in the agrochemical field, vehicles, aircraft, ships and buildings such as civil and military defense shelters. Includes the use of active enzymes in the carrier.
[0016]
Various embodiments of the present invention include high protein activity at the surface of a porous carrier; stability under various conditions; high density of active protein; ability to use on an industrial scale; and chemical weapons and organophosphorus Numerous benefits can be provided, including providing an environmentally safe method for destroying pesticides and avoiding the risks associated with burning such materials. Other advantages can be foreseen in view of the following description and examples.
[0017]
Detailed description of the invention
A conceptual diagram of one specific example of the
[0018]
The porous matrix material is preferably such that at least 90% of the pore volume is composed of pores having a size in the range of 50-400 angstroms, more preferably 100-200, even more preferably 100-120 angstroms. Have a fine pore volume. For the purposes of the present invention, the pore size distribution is determined using a technique well known in the prior art.2Measure by adsorption. Especially in the case of a material having large pores, in order to obtain an accurate pore size distribution, N2Adsorption may need to be supplemented with mercury porisimetry or microscopy. As is conventional, “pore diameter” refers to pore diameter. In protein systems, the pore size distribution should be measured without protein in the matrix, and for measurement, the protein can be removed from the matrix by protease or other suitable means. In the case of measurements on protein systems, the coupling agent remains bound to the matrix during the pore size distribution measurement. In order to characterize the method of the invention or to characterize a protein system by a production method, the pore size distribution of the porous matrix material is measured without a coupling agent. The composition of the matrix material can vary, but is preferably an inorganic oxide-containing material. Inorganic oxide-based materials (eg, silica-based materials) offer advantages over many organic supports, which can include mechanical strength and chemical and thermal stability.
[0019]
In preferred embodiments, the protein system includes a coupling agent disposed between the inorganic porous matrix and the protein. Unreacted (ie, before reacting with protein) inorganic oxide supports typically have surface hydroxyl groups. Preferably, such surface hydroxyls are reacted with relatively low molecular weight organic compounds to form a functionalized monolayer. Treatment with a suitable coupling agent can produce selected functionalized moieties on the surface of the porous support. Preferred coupling moieties are mercapto (-SH), amino (-NH2), Carboxyl (—COOH), hydroxyl (—OH), and azide (—NThree). A particularly preferred embodiment utilizes a functionalized mesoporous support as described by Feng et al. In “Functionalized Monolayers on Ordered Mesoporous Supports,” Science, vol. 276, 923-926 (1997). As explained in a paper by Feng et al., The surface hydroxyl was converted to mercaptopropyltrimethoxysilane, (MeO).ThreeSi (CH2)ThreeIt can be reacted with SH to form a functionalized surface with terminal mercapto groups. Functionalized surfaces are superior to non-functionalized surfaces because they provide a better and more controllable chemical environment and protein binding.
[0020]
If the surface of the porous matrix material is functionalized, it is measured by the degree of functionalization (surface coverage, as described in the above paper by Feng et al. In addition, surface coverage was measured by transmission electron microscopy) was found to affect the activity level of bound protein. Preferably, the surface coverage is at least 2%, more preferably about 20-70%, more preferably 20-50%. Too much coupling moieties can reduce activity, while too little can reduce protein covalent attachment to the matrix and reduce protein system stability.
[0021]
In particular, in the case of embodiments that do not use a coupling agent, it has been found that a number of factors can affect the ability of the porous matrix to incorporate proteins. A non-exhaustive list of such factors can include degree of functionalization, type of functionalized moiety (eg, amino, carboxyl, etc.), pH, ionic strength, buffer, and pore size. In general, electrostatic interactions can be very important to control protein uptake. For example, carboxyls in the pores of the matrix material can interact with amino on the surface of the protein, and vice versa. Similarly, the hydrophilic / hydrophobic interaction can be controlled to adapt the matrix material to protein uptake; for example, the hydrocarbon chains in the pores of the matrix material can interact with hydrophobic regions on the protein surface. Can interact. The identification of conditions for incorporating the selected protein can be determined by routine experimentation in light of the description set forth herein.
[0022]
Proteins are macromolecular organic compounds that contain more than about 100 amino acid residues and typically have a molecular weight in the range of about 8,000 to about 300,000 daltons. Most interesting in the present invention are chemically active proteins, ie proteins that can promote chemical methods such as hydrolysis, oxidation, reduction, oxygen transport, optical inversion, dehydrogenation, elimination and the like. More preferred are enzymes, ie proteins that catalyze chemical reactions. One particularly preferred protein is organophosphorus hydrolase (OPH), which is well known and reported in the literature. See, for example, Muchandani et al., “Biosensor for direct determination of organophosphate nerve agents. Potentiometric enzyme electrode,” Biosensors & Bioelectronics, 14, 77-85 (1999).
[0023]
Proteins can be composed of amino acids that are all linked through covalent bonds. Proteins can also be composed of subunits that are held together by non-covalent interactions. For example, hemoglobin is a protein composed of four subunits. A protein may also include other components such as metal atoms, porphyrin rings, and other artificial or naturally occurring modifications. The OPH has a diameter of about 45-80 Angstroms and a volume of about 1.95 × 10.FiveAngstromThreeIs a dimeric enzyme. Thus, if the protein system is designed such that OPH occupies 10% of the average pore volume, the matrix has an average pore volume of about 1.95 × 106AngstromThreeSeems to have.
[0024]
The size of the protein in the present invention is defined in the conventional sense based on the radius of rotation in the native state. In the protein system of the present invention, a preferred type of protein is 0.5 × 10FiveAngstromThree~ 3x10FiveAngstromThreeEnzymes with a volume in the range are because proteins within this size (volume) range are particularly advantageous in the porous matrix of the protein system of the present invention.
[0025]
The protein in the matrix can be compared to the protein in the “active state”. In the present invention, the definition of immobilized protein activity (or “unit activity”) is the same as the generally accepted definition of non-immobilized protein. The unit of activity is defined by the amount of protein required to produce a product from a known or characterized substrate for a specified time at a specific temperature in a specific buffer condition. There are generally recognized units of activity for many enzymes and classes of enzymes. One source of accepted activity units is available from the Worthington Enzyme Manual (the Worthington Biochemical Corporation, Freehold, NJ). ). This manual contains definitions of the activities of enzymes including glucose oxidase (GOD) and glucose isomerase (GI). In the present invention, the activity of OPH is defined as described in Dumas et al., J. Biol. Chem., V. 264, p19659 (1989); that is, the activity unit is 25 ° C., 100 mM. Of 1 micromole of paraoxon per minute at pH 9 in CHES of
[0026]
A non-limiting list of proteins that may be used in various embodiments of the invention is as follows: adenosine aminohydrolase, adenosine deaminase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, amino acid oxidase, amino acid deaminase, amino acid decarboxylase, ATP kinase, ATP phosphatase, Bilirubin oxidase, catalase, chymotrypsin, creatine phosphokinase, catecholase, cholesterol oxidase, chitinase, chitodextrinase, chitosanase, cholesterol dehydrogenase, cholesterol esterase, choline oxidase, choline phosphatase, citrase, cocaine esterase, cytochrome C, cytochrome C oxidase, cytochrome C reductase, cytochrome P450, cytochrome P450 reductase, cytochrome BFive, DNase, DNA gyrase, helicase, DNA joinase, ligase, nucleotidyl exotransferase, DNA nucleotidyl transferase, DNA polymerase, DNA repair enzyme, DNA topoisomerase, endopectin lyase, endopeptidase, endoperoxide isomerase, endoproteinase, endo Ribonuclease, fibrinogen, ferredoxin, ferredoxin reductase, ferredoxin oxidoreductase, ferrooxidase, galactose oxidase, galactose dehydrogenase, GI, glucose dehydrogenase, glucose-6-phosphatase, glucose-6-phosphate dehydrogenase, glutathione peroxidase, glutathione Ductase, hemoglobin, heparinase, lactose synthase, lactoperoxidase, lactate dehydrogenase, lactate oxidase, lactase, laccase, myoglobin, maleate dehydrogenase, malic dehydrogenase, malic enzyme, methanol oxidase, Microperoxidase, monophenol monooxygenase, monophenol oxidase, mutarotase, NADH dehydrogenase, oxidase, peroxidase, NADP cytochrome reductase, NADPH oxide reductase, nuclease, nitrate reductase, OPH, oxalate decarboxylase, oxalate oxidase, peroxidase , Thease, proteinase, putidaredoxin, papain, pepsin, plasmin, plasminogen, pectinase, pyruvate carboxylase, decarboxylase, pruvate dehydrogenase, oxidase, kinase, quinone reductase, ribonuclease, salicylate hydroxylase, monooxygenase , Sarcosine dehydroxylase, oxidase, sulfatase, sulfite oxidase, superoxide dismutase, streptolysin O, trypsin, urate oxidase, urease, uricase, xanthine dehydrogenase, oxidase, actin, beta agarase, albumin, bovine serum, aldolase, amylase , Alpha amylase, beta aspartyl Minotransferase, avidin, carbonic anhydrase, carboxypeptidase A, carboxypeptidase B, carboxypeptidase Y, casein, alpha cellulase, cholesterol esterase, cholinesterase, acetylcholinesterase, butyryl, chymotrypsin, clostripain, collagen, collagenase, concanavalin A, Creatine kinase, deoxyribonuclease I, deoxyribonuclease II, T4 DNA ligase, DNA polymerase I, T4 DNA polymerase, dextranase, diaphorase, elastase, elastin, galactosidase, beta glucose-6-phosphate dehydrogenase, beta glucosidase, beta glucuronidase, glutamate de Carboxylase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, glycerol dehydrogenase, glycerol kinase, hexokinase, hyaluronidase, hydroxysteroid dehydrogenase, leucine aminopeptidase, lipase, luciferase, lysozyme, maleate dehydrogenase, maltase, mucin, NADase, neuraminidase, micrococca Nuclease, S1 nuclease, ovalbumin, oxalate decarboxylase, pectinase, acid phosphatase, alkaline phosphatase, phosphodiesterase I, phosphodiesterase II, phosphoenol pyruvate carboxylase, phosphoglucomutase, phospholipase A2, phospholipase C, plasma amine oxidase , American Yamagobo antiviral toxin, T4 polynucleotide kinase, polyphenol oxidase, protease, S. aureus, proteinase K, pyruvate kinase, reverse transcriptase, ribonuclease, ribonuclease T1, ribonucleic acid, RNA polymerase, RNA polymerase, T7, and xylose isomerase.
[0027]
In various embodiments, the invention can be defined as including (exclusively, substantially, or including) any of the proteins listed above. For example, according to the present invention, the protein may be exclusively (ie consisting of) OPH (or any of the other proteins listed above) or substantially (ie essentially Consisting of OPH (or any of the other proteins listed above) or includes OPH (or any of the other proteins listed above) (ie, Including).
[0028]
There are a great variety of proteins, but there is also a great deal of overlap in the chemical parts that make up the protein structure. The same type of amino acid is common to most proteins. This similarity in the chemical moiety allows the protein to be bound onto the support using the same coupling technique. For example, cysteine, the amino-terminal amino acid and carboxyl-terminal amino acid sulfhydryls, and the amino groups of arginine and lysine react with the coupling agent or matrix surface, generally in the same manner, regardless of the protein in which such moiety is present. can do.
[0029]
In most cases, the protein will not bind directly to the carrier. In some cases, one or more linking moieties are associated with the carrier and the protein. For example, the coupling agent can react with an amine on the protein surface via a hydroxyl moiety on the carrier surface (see, eg, US Pat. No. 5,077,210, which is incorporated herein by reference). Such linking moieties are preferably organic moieties having a chain length of 2 to 20 atoms, more preferably a chain length of 4 to 10 atoms. Preferably, each protein binds to the matrix via at least one coupling moiety, more preferably 2-10 moieties. The number of moieties bound to each protein can be determined by appropriate analytical methods, for example by cleaving the bound protein and analyzing the cleaved molecules by mass spectrometry. There are a number of well-known coupling agents for linking surface hydroxyls to proteins. For example, the coupling agent is a siloxane (—Si (OR)) that forms an oxo bond with the surface.x) End groups, flexible organic chains (eg (CH2)n), And thiol (-SH) end groups that bind to proteins.
[0030]
Protein systems that combine a carrier and an incorporated (eg, non-covalently or covalently attached) protein can be difficult to characterize with chemical accuracy. However, the system can be characterized by measurable properties. Measurable properties that can define various embodiments of the present invention include pore size, pore volume, pore size distribution, surface area, activity, stability, protein density in the carrier, system density, and system properties. Strength. It has been discovered that excellent properties can be obtained by engineering a carrier having a pore size (or pore volume) that corresponds to the size of the protein (or protein volume). Preferably, the protein volume is 5-40% of the average pore volume (for this metric, the average pore volume is based only on pores whose size ranges from 50-400 angstroms), More preferably, the protein volume is 10-25% of the average pore volume. Matching the protein size to the pore size in this way can provide surprising improvements in activity and stability. Although the mechanism that produces these improved properties has not been fully elucidated, protein confinement may help direct reactive species into the protein and prevent the protein from irreversibly denatured. It is thought that it may be. Protein volume can be measured by biophysical methods such as analytical ultracentrifugation or X-ray crystallography. Preferably, the activity is at least 60% of the activity of the protein in the active state, measured per protein molecule. Preferably, the system comprises less than 40% protein by volume; more preferably 5-40% protein by volume; even more preferably 10-25% protein by volume. Preferably, when the system is exposed to 8M urea (as described in the Examples), the protein in the protein system is at least twice as stable as the free protein, and in some embodiments about 3 to about 5 It has a stability that is double stable. In other embodiments, the protein in the protein system is at least twice as stable as the free protein (as measured by the rate of denaturation) when placed in solution under any of the conditions described in the examples. More preferably at least 3 times more stable.
[0031]
A further advantage that can be obtained with the present invention is the high surface area (N2Measured by adsorption). Similar to the pore size, the surface area is measured in terms of functionalized surfaces in the case of protein systems and in the case of the present invention as defined by the method and the system produced by such methods in relation to non-functionalized matrix materials. The surface area is preferably at least 700 m2/ g; more preferably at least 900 m2/ g. The upper surface area limit may be limited by the upper limit of mesoporous matrix materials of the type described by Feng et al. And similar materials. A further advantage of the present invention is that a relatively dense protein system can be produced. Preferably, the protein in the system has a density of at least 0.01 mmol / g; more preferably a density of 0.1-1 mmol / g. The system of the present invention may be characterized by exhibiting some of its properties in any one or various combinations of its properties. For example, in a preferred embodiment, the protein system exhibits an activity of 65-95% of the activity of the active protein and has a density of 0.1-1 mmol / g.
[0032]
In some preferred embodiments, a porous matrix material containing incorporated proteins is placed inside the microchannel. A microchannel is a channel having at least one dimension of 2 mm or less, preferably 1 mm or less. Microchannels can provide benefits such as improved heat transfer and / or mass transfer and design density. Tests for OPH crosslinked in SAMMS placed in a 0.25 mm wide channel show low pressure drop (flow under gravity or under peristaltic pump delivery or less than 1 bar) and greater reaction time. certified. Accordingly, the present invention includes devices and methods in which a porous matrix material containing incorporated proteins is disposed within a microchannel. In this way, for example, the reactants can pass through microchannels to form products.
[0033]
Proteins can be produced by well-known procedures, and in preferred embodiments, no special procedures are required before reacting with one or more coupling agents and binding to a carrier. Preferably, prior to binding within the matrix, the protein should be about 95% pure in an aqueous solution that stabilizes the activity, and the buffer should not interfere with the chemistry of the coupling.
[0034]
In the method of the invention for producing OPH, a host cell is transfected with a vector comprising a sequence encoding OPH, and the sequence is operably linked to a T7 expression control sequence. Transfected host cells are cultured under the control of expression control sequences under conditions that allow expression. OPH is purified from cells or cell culture medium. In a preferred embodiment, the vector is provided with a sequence encoding OPH operably linked to a T7 expression control sequence. Preferably, OPH has an activity of about 13,000 enzyme units / mg (unit / mg). Preferably the vector is a plasmid. The host cell can be a prokaryotic cell, a eukaryotic cell, or a yeast cell. The prokaryotic cell is preferably a bacterium, more preferably the bacterium is E. coli. The yeast cell is preferably Pichia pastoris.
[0035]
The matrix is preferably a mesoporous oxide material made from a soluble precursor. Examples of preferred syntheses are U.S. Patent Nos. 5,645,891 and 5,922,299 and U.S. Patent Application No. 09 / 020,028, all three of which are incorporated below in their entirety, Liu et al., " Molecular Assembly in Ordered Mesoporosity: A New Class of Highly Functional Nanoscale Materials, "J. Phys. Chem., 104, 8328-8339 (Aug. 2000)" and in the above-referenced paper by Feng et al.
[0036]
A typical synthesis of matrix materials was reported by Feng et al., Science, 276, p923 (1997). To make the CTAC / OH solution, the CTAC solution was contacted with a strongly basic ion exchange resin (DOWEX-1; 0.2 g resin / 1 gram 29% CTAC solution). 13 g of colloidal silica, 51 g of tetramethylammonium silicate and 28 g of mesitylene were each added to 100 g of CTAH / OH solution. Teflon mixtureTMAnd sealed in a container lined with, and heated at 105 ° C. for 1 week. The product was collected by suction filtration, dried at ambient temperature and calcined in air at 540 ° C. for 12 hours. The surface of the obtained mesoporous material was functionalized by various methods. For example, the surface can be functionalized with a thiol group by reacting with tris (methoxy) mercaptopropylsilane. The functionalized matrix obtained is called “SAMMS”. % Surface coverage, (i) surface area of support, (ii) weight change after deposition of functionalized monolayer, and (3) ideal loading density that may be realized on a flat surface , Based on the estimation. The% surface coverage can be demonstrated by electron energy-dispersive spectroscopy (EDS).
[0037]
As is well known in the prior art, various approaches can be used to attach proteins to a carrier. In a preferred embodiment, the support is pretreated with a coupling agent such as bis [2- (sulfosuccinimidoxycarbonyloxy) ethyl] sulfone (BSOCOES). Excess coupling agent can be washed away. Subsequently, the protein is reacted with the surface treated with the coupling agent. Alternatively, the protein can be reacted first with a coupling agent and subsequently with the surface of the matrix. Excess protein can be washed away and recovered.
[0038]
In a preferred method, the functionalized porous matrix is first reacted with a crosslinker. For example, amino derivatized SAMMS is reacted with sulfo-BSOCOES or glutardialdehyde. It is desirable to remove any excess crosslinker if present. Next, the protein is added. Preferably, the protein is in a low concentration solution. This procedure reduces or eliminates the possibility of intermolecular cross-linking of proteins by cross-linking agents.
[0039]
In other methods, a porous matrix material (preferably a functionalized porous matrix material) is combined with the protein without the addition of a crosslinking agent. In this way, a protein system in which the protein is non-covalently bound to the porous matrix can be produced. This method is preferably such that the porous matrix creates a complementary environment for the selected protein (eg, the amino groups in the pores of the matrix coincide with the carboxyl groups on the protein surface). And by adapting the electrostatic interaction. Factors that may be considered when adapting electrostatic interactions are discussed above.
[0040]
The protein systems described herein can be produced using any of the methods described herein, and such methods are also part of the present invention.
[0041]
Example
We obtained the OPH gene available from ATCC and subcloned into two vectors purchased from Novagen, pET11a and pET15b. Natural OPH and His-TagTMTwo Novagen vectors were used so that both OPH containing can be produced. We have generated a large number of clones of both types. These Novagen vectors contain strong promoters and are designed to maximize the yield of the desired protein. For restriction digests, we definitely subcloned the OPH gene and the resulting construct was the active OPH protein: SEQ ID No. 4 (FIG. 4) was confirmed.
[0042]
Bacterial expression and purification: After binding the recombinant OPH protein to the porous substrate, a purification step was performed. The total expression level achieved was about 4 g / liter of total protein. We purified 10 mg / liter of active protein from the soluble fraction. Thus, the majority of OPH is in inclusion bodies; that is, it exists in an inactive form. The fact that the protein is present in the inclusion bodies simplifies purification. OPH purified directly from washed and centrifuged inclusion bodies appears to be almost as pure as OPH purified by affinity column chromatography as analyzed by SDS polyacrylamide gel electrophoresis. Large scale methods to recover activity from inclusion body proteins can be developed by routine experimentation. This simplified purification procedure is suitable for industrial production.
[0043]
Materials and methods
material:
Diethyl p-nitrophenyl phosphate (paraoxon, 90%), various metal salts, glycerol and all buffers and other salts purchased from Sigma®-Aldrich® did.
[0044]
The components of the fermenter medium (peptone and yeast extract) were obtained from Gibco BRL (Gibco BRL), and the expression vector (pET11aTM, PET15bTM) Novagen Inc. , Madison, WI (Novagen Inc., Madison, Wis.). Primers for PCR were purchased from Genosis Inc. (Genosys Inc.)
[0045]
Bulk chromatography media for protein purification was obtained from Perseptive Biosystems (HSTMAnd HQTM).
Polypropyl ATM(Polypropyl ATM) Column as well as non-derivatized silica resin for comparison of OPH bonds was obtained from PolyLC Inc. From Columbia, MD.
[0046]
Cross-linking reagents for enzyme immobilization were purchased from Pierce Chemical Company, Rockford, IL.
Abbreviations used:
CTAC, cetyltrimethylammonium chloride
OPH, organophosphorus hydrolase
HEPES, N-2-hydroxyethylpiperazine-N'-2-ethanesulfonic acid
CHES, 2- (cyclohexylamino) ethanesulfonic acid
IPTG, isopropylthiogalactoside
SAMMS, self-assembled monolayer on mesoporous silica surface
Sulfo-BSOCOES, bis [2- (sulfosuccinimidoxycarbonyloxy) ethyl] sulfone
DTSSP, dithiobis (sulfosuccinimidyl propionate)
β-ME, β-mercaptoethanol
Matrix synthesis:
A typical procedure for producing the mesoporous oxide material used in the examples is as follows. Mesoporous silica with a pore diameter of 300 Angstroms was produced by a liquid crystal template procedure. Pluronic P123, a triblock copolymer (Propylene oxide / ethylene oxide copolymer available from BASF, Mav= 5,600) as the structure directing agent and mesitylene as the pore expending agent. 20 g of Pluronic P123 was dissolved in 150 g of deionized (DI) water and 600 g of 2M HCl solution with stirring at 40 ° C. 31.9 g of mesitylene was then added and stirring was continued at the same temperature. 42.5 g of TEOS was dropped into the cloudy micelle solution and cured with stirring at the above temperature for 20 hours. Teflon the mixtureTMIn an autoclave lined with a, overnight at 100 ° C. without stirring. The white solid was filtered, washed with DI water and air dried. The solid was calcined by gradually raising the temperature at 550 ° C. for 6 hours (1 ° C./min).
[0047]
In a typical preparation of 20% propyl carboxylic acid functionalized mesoporous silica, 2.0 g of mesoporous silica (average pore size = 30 nm, surface area = 533 m)2/ g) was first suspended in toluene (60 mL) and pretreated with approximately two layers of DI water (0.64 mL). The suspension was stirred for 2 hours to distribute water throughout the mesoporous matrix. The hydrated mixture was then treated with 20% (0.288 g) of 1 monolayer's 3-cyanopropyltrimethoxysilane (CPTS) and heated to reflux for 6 hours. The treated mesoporous silica was washed with toluene to remove any unreacted silane. The air dried CPTS-SAMMS material is then 50% H2SOFourTreated with solution and refluxed for 3 hours. After washing with DI water for a long time, the white sample was dried under vacuum at 70 ° C. overnight.
[0048]
In the case of 20% aminopropyl (APTS) and mercaptopropyl (MPTS) functionalized silica, the same procedure was applied without the hydrolysis step. To a suspension of 2.0 g mesoporous silica was added separately toluene (60 mL) and 0.64 g water and 0.188 g APTS or 0.206 g MPTS. The mixture was heated to reflux for 6 hours, then filtered off, washed with ethanol and dried under vacuum at 70 ° C. overnight.
OPH subcloning:
OPH sequences were obtained by PCR from the E. coli FM5 (Amgen Inc.) (American Type Culture Collection, Rockville, MD) using the pCMS75 plasmid (ATCC ( (Registered trademark) # 67778)). Primers for PCR reactions, Primer Premier from Premier Biosoft InternationalTMSelected using software, version 4.04 (Primer Premier software, version 4.04). The primers used are listed as follows:
OPH upstream primer, 26mer:
[0049]
[Chemical 1]
[0050]
OPH downstream primer having a BamHI restriction enzyme cleavage site (recognition sequence is in bold), 20mer:
[0051]
[Chemical 2]
[0052]
The OPH sequence was subcloned into pET11a using NdeI, BamHI restriction enzyme cleavage sites. The resulting OPH sequence encodes the mature part of the OPH enzyme, ie it does not have an N-terminal 29 amino acid signal sequence, so that the length of the sequence is 1010 bp, which is a total of 337 Corresponds to an amino acid or MW 36,419 Da.
[0053]
Confirmation that the correct product of cloning was obtained was performed by PCR and restriction enzyme digestion.
A diagram of the OPH plasmid is shown in FIG.
Expression and purification:
Organophosphorus hydrolase was transformed into the oph-pET11a plasmid and BL21 (DE3) pLyssTMNovagen Inc. Was purified from the E. coli expression system using. (N-terminal His-Tag subcloned into pET-15b plasmidTMOPH). Induction with IPTG has been shown to produce a protein with apparent mobility on the SDS gel surface, mature native OPH without an N-terminal signal sequence (having about 36 kDa or N-terminal His-Tag about 38 kDa) Consistent with predictions based on protein gene sequence. Following induction with IPTG, the identity of the recombinant product was also confirmed by amino acid analysis and the appearance of paraoxon hydrolysis activity in the crude cell lysate.
[0054]
Bio-Flo 3'000 fermenterTM(Bio-Flo 3'000 fermenterTMThe general protocol used for cell growth in (New Brunswick, Inc.) was as follows:
E. coli cells are grown in flasks at 30 ° C. for 12 hours and 100 μL glycerol stock / 1 L LB medium, 100 μg / mL ampicillin, 35 μg / mL chloramphenicol, and this starting culture are inoculated into the fermentor Used as material. Centrifuge 500 mL ON culture with OD = 0.5, wash with fresh LB medium, centrifuge again, redissolve in 250 mL LB without antibiotics, add to fermentor medium, Total volume = 2.5L. (Note: 1 mM CoCl2Ensure that is not added to the LB medium for ON starting culture. Because it kills the cells).
[0055]
The cells in the fermenter were 4 hours later at 37 ° C. with 5 g / L yeast extract, 10 g / L peptone, 5 g / L NaCl, 1 mL / L antifoam, 60 mM K.2HPOFour, 15 mM KH2POFour1 mM CoCl21.32 μg / mL thiamine, 100 μg / mL ampicillin, 35 μg / mL chloramphenicol, 10 g / L glycerol and trace metals (10 μM NHFourMo7Otwenty four, CuSOFour, HThreeBOThree, MnCl2ZnCl2), 50 μM FeClThree0.5 mM CaCl21 mM MgSOFourThe mid-log phase was reached in the medium containing. A DO-agitation-oxygen triple cascade was used and the agitation range was set from a minimum of 200 rpm to a maximum of 800 rpm to maintain the oxygen level at 35%. The initial glucose concentration in the medium was 10 g / L, and glucose levels were monitored and maintained above 2 g / L during the experiment using a regular glucose strip.
[0056]
When the agitation reached 467 rpm and OD550 = 5, the glucose level was 2 g / L. 31 mL of 40% glucose was added to bring the glucose level to 5 g / L. When stirring reached 700 rpm and OD550 = 15, the glucose level dropped again to 2 g / L. The temperature dropped to 28 ° C. and the mixture was induced with 0.25 mM IPTG and an additional 31 mL of 40% glucose was added. After induction for 4 hours at 28 ° C., an additional 0.25 mM IPTG was added (0.5 mM total). The glucose level was again 2 g / L and 63 mL of 40% glucose glucose was added to bring the glucose level to 10 g / L. After another 2 hours of induction, the cells apparently continued to grow, the temperature dropped to 24 ° C. and the cells were left in the fermentor ON for an additional 14 hours. Finally, the cells were collected by centrifugation at 6,000 rpm for 20 minutes at 4 ° C.
[0057]
From a 2.5 L cell culture, about 150 g wet weight of cell paste was isolated and stored at -80 ° C.
We were able to purify about 90 mg of OPH with an activity of 13,294.12 enzyme units / mg from 60 g of cells (corresponding to 1 L culture). This yield can be compared with the literature. Omburo GA, Kuo JM, Mullins LS, and Raushel FM, in Characterization of the Zinc Binding site of Bacterial Phosphotriesterase. JBC, 1992, v. 267 (5): It was reported that about 298 mg of cobalt phosphotriesterase with mg activity was obtained.
[0058]
Lai K., Dave KI, and Wild JR (Bimetallic Binding Motifs in Organophosphorous Hydrolase Are Important for Catalysis and Structural Organization.JBC, 1994, 269 (24): 16579-16584) are more difficult to compare, It was reported that 5 mg of OPH / 1 L culture (probably grown in a flask) was purified. They prefer to use weak promoters for expression (native Plac) versus strong promoters such as T7 because the OPH they obtained using strong promoter constructs This is because the yield of activity was lower (data not shown). All purification steps were performed at 4 ° C. using pre-cooled equipment and a Revco Chromatography Refrigeration cabinet.
[0059]
Bacterial cells (60 g) were washed with 100 mM HEPES (pH 8.5), 50 μM CoCl.2The cells were lysed by suspending in 420 mL of lysis buffer A containing 1 mM DTT, anti-protease cocktail (pepstatin, leupeptin and aprotinin) and using the French pressure cell twice. The soluble protein supernatant was centrifuged at 100,000 × g for 1 hour (AvantiTMThe Beckman (AvantiTMBechman)), 500 mL of HQ equilibrated in buffer A using 1 mM DTT instead of 5 mM beta-mercaptoethanol (2-me).TMAn anion exchange column (Perseptive Biosystems) was loaded. The column flow rate was 25 mL / min. Collect the flow-through containing OPH, adjust the pH to 7.5 using 1 M MES (pH 5.5), 0.1 M HEPES (pH 7.5), 50 μM CoCl.2It was applied to a 250 mL HS cation exchange column (Perspective Biosystems) equilibrated in 5 mM 2-me. The column flow rate was 25 mL / min. Hold the HS column flow-through and dry thoroughly (NHFour) SOFourAnd using an Orion 126, Cell 012210 conductivity meter to bring the final conductivity of the sample to 1M (NHFour) SOFourSolution conductivity (ie, 105 mS/ mL). Samples were washed with 1M (NHFour) SOFour180 mL of polypropyl A equilibrated in 0.1 M HEPES (pH 7.5), 5 mM 2-meTM(PolyLC, Inc.) The column was loaded. The column flow rate was 10 mL / min.
[0060]
After washing 3 column volumes with equilibration buffer, a 10 column volume gradient up to 0.1 M HEPES (pH 7.5) was used to elute OPH at the extreme end of the gradient. We were able to purify nearly 100 mg of pure OPH from 60 g of cells (corresponding to 1 L culture). Millipore Ultrafree® Biomax centrifugal concentrator using a 30 KNMWL (30 kDa cut-off) membrane and 0.1 M HEPES (pH 7.5) for 20
[0061]
The difference between the protein activity appearing as a peak from the HIC and the activity of the same protein after concentration and dialysis is probably explained by buffer exchange. In one case, the buffer comprises beta-mercaptoethanol, a competitive inhibitor of OPH activity, and CoCl2The other buffer is 50 μM CoCl.2And 2-me was not included.
[0062]
[Table 1]
[0063]
OPH immobilization:
Medium used:
1. SAMMS: SH-, COO-, NH2-Derivatized with active groups and provided 5% and 20% coatings (5% and 20% of all available silane groups were modified or derivatized with active groups). Medium properties: 250 angstrom 12-15 μm beads, surface area about 450 m2/ g
2. PolyLC silica: purchased uncoated, NH2-Derivatized in PNNL using COO- groups and applied 20% and 100% coatings. Medium characteristics: 300 angstrom 12 μm beads, surface area about 100 m2/ g.
[0064]
After sieving for the highest density of bound enzyme and the best binding chemistry that would give the lowest loss of activity and the lowest diffusion limit, we found that the NH of OPH2-OPH and NH via the group2-The coupling with the derivatization medium was selected.
[0065]
A number of crosslinkers have been tested and two of them have been found to be particularly effective: sulfo-BSOCOES (bis [2- (sulfosuccinimidoxycarbonyloxy) ethyl] sulfone) and DTSSP (dithiobis ( Sulfosuccinimidyl propionate)). The advantages of these two crosslinkers are:
i. Both crosslinkers have spacer arms (12 angstroms long for DTSSP and 13 angstroms for BSOCOES). Spacer arms are beneficial to avoid steric hindrance.
[0066]
ii. Both of these are water soluble because of the sulfo functioning group.
iii. Pierce (Rockford, IL) recommended PBS as a binding buffer (pH 7.5). This pH is favorable for OPH, because at acidic pH, i.e. below 6.5, OPH tends to aggregate and lose metal from the active center. Higher pH has further advantages: NHS-ester hydrolysis proceeds faster at higher pH. Thus, when higher pH was used, we obtained a higher crosslinker / protein molar ratio.
[0067]
iv. Both result in stable covalent amide bonds, which in the case of DTSSP can be cleaved using thiols (DTT, mercaptoethanol, etc.). This feature may be useful for certain applications.
OPH and NH 2 Standard protocol for sulfo-BSOCOES or DTSSP coupling with derivatized surfaces:
(Pierce's protocol is almost unmodified)
1. Sulfo-BSOCOES or DTSSP cross-linking reagents (stocked in tubes) should be stored at −20 ° C., preferably dry and under nitrogen. In practice, when working with a cross-linking reagent (ie, dispensing the contents of the first tube), a nitrogen glove box or nitrogen bag (filled with nitrogen using a nitrogen tank in a refrigerator) ) Is a good idea. Always bring the reagents to room temperature before opening the tube.
[0068]
2. The medium that will bind to OPH should swell well in water. In general, we have 500 mg medium / 5 mL H2Using O, a ~ 50% slurry (v / v) for SAMMS was made. This slurry was very stable when stored at + 4 ° C. Note: In the case of poly-LC medium, medium twice as much dry weight as compared to SAMMS should be used (ie ~ 1 g poly-LC medium / 5 mL H2O and ~ 50% slurry (v / v) are made).
[0069]
3. 2 mL of OPH (purified to 09/02, [3 mg / mL]) is aliquoted, stored at −80 ° C. and thawed, and the buffer is 25 mM HEPES (pH 8.5), 20% glycerol, 50 μM CoCl.2To 0.1M curve / carb / bicarbonate (pH 9.0). The NAP-25 column used by the inventors had a maximum volume of 10 mL. With this, we were able to utilize a maximum sample volume of about 2.5-3.0 mL.
[0070]
4). Using a new Millipore Biomax Ultra Free 4.0 mL 30 KCO membrane unit, 10 mg at + 4 ° C., using Solval CF, Bucker rotor at maximum speed, 20 mg / mL Until concentrated.
[0071]
5). Using the cut yellow tip,250% slurry powder in O was added to OPH in 0.1 M curve / bicarbonate buffer (pH 9.0) in a volume of 90.1 mL for 2 mg. The approximate ratio of slurry powder is 150 μl of 50% slurry / 2 mg protein: PolyLC silica and NH2-Two types of derivatization (NH2-20% and 100% coverage).
[0072]
6. Dissolve 1.5 mg or 3 mg or 6 mg sulfo-BSOCOES or DTSSP in 590 μl of 5 mM MES (pH 5). (To obtain crosslinker / protein molar ratios of 10 ×, 25 ×, and 50 ×)
7). Immediately drop the crosslinker solution (125 μl / 2 mg protein) into each eppendorf tube, mix and attach the tube to the rotator for 45 minutes at room temperature.
[0073]
8). Stop solution: 1 mL of 1 M Tris (pH 8.1) is added for 1 hour at room temperature.
9. Wash twice with PBS, once with 0.5M NaCl-PBS, and once with PBS. 100 mM HEPES (pH 8.5) -50 μM CoCl2Resuspend in and store at + 4 ° C.
[0074]
10. The reaction is performed at 37 ° C. for 30 minutes using a BCA Pierce kit to estimate the amount of protein backing the resin.
[0075]
Example 1
OPH and SAMMS-NH using a 20% coating of sulfo-BSOCOES and a 50 × molar excess of crosslinker / protein2Coupling with derivatized surfaces
The standard protocol was followed as follows:
1. A nitrogen-filled nitrogen glove box was used to remove an aliquot of the contents from the tube containing sulfo-BSOCOES.
[0076]
2. 500 mg medium with 5 mL H2Used in O to make ~ 50% slurry (v / v). This slurry was very stable when stored at + 4 ° C.
3. 2 mL of OPH (purified to 09/02, [3 mg / mL]) is aliquoted, stored at −80 ° C. and thawed, and the buffer is 25 mM HEPES (pH 8.5), 20% glycerol, 50 μM CoCl.2To 0.1 M curve / bicarbonate (pH 9.0) and a Pharmacia Sephadex G-25 column was used. The NAP-25 column used by the inventors had a maximum volume of 10 mL. With this, we were able to utilize a maximum sample volume of about 2.5-3.0 mL.
[0077]
4). A new Millipore Biomax Ultrafree 4.0 mL 30 KCO membrane unit was used and concentrated to 20 mg / mL using Solvar CF, backer rotor at top speed for 10 minutes at + 4 ° C.
[0078]
5). Using the cut yellow tip,250% slurry powder in O was added to OPH in a 0.1 M curve / bicarbonate buffer (pH 9.0) in a volume of 90.1 mL for 2 mg. The approximate ratio of slurry powder is 150 μl of 50% slurry / 2 mg protein: PolyLC silica and NH2-Two types of derivatization (NH2-20% and 100% coverage).
[0079]
6.6 mg of sulfo-BSOCOES is dissolved in 590 μl of 5 mM MES (pH 5).
7). Immediately drop sulfo-BSOCOES solution (125 μl / 2 mg protein) into Eppendorf tube, mix and attach tube to rotator for 45 minutes at room temperature.
[0080]
8.1 mL of 1M Tris (pH 8.1) is added for 1 hour at room temperature.
9. Wash twice with PBS, once with 0.5M NaCl-PBS, and once with PBS. 100 mM HEPES (pH 8.5) -50 μM CoCl2Resuspend in and store at + 4 ° C.
[0081]
10. Using a BCA Pierce kit and reacting at 37 ° C., the estimated amount of OPH bound to the resin = 25.0 mg / mL medium and 125.0 mg / g medium.
[0082]
Example 2
OPH and SAMMS-NH using a 20% coating of sulfo-BSOCOES and using a 25x molar excess of crosslinker / protein2Coupling with derivatized surfaces. The procedure was similar to Example 1, except that 3 mg sulfo-BSOCOES was used instead in step 6. Estimated amount of OPH bound to resin = 16.0 mg / mL medium and 8.0 mg / g medium.
[0083]
Example 3
OPH and SAMMS-NH using a 20% coating of sulfo-BSOCOES and a 10x molar excess of crosslinker / protein2Coupling with derivatized surfaces. The procedure was similar to Example 1, except that 1.5 mg of sulfo-BSOCOES was used instead in step 6. Estimated amount of OPH bound to resin = 5.0 mg / mL medium and 25.0 mg / g medium.
[0084]
Example 4
OPH and SAMMS-NH using a 20% coating of DTSSP and a 50x molar excess of crosslinker / protein2Coupling with derivatized surfaces. The procedure was similar to Example 1, except that 6 mg of DTSSP was used in Step 6 instead. Estimated amount of OPH combined with resin = 25.0 mg / mL medium and 125.0 mg / g medium.
[0085]
Example 5
OPH and SAMMS-NH using a 20% coating of DTSSP and a 25x molar excess of crosslinker / protein2Coupling with derivatized surfaces. The procedure was similar to Example 1, except that 3 mg DTSSP was used instead in step 6. Estimated amount of OPH combined with resin = 16.0 mg / mL medium and 80.0 mg / g medium.
[0086]
Example 6
OPH and SAMMS-NH using a 20% coating of DTSSP and a 10x molar excess of crosslinker / protein2Coupling with derivatized surfaces. The procedure was similar to Example 1, except that 1.5 mg of DTSSP was used instead in step 6. Estimated amount of OPH bound to resin = 5.0 mg / mL medium and 25.0 mg / g medium.
[0087]
Example 7
On 20% and 100% coated surfaces using sulfo-BSOCOES and DTSSP, OPH was coupled to PolyLC using 10 ×, 25 ×, and 50 × molar excess of crosslinker / protein. The procedure was the same as in Examples 1-6 except that in
[0088]
The estimated amount of OPH bound to the resin is listed in Table II.
[0089]
[Table 2]
[0090]
It can be seen that the composition of the present invention can be loaded with a higher density than when conventional silica (polyLC) is used. Accordingly, preferred embodiments of the present invention can be characterized by load density. Preferably, the protein system has a density that is 2 to about 7 times higher (in mg / g), more preferably about 5 to about 7 times higher than PolyLC with the same% coating. In a preferred embodiment, the density is measured with a 20% coating.
[0091]
Example 8-Effect of denaturation
The stability of OPH-SAMMS and soluble OPH to denaturing conditions was investigated using urea as a denaturant at concentrations of 4M, 6M and 8M. The phrase “soluble OPH” or “OPH is soluble” in the Examples section refers to non-inclusion bodies that are released during cell disruption using a French press and are soluble in the buffer indicated at each purification step. Refers to OPH. The results are shown in Table 3 below.
[0092]
[Table 3]
[0093]
Immobilized enzymes are much more stable than free proteins. Accordingly, preferred embodiments of the present invention can be characterized by their stability to denaturing agents. Preferably, the protein system is stable in 8M urea at least twice as stable as the free protein, and in some embodiments, about 3 to about 5 times more stable.
[0094]
Example 9-Recovery from dehydration
Dehydration and recovery experiments were performed using immobilized OPH-SAMMS and soluble OPH. Soluble OPH retained only 7 ± 1% of its activity, while OPH-SAMMS fully retained its activity (106 ± 8%).
[0095]
Example 10-Kinetic Properties
Kinetic studies were performed using SAMMS surface immobilized OPH, PolyLC surface immobilized OPH, and soluble OPH. Using 1 mM paraoxon solution at 25 C, 100 mM CHES buffer (pH 8.0), 50 μM CoCl2When the substrate was hydrolyzed to diethyl phosphate and p-nitrophenolate, the change in absorbance was monitored at 405 nm (the extinction coefficient was 17,000 M-1cm-1), Enzyme activity was measured. For analysis, a Hewlett-Packard model 8453 UV / Vis spectrophotometer in kinetics mode equipped with the Thermostable Cell Holder and Cell Stirring Module) was used. New dilutions of substrate were made within 30 minutes prior to measurement. A sigma plot (SigmaPlot) was used to plot a linear regression of the data. PolyLC (Colombia, MD) silica was purchased uncoated and derivatized with amino groups. The pore size of the 12 μm beads was 300 Å. Both SAMMS-immobilized OPH and poly-LC immobilized OPH have the same K as soluble OPH.mBut lower Vmax(2.83 times lower for OPH-SAMMS and 6.44 times lower for OPH-Polysea). That is, OPH-SAMMS has a reaction rate that is about 2.3 times greater than OPH-PolyLC. The mass in the table refers to the mass of OPH.
[0096]
[Table 4]
[0097]
Example 11-Stability at alkaline pH
In this experiment, OPH-SAMMS and soluble OPH were tested for stability under alkaline conditions. After 1 hour alkaline pH treatment (1 M Tris, pH 12.0), OPH-SAMMS was found to retain 11.6% of its activity compared to 0.77% for soluble OPH. After 24 hours of this alkaline treatment, OPH-SAMMS was found to retain 9.9% of its activity compared to 0.03% for soluble OPH. The conditions in this example define what the term “alkaline conditions” means when used in this application. Although this example shows an OPH system, it should be recognized that the stability benefits provided by the mesoporous matrix of the present invention are general and other proteins have similar stability It is expected that the benefits will be obtained.
[0098]
Example 12-Thermal stability
Experiments investigating thermal stability showed that OPH-SAMMS is much more stable than OPH in solution. The results of these experiments are shown in the table below.
[0099]
[Table 5]
[0100]
Example 13-Effect of lyophilization
OPH-SAMMS and soluble OPH were exposed to lyophilized conditions (1 M MES, pH 5.0), and OPH-SAMMS retained 50% of its activity after 1 hour and 24 hours, while 1 hour and 24 hours. Later it was found that soluble OPH retained only 15% of its activity.
[0101]
Example 14
(1) A nitrogen glove box filled with nitrogen was used to remove an aliquot of the contents from the tube containing sulfo-BSOCOES.
[0102]
(2) 0.1M HEPES / 50 μM CoCl at pH 7.52The OPH in was purified to 05/04/01, 1 mL aliquots were stored at −80 ° C. and thawed in the refrigerator. The enzyme stock contained 9223.30 enzyme units (amount of 0.29 mg OPH protein) / mL.
[0103]
(3) 300
[0104]
(4) The enzyme incubation solution was then separated and the resulting deposit was washed with 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl (n ≧ 10) at n × 400 μL pH 7.5. At an intermediate stage, this was centrifuged at 14K rpm for 6 minutes. Finally, the washed sediment was resuspended again in the same washing buffer with 100 μL buffer / mg initial SAMMS. After thorough washing, both the suspension and the clear solution were measured, indicating that OPH that was not firmly immobilized was washed away completely.
[0105]
(5) The estimated protein amount of covalently bound OPH is 11.00 mg / g SAMMS by Pierce BCA assay kit (Pierce, 23227), with an initial specific activity of 11386.07 enzyme units / mg bound OPH. Had.
[0106]
Example 15
(1) 10.17 mg GOD (Sigma G-7016) was dissolved as a GOD stock in 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl at 5 mL pH 7.5. The enzyme stock contained 395.05 enzyme units (amount of 1.05 mg OPH protein) / mL.
[0107]
(2) Same as Example 14, but with GOD stock and 300 Å 20% NH2-SAMMS was used instead.
(3) GOD activity was measured using Sigma standard method (revised to 08/30/96).
[0108]
(4) The estimated protein amount of covalently bound GOD was 14.85 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 114.31 enzyme units / mg bound GOD.
[0109]
Example 16
(1) 9.95 mg of GOD (Sigma G-7016) was dissolved as a GOD stock in 5 mM pH 7.0 in 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl. The enzyme stock contained 372.25 enzyme units (amount of 1.08 mg OPH protein) / mL.
[0110]
(2) Same as Example 15, but 200-400 μL of 5% glutardialdehyde (Oldrich, 34085-5) (pH 7.0, 20 mM) instead of sulfo-BSOCOES solution as source of covalent linker Phosphate / 0.15M NaCl) was used.
[0111]
(3) The washing solution had a pH of 7.0 instead of the pH 7.5 used in Example 15.
(4) The estimated protein amount of covalently bound GOD was 81.64 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 72.34 enzyme units / mg bound GOD.
[0112]
Example 17
(1) GI purified from Streptomyces rubiginosus was purchased from Hampton Research, Inc. (Hampton Research, Inc.). This is treated with 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl / 1 mM MgSO at pH 7.5.FourDialyzed in, aliquoted 1 mL, stored at −80 ° C., and thawed in refrigerator before use. The GI stock contained 180.22 enzyme units (amount of 4.11 mg GI protein) / mL.
[0113]
(2) Similar to Example 15, but GI stock was used instead of GOD stock. Incubation was performed at 40 ° C.
(3) The wash solution was pH 7.5, 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl / 1 to 20 mM MgSO.Fourwas.
[0114]
(4) Definition of GI activity under these conditions: 1 enzyme unit is 1 micromolar D-converted to D-glucose in 1 minute at pH 7.5, 60 ° C., 1.923 M D-fructose concentration Fructose. Activity was measured by the following general procedure: To 5-20 μL of GI-SAMMS suspension, 0.5 mL of 2M D-fructose (Fluka 47739) (20 mM at pH 7.5) was added. Phosphate / 0.15M NaCl / 20mM MgSOFourMedium) and then 1400 minutes-1And shaken on an Eppendorf Thermomixer 5436 at a controlled temperature of 60 ° C. for 15 minutes. Next, 10 μL of 1.8 M H2SOFourThe reaction was stopped by. Next, 2.0 mL of glucose (GO) assay reagent (Sigma, G3660) was added to 5 to 20 μL of the reaction solution and allowed to incubate at 37 ° C. for 30 minutes in a hot water bath. Incubate the reaction with 1.0 mL of 6M H.2SOFourAnd the absorbance was measured at 540 nm. From the glucose standard curve, the amount of glucose produced by GI-catalyzed conversion of fructose was obtained.
[0115]
(5) The estimated protein amount of covalently bound GI was 48.47 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 53.40 enzyme units / mg bound GOD.
[0116]
Example 18
(1) Similar to Example 17, but instead of sulfo-BSOCOES solution as a source of covalent binder, 200-400 μL of 5% glutardialdehyde (Oldrich, 34085-5) (pH 7.5, 20 mM phosphate / 0. 15M NaCl) was used.
[0117]
(2) The estimated amount of covalently bound GI protein was 30.45 mg / g SAMMS with an initial specific activity of 39.19 enzyme units / mg bound GOD.
[0118]
Example 19
(1) 0.1M HEPES / 50 μM CoCl at pH 7.521 mL of the purified OPH was collected, stored at −80 ° C., and thawed in the refrigerator. The enzyme stock contained 9223.30 enzyme units (amount of 0.29 mg OPH protein) / mL.
[0119]
(2) 300 angstroms of 2% NH in a 1.8 mL tube2Add 100-800 μL of OPH stock to 2-4 mg aliquots of SAMMS, 1400 minutes-1And shaken on an Eppendorf Thermomixer 5436 at 25 ° C. for 2-3 hours.
[0120]
(3) The enzyme incubation solution was then separated and the resulting deposit was washed with 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl (n ≧ 10) at n × 400 μL pH 7.5. At an intermediate stage, this was centrifuged at 14,000 rpm for 6 minutes. Finally, the washed sediment was resuspended again in the same washing buffer with 100 μL buffer / mg initial SAMMS. After thorough washing, both the suspension and the clear solution were measured, indicating that the OPH that was not firmly immobilized was washed away completely.
[0121]
(4) The estimated protein amount of incorporated OPH was 9.52 mg / g SAMMS by Pierce BCA assay kit, with an initial specific activity of 16378.74 enzyme units / mg incorporated OPH.
[0122]
Example 20
(1) 10.17 mg GOD (Sigma G-7016) was dissolved as a GOD stock in 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl at 5 mL pH 7.5. The enzyme stock contained 395.05 enzyme units (amount of 1.05 mg OPH protein) / mL.
[0123]
(2) Same as Example 19, but with GOD stock and 300 Å 20% NH2-SAMMS was used instead.
(3) GOD activity was measured using Sigma standard method (revised to 08/30/96).
[0124]
(4) The estimated protein amount of incorporated GOD was 13.35 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 99.33 enzyme units / mg incorporated GOD.
[0125]
Example 21
(1) Similar to Example 20, but 9.95 mg GOD (Sigma G-7016) was dissolved as a GOD stock in 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl at 5 mL pH 7.0. The enzyme stock contained 372.25 enzyme units (amount of 1.08 mg OPH protein) / mL.
[0126]
(2) The wash solution had a pH of 7.0 instead of the pH 7.5 used in protocol 7.
(3) The estimated protein amount of incorporated GOD was 14.59 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 136.28 enzyme units / mg incorporated GOD.
[0127]
Example 22
(1) GI purified from Streptomyces rubiginosus was purchased from Hampton Research, Inc. Obtained from. This is treated with 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl / 1 mM MgSO at pH 7.5.FourDialyzed in, aliquoted 1 mL, stored at −80 ° C., and thawed in refrigerator before use. The GI stock contained 180.22 enzyme units (amount of 4.11 mg GI protein) / mL.
[0128]
(2) Same as Example 20, but GI stock was used instead of GOD stock. Incubation was performed at 40 ° C.
(3) The wash solution was pH 7.5, 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl / 1 to 20 mM MgSO.Fourwas.
[0129]
(4) GI activity was measured by the same method as performed in protocol 4.
(5) The estimated protein amount of incorporated GI was 94.94 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 43.26 enzyme units / mg incorporated GOD.
[0130]
Example 23
(1) 2 mL aliquots of purified OPH are stored at −80 ° C., thawed in a refrigerator, 25 mM HEPES / 20% glycerol / 50 μM CoCl at pH 8.52To 0.1 M HEPES at pH 7.2. The enzyme stock contained 4830.00 enzyme units (amount of 0.39 mg OPH protein) / mL.
[0131]
(2) To an 82.45 mg aliquot of 300
[0132]
(3) The enzyme incubation solution was then separated and the resulting deposit was washed with 20 mM HEPES (n ≧ 10) at n × 400 μL pH 7.5. At an intermediate stage, this was centrifuged at 14,000 rpm for 6 minutes. Finally, the washed sediment was resuspended again in the same washing buffer with 100 μL buffer / mg initial SAMMS. After thorough washing, both the suspension and the clear solution were measured, indicating that OPH that was not firmly immobilized was washed away completely.
[0133]
(4) The estimated protein amount of incorporated OPH was 46.73 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 26766.78 enzyme units / mg incorporated OPH.
[0134]
Example 24
(1) 31.07 mg of GOD (Sigma G-7016) was dissolved as a GOD stock in 20 mM phosphate at 11 mL pH 7.0. The enzyme stock contained 393.08 enzyme units (1.71 mg of GOD protein amount) / mL.
[0135]
(2) Same as Example 23 but with GOD stock and 98.67 mg of 300
(3) The wash solution is pH 7.0, 20 mM phosphate buffer.
[0136]
(4) GOD activity was measured using the Sigma standard method (revised to 08/30/96).
(5) The estimated protein amount of incorporated GOD was 107.94 mg / g SAMMS, with an initial specific activity of 76.22 enzyme units / mg incorporated GOD.
[0137]
Example 25
(1) GI purified from Streptomyces rubiginosus was purchased from Hampton Research, Inc. Obtained from. This is pH 7.5, 20 mM phosphate / 0.15 M NaCl / 1 mM MgSO.FourDialyzed in, collected 1 mL and stored at -80 ° C. Six aliquots are thawed in a refrigerator before use, 22.5 mL pH 7.0, 20 mM sodium / 1 mM MgSOFourTo give a GI stock. The GI stock contained 42.10 enzyme units (amount of 0.86 mg GI protein) / mL.
[0138]
(2) Same as Example 24 but with GI stock and 100.98 mg of 300 Å 20% NH2-SAMMS was used. Incubation was performed at 40 ° C.
(3) The wash solution was pH 7.5, 20 mM phosphate / 1-20 mM MgSOFourwas.
[0139]
(4) GI activity was measured by the same method as performed in Example 17.
(5) The estimated protein amount of incorporated GI was 77.26 mg / g SAMMS with an initial specific activity of 45.06 enzyme units / mg incorporated GI.
Test results including comparative examples and various conditions
PolyLC Inc. Normal silica (Item No .: BMSI 1203) commercially available from is functionalized in the same way as for SAMMS and used for comparison instead of SAMMS in the above protocol under the same experimental conditions.
[0140]
In order to investigate the effects of pore size, functionality type and coating, various pore sizes, functional monolayer types and coatings were used to replace SAMMS in the above protocol under the same experimental conditions.
[0141]
To investigate the effects of buffer composition, pH, stability and ionic strength, a variety of different wash solutions were used in place of the wash solutions in the protocol described above under the same experimental conditions.
Some results are shown in the figure. Note that the following notation was used: 300 Å 20% NH2-SAMMS is NH derivatized from tris- (methoxy) aminopropylsilane2-
[0142]
FIG. 5 shows comparative data for OPH immobilized on five different matrix surfaces. Three examples using normal silica had an activity of 48 enzyme units / mg of silica, while OPH immobilized on the SAMMS surface demonstrated 156 and 125 activities. See Examples 14 and 19. Thus, protein systems made from conventional silica have demonstrated much lower activity.
[0143]
The type of functional group and the degree of functionalization have been found to be important factors in forming protein systems. Example 19 (activity 156) was repeated using 20% functionalization (on the surface of a 100, 170 or 300 angstrom SAMMS) instead of 2%, resulting in an activity of less than 1. Similarly, when Example 14 (activity 125) was repeated using 20% functionalization (on the surface of a 100, 170, or 300 angstrom SAMMS) instead of 2%, an activity of less than 20 was obtained. 300 Å 20% HOOC-SAMMS treated with OPH demonstrated 97 activity, while 300 Å 20% NH treated similarly with OPH2-SAMMS had an activity of less than 1.
[0144]
The data in the Examples section shows the individuality regardless of whether protein immobilization or non-covalent uptake is used (although the type of binding is another factor that can be controlled). The importance of adapting anionic or cationic functionalization at an appropriate density for a number of proteins was demonstrated. This adaptability facilitates the incorporation of high concentrations of active protein into the porous matrix. The resulting protein system can be defined by its activity or other measurable property.
[0145]
FIGS. 6 and 9 show the protein incorporated at various buffer concentrations (FIG. 6) and the specific activity of the protein incorporated at various buffer concentrations (compared to a solution of OPH at pH 7.2) (FIG. 6). In both cases 9) the activity is sensitive to the buffer concentration (ionic strength).
[0146]
As shown in FIGS. 7 and 8, the sample made at pH 7.0 contained more OPH than the sample made at higher pH, but the specific activity of the protein system appears to be optimized at approximately pH 7.5. It is. The specific activity of FIG. 8 is the specific activity of immobilized OPH divided by the specific activity of the control solution of OPH at pH 7.2.
[0147]
Incorporated OPH, whether retained non-covalently or covalently, has demonstrated much better stability compared to OPH in solution. As shown in FIG. 10, incorporated protein showed less than about 30% loss of activity when refrigerated at 4 ° C. for 110 days. After another 40 days at room temperature, some activity was restored, perhaps by regeneration.
[0148]
FIG. 11 shows comparative data for GOD immobilized on 6 different matrix surfaces. Three examples using normal silica have activities of 0.2, 0.3 and 0.4, while GOD immobilized on the SAMMS surface proves activity of 2.0 and 5.9 did. See Examples 20 and 15. Thus, protein systems made from conventional silica have demonstrated much lower activity. Unfunctionalized SAMMS (ie, 0% NH) named “300 Å mesosilica” treated under the same conditions2) Showed an activity of only 0.3. 100
[0149]
Therefore, it may be desirable to characterize each protein system in terms of covalent and non-covalent bonds in addition to or in addition to functionalization. In some preferred embodiments, non-covalently bound proteins have superior stability compared to covalently crosslinked systems when tested according to the procedures described herein.
[0150]
FIG. 16 shows comparative data for GI immobilized on 8 different matrix surfaces. Four examples made under similar conditions using regular silica have activities of 0.0, 0.0, 0.3 and 0.0, while GI immobilized on the SAMMS surface Demonstrated activity of 4.1, 1.2 and 2.6, respectively. See Examples 22, 17, and 18. Thus, again, protein systems made from conventional silica have demonstrated much lower activity. Unfunctionalized SAMMS (ie, 0% NH) named “300 Å mesosilica” treated under the same conditions2) Showed an activity of 0.0. In the case of GI, a significant effect is seen based on the pore size (FIG. 17), which was not unexpected given the large size of the GI. As shown in FIG. 18, covalently bonded 20% NH2GI immobilized on normal silica surface proves specific activity 70, while covalently bonded 300
[0151]
GI is a robust enzyme, and incorporation into SAMMS showed a relatively slight improvement in stability with respect to the time period and conditions tested. However, if the test is conducted under more difficult conditions such as exposure to a denaturant based on the stability test in the OPH protein system, the excellent stability characteristics of the preferred protein system of the present invention, particularly the system based on SAMMS, can be obtained. It is reasonable to conclude that it seems obvious. The present invention can generally be described in terms of stability under various test conditions.
[0152]
The present invention can include various modifications and changes without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, it should be understood that the invention should not be limited to the specific descriptions and examples, but should be controlled by the limitations set forth in the claims and the equivalents of the elements recited in the claims.
[Brief description of the drawings]
[0153]
FIG. 1 is a conceptualized cross-sectional view of an enzyme disposed in a porous substrate.
FIG. 2 is a ribbon diagram of the OPH plasmid.
FIG. 3 is the relevant DNA sequence (SEQ ID: 2) from the BamH I to Bgl II site of the construct, including just before the T7 promoter and just beyond the OPH stop codon.
FIG. 4 shows the amino acid sequence of OPH (SEQ ID: 1).
FIG. 5: Normal silica and NH for OPH immobilization2-Comparison with SAMMS is shown.
FIG. 6 shows the effect of ionic strength on OPH incorporated into HOOC-SAMMS.
FIG. 7 shows the effect of pH on OPH uptake into HOOC-SAMMS.
FIG. 8 shows the immobilization efficiency of OPH in HOOC-SAMMS at various pHs.
FIG. 9 shows the effect of ionic strength on OPH immobilization efficiency in HOOC-SAMMS.
FIG. 10: NH2-Shows the stability of OPH immobilized in SAMMS.
FIG. 11: Normal silica and NH for glucose oxidase (GOD) immobilization2-Comparison with SAMMS is shown.
Fig. 12 NH for GOD incorporation2-Shows the effect of SAMMS functional group coating.
FIG. 13 NH2-Shows the effect of pH on GOD incorporation into SAMMS.
FIG. 14: NH at various pH2-Indicates the immobilization efficiency of GOD in SAMMS.
FIG. 15 NH2-Shows the stability of GOD immobilized in SAMMS.
FIG. 16: Normal silica and NH for GI immobilization2-Comparison with SAMMS is shown.
FIG. 17 GI immobilization and NH2-Comparison with the effect of SAMMS pore size.
FIG. 18 NH2-Shows the immobilization efficiency of GI in SAMMS.
Claims (57)
該マトリックス材料と結合した化学的に活性なタンパク質をさらに含む、タンパク質系。At least 90% of the pore volume comprises a porous matrix material having said pore volume such that it is composed of pores having a size in the range of 50-400 Angstroms;
A protein system further comprising a chemically active protein associated with the matrix material.
細孔容積の少なくとも90%は50〜400オングストロームの範囲内のサイズを有する細孔で構成されるような前記細孔容積を有する多孔質マトリックス材料を用意する工程と、
前記多孔質マトリックス材料とタンパク質とを反応させ、その結果前記タンパク質は前記多孔質マトリックス材料と化学的に結合する工程と、を含む方法。A method of forming a protein system comprising:
Providing a porous matrix material having said pore volume such that at least 90% of the pore volume is composed of pores having a size in the range of 50 to 400 Angstroms;
Reacting the porous matrix material with a protein so that the protein chemically binds to the porous matrix material.
宿主細胞を、OPHをコード化する配列を含むベクターを用いてトランスフェクションし、前記配列は、機能し得るようにT7発現制御配列に結合していることと、
トランスフェクションした前記宿主細胞を、発現を可能にする条件下、前記発現制御配列の制御下で培養することと、
前記OPHを、前記細胞または前記細胞の培地から精製することと、を含む方法。An OPH manufacturing method comprising:
Transfecting a host cell with a vector comprising a sequence encoding OPH, said sequence operably linked to a T7 expression control sequence;
Culturing the transfected host cell under the control of the expression control sequence under conditions allowing expression;
Purifying the OPH from the cells or the medium of the cells.
前記表面と共有結合した架橋剤を有する前記多孔質マトリックス材料とタンパク質とを反応させ、その結果該タンパク質は前記多孔質マトリックス材料と化学的に結合することと、を含む、請求項22に記載の方法。Reacting the porous matrix material with a crosslinking agent to form a porous matrix material having a crosslinking agent covalently bonded to the surface;
23. The method of claim 22, comprising reacting the porous matrix material having a crosslinker covalently bonded to the surface with a protein so that the protein is chemically bonded to the porous matrix material. Method.
細孔容積の少なくとも90%は50〜400オングストロームの範囲内のサイズを有する細孔で構成されるような前記細孔容積を有する多孔質マトリックス材料であって官能基化表面を有する多孔質マトリックス材料を用意する工程と、
タンパク質を加え、その結果該タンパク質は非共有結合によって前記多孔質マトリックス材料中に取り込まれる(entrapped)工程と、を含む方法。A method of forming a protein system comprising:
A porous matrix material having said pore volume such that at least 90% of the pore volume is composed of pores having a size in the range of 50 to 400 Angstroms and having a functionalized surface A process of preparing
Adding a protein so that the protein is entrapped into the porous matrix material by non-covalent bonding.
該多孔質マトリックス材料内部に配置されたタンパク質を含むタンパク質系において、
該タンパク質系は、1グラムのマトリックス材料当り前記マトリックス材料内部に配置された少なくとも0.01mmolのタンパク質を含み、前記タンパク質系は、同一の条件下で通常のシリカマトリックス材料表面に形成されたタンパク質系の活性よりも少なくとも2倍大きな活性を示す、タンパク質系。Including a porous matrix material,
In a protein system comprising a protein disposed within the porous matrix material,
The protein system comprises at least 0.01 mmol protein disposed within the matrix material per gram of matrix material, the protein system formed on the surface of a normal silica matrix material under the same conditions A protein system that exhibits at least twice as much activity as
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