KR20210020363A

KR20210020363A - 보툴리눔 독소의 제조방법

Info

Publication number: KR20210020363A
Application number: KR1020190099531A
Authority: KR
Inventors: 김동수; 송치종; 이은영; 안진희
Original assignee: 주식회사 프로톡스
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-02-24
Also published as: US20220267368A1; KR102287437B1; WO2021029740A2; CN114269773A; CA3147428A1; BR112022002710A2; WO2021029740A3

Abstract

본 발명은 동물유래 성분을 포함하지 않는 단순화된 공정으로 보툴리눔 독소를 고수율로 수득할 수 있는 보툴리눔 독소의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 제조방법은 클로스트리디움 보툴리눔 균주의 배양을 비롯한 전체 공정에서 동물성 성분을 사용하지 않아 안전성이 우수하며, 종래 분리 공정과 비교하여 첨가제 처리를 통한 별도의 핵산제거 과정을 생략하고 또한 이온교환 크로마토그래피만을 이용하여 공정을 수행하며 이때 모두 동일한 버퍼를 사용하여 버퍼의 농도와 pH 조절만으로 단순화된 공정을 통해 현저히 향상된 수율로 보툴리눔 독소를 분리할 수 있음을 확인하였는바, 매우 경제적이고 효율적인 분리방법으로써 이를 통해 분리된 보툴리눔 독소는 미용 및 의약분야에서 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

보툴리눔 독소의 제조방법{Method for preparing botulinum toxin}

본 발명은 동물유래 성분을 포함하지 않으면서 단순화된 공정으로 보툴리눔 독소를 고수율로 수득할 수 있는 보툴리눔 독소의 제조방법에 관한 것이다.

신경독성을 지닌 독소를 분비하는 다양한 클로스트리디움(clostridium) 속 균주들이 1890년대부터 지금까지 발견되었으며, 이들 균주들이 분비하는 독소에 대한 특성 규명이 이루어져 왔다. 상기 클로스트리디움 속 균주들에서 유래한 신경독성을 지닌 보툴리눔 독소(botulinum toxin)는 제대로 멸균되지 않은 깡통 내용물이나 보존이 제대로 안된 음식물에 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum)이 발육함으로써 생성되는 신경독으로 식중독, 구토, 시각장애, 운동장애 등을 일으킨다. 이 독소를 섭취하면 잠복기는 12-72시간이며, 이후 운동 신경과 근육이 만나는 곳에서 신경전달 물질인 아세틸콜린(Acetylcholine)의 분비를 막아 근육 마비를 초래한다.

보툴리눔 독소는 아미노산으로 구성된 신경독성 단백질로, 혈청학적 특징에 따라 A, B, C(C1, C2), D, E, F 및 G의 총 7개 타입으로 분류된다. 각 독소는 약 150 KDa 정도의 독소 단백질을 가지고 있는데, 자연적으로는 여러 비독성 단백질들과 결합되어 있는 복합체로 이루어져 있다. 중간(Medium) 복합체(300 kDa)는 독소 단백질과 비독성-비헤마글루티닌 단백질로 이루어져 있고, 큰(Large; 450 kDa) 복합체 및 거대(Large-Large; 900 kDa) 복합체는 중간 복합체가 헤마글루티닌과 결합되어 있는 형태를 띠고 있다. 이러한 비독성 비헤마글루티닌 단백질들은 장내에서 낮은 pH와 각종 단백질 가수분해 효소로부터 독소를 보호하는 기능을 하는 것으로 알려져 있다. 보툴리눔 독소는 처음에는 150 kDa 크기의 단일 분자로 합성된 뒤에, 중간이 잘려 대략 50 kDa의 가벼운 사슬(Light chain) 단백질과 대략 100 kDa의 무거운 사슬(Heavy chain) 단백질로 나뉘어지며, 가벼운 사슬과 무거운 사슬 단백질은 다시 이황화 결합(Disulfide bond)을 통해 연결되어 최종적으로 활성을 갖는 보툴리눔 독소를 형성한다.

보툴리눔 독소는 신경근접합부의 시냅스전에서 신경전달물질인 아세틸콜린이 분비되는 것을 억제한다. 아세틸콜린은 시냅스전 내부에서 시냅스 소포(Synaptic vesicle) 안에 존재하다가, 활동전위(Action potential) 신호가 시냅스전에 도달함에 따라 시냅스 소포가 시냅스전 막(Presynaptic membrane)과 융합(fusion) 되면서 비로소 시냅스 틈(Synaptic cleft)으로 방출된다. 시냅스 소포와 시냅스전 막의 융합 과정에는 스네아 단백질(SNARE protein)이 필수적으로 작용하는데, 이들은 크게 시냅스 소포에 위치한 소포(Vesicle) 스네아(v-SNARE) 단백질과 시냅스전 막에 위치한 타겟(Target) 스네아(t-SNARE) 단백질로 나뉠 수 있으며, 구체적으로 시냅토브레빈(Synaptobrevin) 단백질이 v-스네아로 기능하고, 스냅-25(SNAP-25)와 신택신(Syntaxin) 단백질이 t-스네아로 기능한다. 보툴리눔 독소는 신경세포 시냅스전 내부로 들어가서 스네아 단백질을 절단하여 더 이상 기능을 못하도록 한다. 따라서, 신경근접합부의 시냅스전에서는 아세틸콜린이 방출되지 못하며, 신경에 의한 근육의 조절이 불가능해지며 이완성 마비가 유발된다. 구체적으로, 보툴리눔 독소 단백질의 무거운 사슬 부분은 독소가 시냅스전 내부로 들어가는데 기능하며, 가벼운 사슬 부분은 스네아 단백질을 절단하는데 기능한다. A, B, C(C1, C2), D, E, F, G의 7개 보툴리눔 독소 타입은 각각 서로 다른 스네아 단백질을 절단하는 것으로 알려져 있다.

이러한 보툴리눔 독소는 소량으로 인체에 치명적이고 대량생산이 용이하므로 탄저균(Bacillus anthracis), 페스트(Yersinia pestis), 천연두(smallpox virus)와 더불어 4대 생물테러 무기로 사용될 수 있는 독소이다. 그러나 상기 보툴리눔 독소 중 A형의 경우에는 전신적으로 인체에 영향을 미치지 않는 용량 이하로 주사하면 상기 주사 부위의 국소 근육을 마비시킬 수 있는 것으로 밝혀졌는데, 이러한 특성을 이용하여 주름살 제거제, 경직성 편마비 및 뇌성마비의 치료제 등으로 광범위하게 사용할 수 있으며 의학적 적응증이 증가하고 있어 수요가 급증하고 있으며 이러한 수요에 맞추어 보툴리눔 독소의 생산방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 측면에서, 종래 보툴리눔 독소를 높은 수율로 얻기 위하여 각 공정 단계 및 조건을 변경, 추가하여 다양한 시도가 이루어지고 있다. 예컨대, 미국등록특허 제6818409호에는 보툴리눔 독소를 정제하기 위해 양이온교환 크로마토그래피 및 락토오스 겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하는 방법이 개시되어 있고, 미국등록특허 제8927229호에는 동물유래 성분을 사용하지 않으면서 음이온-양이온-소수성 상호작용 크로마토그래피를 이용하여 보툴리눔 독소를 얻는 방법 등이 개시되어 있다. 그러나 이러한 기존 방법들은 보툴리눔 독소를 높은 수율로 얻기 위하여 정제 과정이 복잡하고 어려운 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 복잡한 공정을 추가/변경하는 것 없이 종래 보툴리눔 독소 공정을 보다 단순화하면서 고순도의 독소 단백질을 높은 수율로 얻을 수 있는 방법을 개발하였는바, 이에 기초하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명자들은 동물유래 성분을 포함하지 않으면서 보다 단순화된 공정을 통해 효율적이면서 고수율로 보툴리눔 독소를 분리할 수 있는 방법을 연구한 결과 본 발명에 따른 최적의 분리 공정을 확립하였는바, 이로써 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명은 (a) 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum)을 동물유래 성분이 없는 배양배지에서 배양하여 보툴리눔 독소를 생성시키는 단계;

(b) 상기 보툴리눔 독소가 생성된 배양액을 산 침전시키는 단계;

(c) 상기 단계 (b)의 보툴리눔 독소가 포함된 침전물에 완충액을 첨가하여 상등액을 수득한 다음, 황산암모늄을 첨가하여 침전 상등액을 수득한 후 한외여과(ultrafiltraion) 하는 단계;

(d) 1차 음이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소 정제물을 수득하는 단계;

(e) 단계 (d)의 정제물에 황산암모늄을 첨가하여 침전 상등액을 수득한 후 한외여과(ultrafiltraion) 하는 단계;

(f) 2차 음이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소 정제물을 수득하는 단계; 및

(g) 양이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소를 농축하는 단계를 포함하는, 보툴리눔 독소의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum)을 동물유래 성분이 없는 배양배지에서 배양하여 보툴리눔 독소를 생성시키는 단계;

(g) 양이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소를 농축하는 단계를 포함하는, 보툴리눔 독소의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일구현예로, 상기 배양배지는 파이톤 펩톤(Phytone peptone), 효모추출물(yeast extract) 및 포도당(glucose)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 단계 (b)에서 산 침전은 pH 3.0 내지 pH 4.5가 되도록 황산 또는 염산을 첨가하여 이루어지는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (c)에서 완충액은 pH 4.5 내지 pH 6.5의 구연산나트륨(Sodium citrate)일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (c)에서 황산암모늄 첨가 전에 별도의 핵산제거 과정이 생략된 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (c)에서 황산암모늄은 40% 내지 80%(w/v)의 농도가 되도록 첨가하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 1차 음이온교환 크로마토그래피는 다이에틸아미노에틸(diethylaminoethyl; DEAE)-세파로오스(Sepharose) 컬럼을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 DEAE-컬럼 패킹 부피(packing volume)는 150 mL 내지 250 mL인 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (e)에서 황산암모늄은 30% 내지 50%(w/v)의 농도가 되도록 첨가하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 2차 음이온교환 크로마토그래피는 Q-세파로오스(Sepharose) 컬럼을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (f)에서 보툴리눔 독소는 음이온교환 크로마토그래피로부터 용출되는 FT(flow through)를 보툴리눔 독소가 포함된 분획(fraction)으로 수득하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 양이온교환 크로마토그래피는 HS-컬럼을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (d), (f) 및 (g)의 각 크로마토그래피 공정은 동일한 pH 4.5 내지 pH 6.5의 구연산나트륨 완충액을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 제조방법은 클로스트리디움 보툴리눔 균주의 배양을 비롯한 전체 공정에서 동물성 성분을 사용하지 않아 안전성이 우수하며, 종래 분리 공정과 비교하여 첨가제 처리를 통한 별도의 핵산제거 과정을 생략하고 또한 이온교환 크로마토그래피만을 이용하여 공정을 수행하며 이때 모두 동일한 버퍼를 사용하여 버퍼의 농도와 pH 조절만으로 단순화된 공정을 통해 현저히 향상된 수율로 보툴리눔 독소를 분리할 수 있음을 확인하였는바, 매우 경제적이고 효율적인 분리방법으로써 이를 통해 분리된 보툴리눔 독소는 미용 및 의약분야에서 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 기본 보툴리눔 독소 제조공정을 단계별로 도시한 것이다.
도 2a는 도 1의 공정에서 식물성 배지 성분 및 크로마토그래피 컬럼 부피 조건을 변경한 공정(공정 2)을 단계별로 도시한 것이며, 도 2b는 공정 1 및 2를 통해 분리한 각 단백질의 총 양(total mg) 및 농도(mg/mL)를 측정한 결과이고, 도 2c는 공정 1 및 2를 통해 분리한 각 정제액의 SDS-PAGE 분리 결과이며, 도 2d는 공정 1 및 2를 통해 분리한 배양상등액(Culture) 및 최종정제액(Final)의 독성을 측정하여 나타낸 것이다.
도 3a는 도 2a의 공정 2에서 프로타민 황산염 처리를 통한 핵산제거 과정을 생략하고 1차 음이온교환 크로마토그래피에서 DEAE-세파로오스 컬럼 부피 조건 변경 및 HS-컬럼을 이용한 양이온교환 크로마토그래피 단계를 추가하여 변경된 공정(공정 3)을 단계별로 도시한 것이고, 도 3b는 프로타민 황산염 처리 전후 핵산 제거효율(#1, #2, #3) 및 DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 패킹 부피(packing volume)를 30mL에서 200mL로 변경한 다음 DEAE-세파로오스 컬럼 처리 전후의 핵산 제거효율(#4, #5, #6)을 측정한 결과이고, 도 3c는 기존에 HS-컬럼을 추가하기 전 공정(#1, #2, #3)과 HS-컬럼 정제공정을 추가하여 변경된 공정 3(#4, #5, #6)의 최종정제액의 단백질의 총 양(total mg) 및 농도(mg/mL)와 독성을 측정한 결과이며, 도 3d는 프로타민 황산염 제거 후 Q-컬럼으로 최종정제한 정제액(#1, #2, #3)에 따른 핵산 제거 효과 및 DEAE-세파로오스 컬럼 처리 후 HS-컬럼으로 최종정제한 정제액(#4, #5, #6)의 핵산 제거 효과를 나타낸 결과이다.
도 4a는 도 3의 공정 3에서 2차 음이온교환 크로마토그래피의 Q-세파로오스 컬럼 공정을 변경하고, 상기 Q-세파로오스 컬럼 및 양이온교환 크로마토그래피의 HS-컬럼 공정에 사용되는 완충액을 동일한 것으로 변경하여 최종 확립된 공정(공정 4)을 단계별로 도시한 것이고, 도 4b는 공정 3(#4, #5, #6) 및 공정 4(#7)로 분리한 각 단백질의 총 양(Total protein) 및 농도(Protein quantity)를 측정한 결과이고, 도 4c는 공정 3(#4, #5, #6) 및 공정 4(#7)로 분리된 각 최종정제액의 독성을 측정한 결과이며, 도 4d는 공정 3 및 공정 4를 통해 각각 Q-컬럼 정제 후와 HS-컬럼 정제 후 수득한 정제액에 대하여 SDS-PAGE를 실시한 결과이다.

본 발명자들은 동물유래 성분을 포함하지 않으면서 보다 단순화된 공정을 통해 효율적이고 고수율로 보툴리눔 독소를 분리할 수 있는 방법을 연구한 결과 본 발명에 따른 최적의 보툴리눔 독소 분리 공정을 확립하였는바, 이로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명자들은 실시예를 통해 도 1에 개시된 종래 보툴리눔 독소의 제조 공정(공정 1)에서 일부 공정을 삭제, 추가 및/또는 변경하여 본 발명에 따른 최종 공정을 확립하였다.

본 발명의 일실시예에서는, 상기 도 1에 개시된 공정에서 식물성 배지 성분 및 Q-세파로오스 컬럼의 부피 조건을 변경한 공정을 개발하여 상기 두 공정으로 분리한 단백질 농도, 정제된 분획물의 순도 및 독성을 비교하였으며, 그 결과 변경된 조건에 따라 보툴리눔 독소의 회수율이 증가한 것을 확인하였다(실시예 2 참조).

본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 도 2a에 개시된 공정에서 프로타민 황산염 처리를 통한 핵산제거 과정을 생략하고 1차 음이온교환 크로마토그래피에서 DEAE-세파로오스 컬럼 부피 조건 변경 및 HS-컬럼을 이용한 양이온교환 크로마토그래피 단계를 추가하여 변경된 공정에 따라 보툴리눔 독소를 분리한 결과, 상기 DEAE-세파로오스 컬럼 부피를 증가시킴으로써 프로타민 황산염 처리 단계를 생략해도 핵산제거 효과는 동일함을 확인하였으며, 양이온교환 크로마토그래피 공정을 추가함으로써 단백질 농축이 약 2배 이상 증가한 것을 확인하였다(실시예 3 참조).

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 도 3a에 개시된 공정에서 2차 음이온교환 크로마토그래피의 Q-세파로오스 컬럼 공정 조건을 변경하고, 상기 Q-세파로오스 컬럼 및 양이온교환 크로마토그래피의 HS-컬럼 공정에 사용되는 완충액을 동일한 것으로 변경하여 보툴리눔 독소를 분리한 결과 변경된 조건에 의해 보툴리눔 독소 단백질의 수율이 약 3배 상승된 것을 확인하였다(실시예 4 참조).

따라서 상기 실시예 결과를 통해 도 4a에 도시된 공정을 보툴리눔 독소 제조를 위한 최종 공정으로 확립하였다.

이에, 본 발명은 (a) 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum)을 동물유래 성분이 없는 배양배지에서 배양하여 보툴리눔 독소를 생성시키는 단계;

이하, 상기 제조방법에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명에 있어서, 보툴리눔 독소 생산 균주는 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum) 또는 이의 변이체인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 보툴리눔 독소 생산이 가능한 균주라면 통상의 기술자가 적절히 선택하여 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 ‘보툴리눔 독소’는 클로스트리디움 보툴리눔 균주 또는 이의 변이체에 의해 생성된 신경독소(Neurotoxins, NTXs)뿐만 아니라 변형, 재조합, 하이브리드 및 키메라 보툴리눔 독소를 모두 포함할 수 있다. 재조합 보툴리눔 독소는 비-클로스트리디움 종에 의하여 재조합으로 제조된 경쇄 및/또는 중쇄를 가질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 보툴리눔 독소는 혈청형 A, B, C, D, E, F 및 G로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, 순수 보툴리눔 독소(150 KDa)뿐만 아니라 다양한 크기의 보툴리눔 독소 복합체(300, 450, 900 kDa)를 모두 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 단계 (a)에 있어서, 클로스트리디움 보툴리눔 균주의 배양은 당업계에 공지된 통상적인 방법으로 당업자가 적절히 선택 및 변경하여 이루어질 수 있다.

상기 배양 시 배양배지는 동물성 성분이 포함되어 있지 않은 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 식물성 성분인 파이톤 펩톤(phytone peptone), 효모추출물 및 포도당을 포함할 수 있고, 배양은 25℃ 내지 40℃에서 72 내지 150시간, 보다 바람직하게는 30℃ 내지 38℃에서 90 내지 120시간, 가장 바람직하게는 35℃에서 96시간 동안 이루어질 수 있다.

본 발명의 상기 단계 (b)에 있어서, 산 침전은 단계 (a)에서 수득된 보툴리눔 독소가 생성된 배양액에 pH 3.0 내지 pH 4.5, 바람직하게는 pH 3.2 내지 pH 4.0, 더욱 바람직하게는 pH 3.3 내지 pH 3.6, 가장 바람직하게는 pH 3.4가 되도록 황산 또는 염산, 바람직하게는 황산을 처리함으로써 이루어질 수 있다.

상기 산 침전 단계는 배양액에 남아있는 보툴리눔 균주를 모두 사멸시키며, 많은 종류의 단백질 용액에 산을 가함으로써 pH를 저하시켜 단백질이 등전점에 이르게 되어 침전되는 원리를 이용한 것이다. 이때, pH는 낮을수록 보툴리눔 독소의 회수율이 높아진다고 알려져 있으나, pH가 3.0 이하일 경우 보툴리눔 독소 자체에 영향을 미치며, pH 4.5 이상일 경우 독소의 회수율이 낮아지므로, 본 발명에 따른 pH 범위가 가장 적절하다.

본 발명의 상기 단계 (c)에 있어서, 상기 완충액은 pH 4.5 내지 pH 6.5, 바람직하게는 pH 5.5의 구연산나트륨(Sodium citrate)일 수 있으나, 단계 (b)에서 침전된 단백질 펠렛을 용해시켜 추출할 수 있는 것이라면, 이에 제한되지 않으며 당업자가 적절히 선택하여 이용할 수 있다.

상기 단계 (c)에서 황산암모늄 침전은 40% 내지 80%(w/v)의 황산암모늄, 바람직하게는 50% 내지 70%(w/v), 더욱 바람직하게는 55% 내지 65%(w/v), 가장 바람직하게는 60%(w/v)의 황산암모늄을 상기 완충액을 첨가하여 얻은 상등액에 천천히 교반하면서 첨가하여 이루어질 수 있으며, 용액을 교반하면서 밤새 보관한 다음 원심분리하여 펠렛을 얻고 완충액으로 용해시켜 황산암모늄 침전 상등액을 얻을 수 있다. 이후 상기 황산암모늄 침전 상등액에 대하여 한외여과를 실시하며 황산암모늄 침전 상등액의 10배 부피로 완충액을 교체하여줄 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어, “한외여과(Ultrafiltration)”는 일정 압력하에 막(membrane)의 기공(Pore)을 통해 혼합용액의 구성요소인 용질의 크기 및 구조에 따라 표적 용질(예컨대, 보툴리눔 독소)을 분획하는 공정으로, 바람직하게는 0.01~0.1 μm의 입자를 분리하는데 사용되고, 일반적으로 단백질, 내독소, 바이러스, 실리카 등을 제거하는데 사용되며 보툴리눔 독소 침전액에 포함된 불순물을 제거하고 보툴리눔 독소를 농축시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 단계 (d) 내지 (g)는 보툴리눔 독소를 고순도로 정제 및 농축하기 위한 과정으로서, 음이온교환 크로마토그래피 공정의 구분을 위해 단계 (d)의 공정을 1차 음이온교환 크로마토그래피, 단계 (f)의 공정을 2차 음이온교환크로마토그래피로 구분하였다.

상기 단계 (d)에 있어서, 1차 음이온교환 크로마토그래피는 바람직하게 다이에틸아미노에틸(diethylaminoethyl; DEAE)-세파로오스(Sepharose) 컬럼을 이용하여 수행하는 것일 수 있으며, 상기 DEAE-컬럼 패킹 부피(packing volume)는 150 mL 내지 250 mL, 보다 바람직하게는 180 mL 내지 220 mL, 더욱 바람직하게는 200 mL일 수 있다.

본 발명자들은 DEAE-컬럼 패킹 부피를 종래 이용되었던 부피인 30-50 mL에서 약 200 mL로 증가시킴으로써 단계 (c)의 황산암모늄 처리 이전의 별도의 핵산제거 과정인 프로타민 황산염 처리 과정을 생략했음에도 불구하고 핵산 제거능이 동등하게 나타남을 확인하였다.

상기 1차 음이온교환 크로마토그래피의 컬럼 완충액으로는 구연산나트륨(Sodium citrate)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 완충액의 농도는 20 내지 70 mM, 보다 바람직하게는 40 내지 60 mM, 가장 바람직하게는 50 mM일 수 있다. 상기 완충액의 pH는 2 내지 9, 바람직하게는 pH 3 내지 8, 더욱 바람직하게는 pH 4 내지 7, 가장 바람직하게는 pH 5.5 조건일 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어, “pH”는 용액의 산성이나 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로써 수소 이온 농도의 지수이며, pH 0 내지 pH 14의 범위에서 중성의 pH는 7이며, pH가 7 미만은 산성, pH 7을 초과하는 것은 알칼리성이다. pH는 pH 계측기를 이용하여 측정될 수 있고, 완충액의 pH는 HCl 또는 NaOH와 같은 산 또는 염기를 사용하여 조정할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어, “전도도(conductivity)”는 두 전극 사이의 전류를 통하게 하는 수용액의 능력을 의미하는데, 용액 내에서는 이온 수송에 의해 전류가 흐르므로 수용액 중 존재하는 이온량을 변화시킴으로써 전도도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 원하는 전도도를 얻기 위해 용액 중 완충제의 농도 및/또는 염(예를 들면, 염화나트륨, 아세트산나트륨, 또는 염화칼륨)의 농도를 변화시킬 수 있으며, 바람직하게는, 각종 완충액의 염 농도를 변경하여 원하는 전도도를 얻을 수 있다.

본 발명의 상기 단계 (e)는, 단계 (d)에서 수득된 정제물에 황산암모늄을 첨가하고 단계 (c)와 동일한 방법으로 한외여과를 실시할 수 있으며, 이때 황산암모늄은 30% 내지 50%(w/v), 보다 바람직하게는 35% 내지 45%(w/v), 가장 바람직하게는 40%(w/v)의 농도가 되도록 첨가될 수 있다.

본 발명의 상기 단계 (f)의 2차 음이온교환 크로마토그래피는 바람직하게 Q-세파로오스 컬럼을 이용하여 수행될 수 있고, 완충액의 pH는 2 내지 9, 바람직하게는 pH 3 내지 8, 더욱 바람직하게는 pH 4 내지 7, 가장 바람직하게는 pH 5.5 조건일 수 있으며, 상기 (f) 단계에서 보툴리눔 독소는 음이온교환 크로마토그래피로부터 용출되는 FT(flow through)를 보툴리눔 독소가 포함된 분획(fraction)으로 수득하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어 “FT(flow through)” 공정은 하나 이상의 불순물과 함께 생물학적제제에 함유된 적어도 하나의 표적 분자(예컨대 보툴리눔 독소)가 하나 이상의 불순물과 결합하는 물질을 통하여 통과하며, 상기 표적 분자는 보통 결합하지 않는(즉, 플로우 쓰루 하는) 분리 방법을 의미한다. 본 발명에서는 2차 음이온교환 크로마토그래피에서 보툴리눔 독소가 포함된 정제물을 음이온교환 크로마토그래피의 수지(resin)에 결합된 것을 분리하는 방법에서 음이온교환 크로마토그래피로부터 용출되는 FT를 보툴리눔 독소가 포함된 분획(fraction)으로 수득하는 방법으로 변경함으로써 약 3배 이상 보툴리눔 독소의 수율이 증가하는 것을 확인하였다.

본 발명의 상기 단계 (g)의 양이온교환 크로마토그래피는 바람직하게 HS-컬럼을 이용하여 수행될 수 있고, 완충액의 pH는 2 내지 9, 바람직하게는 pH 3 내지 8, 더욱 바람직하게는 pH 4 내지 7, 가장 바람직하게는 pH 5.5 조건일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 Q-세파로오스 컬럼과 HS-컬럼을 이용한 크로마토그래피 공정에서 완충액은 바람직하게 동일한 구연산나트륨을 사용할 수 있으며, 기존 Q-세파로오스 컬럼 공정에서의 완충액을 HS-컬럼 공정에서의 완충액과 동일한 것으로 변경하고 농도를 조절함으로써 공정을 보다 단순화하고 보툴리눔 독소의 수율을 상승시킬 수 있었다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1. 기본 공정 (공정 1)

클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum) 균주로부터 독소 단백질을 우수한 효율로 분리할 수 있는 최종 공정을 확립하기 위하여, 본 발명자들은 하기 기본 공정으로부터 일부 공정을 생략, 추가 및 변경하여 독소를 분리하고 그 결과를 비교하였으며, 본 발명의 기본 보툴리눔 독소 분리 공정은 하기와 같고, 도 1에 단계별로 간단히 도시하였다.

1-1. 균주 배양

먼저, 사전-시드배양(Pre-seed culture) 과정을 진행하기 위해 100 ㎖ 용기에 CMM(Cooked meat medium)(BD, Cat. 226730)을 6.25g 넣고 3차 증류수 50 ㎖를 넣은 다음 고압증기멸균기(Autoclave)를 이용하여 122℃에서 30분 동안 멸균하였다. 멸균이 끝나면 생물 안전 작업대(Biological safety cabinet; BSC)로 옮긴 뒤, 35±2℃까지 배지를 식히고 배지가 식는 동안 클로스트리디움 보툴리눔 균주 스탁(stock)을 35℃ 배양기에서 약 1시간 동안 활성화 시킨 후 BSC 내부에 넣어 CMM 50 ㎖ 배지에 2.5 ㎖을 접종하였다(접종량 5%). 이후 혐기 챔버(Anaerobic jar)에 혐기 가스팩과 혐기 indicator와 접종한 배양액을 넣고 잠근 후 35℃ 배양기에서 24±2시간 동안 배양하였다.

다음으로 시드 배양(seed culture)을 진행하기 위하여, Soytone(BD, Cat. No 212488) 또는 Phytone Peptone(BD, 211906) 24 g(3%), 및 효모 추출물(Yeast extract)(BD, Cat. 212750) 16 g(2%)을 3차 증류수에 첨가하고 700 ㎖ 부피를 맞춘 후 1L 용기에 넣었으며, 포도당(Glucose)(Merck, Cat. 1.37048.5000) 8 g(1%)은 3차 증류수를 사용하여 100 ㎖ 볼륨을 맞춘 후, 별도로 150 ㎖ 용기에 넣었다. 다음으로 고압증기멸균기를 이용하여 122℃에서 30분 동안 멸균하고 BSC로 옮겨 55~60℃까지 배지를 식힌 다음 배지가 식으면 700 ㎖의 전 배양 배지에 100 ㎖ 포도당을 파이펫 에이드를 사용하여 넣어주었다. 이후 전 배양 배지가 35±2℃가 되면, 작일 접종한 50 ㎖ CMM 배양액 16 ㎖을 용기의 바닥에 접종한 다음(접종량 2%), 혐기 챔버에 혐기 가스팩과 혐기 indicator, 접종한 배양액을 넣고 잠근 후 35℃ 배양기에서 24±2시간 동안 배양하였다.

24시간의 배양이 끝나면 본 배양(main culture)을 위해, 10L 비커 용기에 Soytone 또는 Phytone Peptone 200 g(2%), 및 효모 추출물 100 g(1%)을 측정하여 넣고 3차 증류수 8 L를 넣어 교반한 다음 배지 조성물이 다 녹으면 3차 증류수를 사용하여 10L로 부피를 맞춘 후, 2L 용기에 1.85L씩 소분하였다. 포도당은 60 g(0.5%)에 3차 증류수를 사용하여 300 ㎖ 부피를 맞춘 뒤, 별도로 500㎖ 용기에 넣었다. 이후 122℃에서 40분 동안 멸균하고 BSC로 옮긴 다음 55~60℃까지 배지를 식힌 후, 포도당을 2L 용기에 소분한 본 배양 배지 1.85 L에 50 ㎖씩 파이펫 에이드를 사용하여 넣어주었다(2L Bottle 본 배양 배지 1.9 L). 다음으로 상기 본 배양 배지의 온도가 35±2℃가 되면, 작일 접종한 800 ㎖ TPM 배양액 100 ㎖를 용기의 바닥에 접종하였고(접종량 5%), 접종이 끝나면 뚜껑을 꽉 닫고 35℃ 배양기에서 96±2시간 정치배양하였다.

1-2. 황산 침전(Sulfuric acid precipitation)

상기 실시예 1-1의 방법에 따라 배양한 후 배양이 종료된 2L 용기 5개에 마그네틱 바를 넣어 교반시키며 가스를 빼준 다음, 3N 황산을 넣어 pH 3.2~3.5를 맞춰 주었다. 이후 pH가 3.2~3.5에 도달하면 용기 뚜껑을 닫은 후, 4℃ 냉장고에서 12~24시간 보관하였다.

1-3. 구연산염 완충액 추출 (citrate buffer extraction)

상기 실시예 1-2의 방법에 따라 24시간 동안 황산 침전 단계를 실시한 후, 맑은 상층을 파이펫 에이드를 사용하여 제거하고 하층에 있는 침전물만 가지고 12,000g에서 30분 동안 원심분리하였다. 이후 상등액은 버리고, 펠렛만 모은 다음 200 mM 구연산나트륨(Sodium citrate, pH 5.5)(Merck, Cat. 1.37042.5000) 500 ㎖를 넣고 펠렛을 풀어준 후 상기 현탁액을 4℃ 냉장고에서 1시간 동안 교반하였다. 교반이 끝나면 12,000g에서 30분 동안 1차 원심분리하여 상등액은 따로 1L 용기에 보관하고(4℃), 펠렛은 상기와 동일한 200 mM 구연산나트륨 용액 500 ㎖를 넣고 다시 풀어준 다음 동일한 과정으로 2차 원심분리까지 진행하고 상등액을 1차 원심분리하여 얻은 상등액과 합하여 황산 침전 추출 상등액을 얻었다.

1-4. 프로타민 황산염(Protamine sulfate) 처리

상기 1-3의 앞 단계의 공정을 실시하는 동안 프로타민 황산염(Merck, Cat. 1.10123.0025) 2% 용액을 미리 제조한 후 상기에서 수득한 상등액 부피의 0.1%가 되도록 분별깔때기 사용하여 천천히 떨어뜨려주었다(수득한 상등액 부피 1L 기준 프로타민 황산염 2% 용액 50 ㎖ 처리). 이후 20분 동안 실온에서 교반한 다음 12,000g에서 30분 동안 원심분리하여 상등액을 수득하였다.

1-5. 황산암모늄 침전(Ammonium sulfate precipitation)

상기 실시예 1-4에서 수득한 상등액에 황산암모늄(Ammonium sulfate, 60%(w/v), 100 ㎖ 기준 36.1g)(Merck, Cat. 1.01816.5000)을 교반하면서 천천히 넣어준 다음 4℃에서 교반기(stirrer)를 사용하여 밤새 교반하였다. 이후 12,000g에서 30분 동안 원심분리하여 침전물을 수득한 다음, 침전물을 50 mM 구연산나트륨 완충액(pH 5.5) 100 ㎖에 녹여 황산암모늄 침전 상등액을 수득하였다.

1-6. 한외여과(Ultrafiltration; UF)를 통한 완충액 교체

상기에서 얻은 황산암모늄 침전 상등액을 넣고 UF 시스템의 펌프 속도(pump speed)를 2 gauge로 설정하였다. 교체할 50 mM 구연산나트륨(pH 5.5) 용액을 황산암모늄 침전 상등액의 10배 부피로 교체하였다. 이때, Pump inlet pressure가 2 bar가 넘지 않도록 주의하며, 회수된 농축액은 4℃에서 보관하였다.

1-7. DEAE 컬럼을 통한 크로마토그래피 정제

상기에서 수득한 농축액으로부터 DEAE 컬럼을 이용한 음이온교환 크로마토그래피법을 통해 독소를 정제하고자 하였다. 이를 위해 먼저 러닝 완충액(Running buffer)으로써 50 mM 구연산나트륨(pH 5.5)과 용출 완충액(Elution buffer)으로써 50 mM 구연산나트륨(pH 5.5) 및 1 M 염화나트륨(pH 5.5)(Merck, Cat. 1.06400.5000) 용액을 준비하고 0.22 um 필터를 이용해 여과한 다음 초음파처리 하여 공기를 제거하였다. 다음으로, 고속 단백질 액체 크로마토그래피(Fast Protein Liquid Chromatography; FPLC)의 전원을 켜고 러닝 완충액으로 펌프를 세척한 후 러닝 완충액은 펌프(Pump) A1과 샘플 완충액, 용출 완충액은 펌프(Pump) B1, 정제 샘플은 샘플(Sample) A1 루프에 담가두었으며, 이어서 설정해놓은 DEAE 컬럼 세척 방법을 이용해 DEAE 컬럼을 평형화(Equilibration)하였다(용출 완충액 5CV, 러닝 완충액 5CV). 이후 설정해놓은 다음과 같은 DEAE 컬럼 방법을 이용해 정제를 수행하였다: ① 평형화(러닝 완충액 1CV), ② 샘플 적용, ③ 컬럼 세척(러닝 완충액 2CV), ④ 컬럼 세척(용출 완충액 2CV). 정제가 끝나면 Pump A1을 이용하여 다음 순서로 DEAE 컬럼을 세척하였다: ① 0.5N NaOH, 5 mL/min, 2CV, ② D.W, 5 mL/min, 전도도(Conductivity)가 안정화 될 때까지, ③ 러닝 완충액, 5 mL/min, pH가 안정화 될 때 까지, ④ 20% 에탄올(EtOH), 5 mL/min, 3CV. 컬럼 세척이 끝나면 모든 루프를 20% 에탄올에 담그고 펌프 세척을 진행한 후 종료하였다. 정제된 분획(fraction)은 SDS-PAGE를 통하여 단백질을 확인한 후 목적하는 분획만을 pooling하여 샘플링하였다. 이후 상기 정제액에 황산암모늄(Ammonium Sulfate, 40%(w/v), 100 ㎖ 기준 22.6g)을 교반하며 천천히 넣어준 뒤, 4℃에서 밤새(24시간) 보관하였다.

다음으로, 상기 방법으로 얻어진 정제액에 대하여 상기 실시예 1-6과 동일하게 한외여과(Ultrafiltration; UF)를 통한 완충액 교체 과정을 진행하여 농축액을 회수한 다음, 하기 방법에 따라 Q-컬럼을 이용한 정제를 진행하였다.

1-8. Q 컬럼을 통한 크로마토그래피 정제

상기에서 수득한 농축액으로부터 Q 컬럼을 이용하여 이온교환 크로마토그래피법으로 독소를 정제하고자 하였다. 이를 위해 먼저 러닝 완충액(Running buffer)으로써 20 mM 인산나트륨(Sodium phosphate)(pH 6.5)과 용출 완충액(Elution buffer)으로써 20 mM 인산나트륨(pH 6.5) 및 1 M 염화나트륨(pH 6.5) 용액을 준비하고 0.22 um 필터를 이용해 여과한 다음 초음파처리 하여 공기를 제거하였다. 다음으로, 고속 단백질 액체 크로마토그래피의 전원을 켜고 러닝 완충액으로 펌프를 세척한 후 러닝 완충액은 펌프(Pump) A1과 샘플 완충액, 용출 완충액은 펌프(Pump) B1, 정제 샘플은 샘플(Sample) A1 루프에 담가두었으며, 이어서 설정해놓은 Q 컬럼 세척 방법을 이용해 Q 컬럼을 평형화(Equilibration)하였다(용출 완충액 5CV, 러닝 완충액 5CV). 이후 설정해놓은 다음과 같은 Q 컬럼 방법을 이용해 정제를 수행하였다: ① 평형화(러닝 완충액 1CV), ② 샘플 적용, ③ 컬럼 세척(러닝 완충액 2CV), ④ 컬럼 세척(용출 완충액 5, 15, 50, 100% 각 2CV). 정제가 끝나면 Pump A1을 이용하여 다음 순서로 Q 컬럼을 세척하였다: ① 0.5N NaOH, 5 mL/min, 2CV, ② D.W, 5 mL/min, 전도도(Conductivity)가 안정화 될 때까지, ③ 러닝 완충액, 5 mL/min, pH가 안정화 될 때 까지, ④ 20% 에탄올(EtOH), 5 mL/min, 3CV. 컬럼 세척이 끝나면 모든 루프를 20% 에탄올에 담그고 펌프 세척을 진행한 후 종료하였다. 정제된 분획은 SDS-PAGE를 통하여 단백질을 확인한 후 목적하는 분획만을 pooling하여 샘플링하였다.

상기 실시예 1-7 및 실시예 1-8에서 DEAE-컬럼 및 Q 컬럼에 적용된 버퍼에 따른 버퍼전도도, 버퍼 교환 전 전도도 및 버퍼 교환 후 전도도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

공정	버퍼 전도도(mS/cm)	버퍼 교환 전 전도도(mS/cm)	버퍼 교환 후 전도도(mS/cm)
DEAE 컬럼	10.747	74.940	11.800
Q 컬럼	2.704	8.105	2.928

실시예 2. 배지 성분 및 컬럼 부피 조건 변경에 따른 효과 비교 (공정 2)

본 발명자들은 상기 실시예 1의 기본 공정으로부터 공정의 일부 단계의 조건들을 변경함으로써 독소의 생산 수율을 높여 최적의 공정을 확립하고자 하였다. 이를 위해, 먼저 상기 공정 1에서 식물성 배지 성분 및 실시예 1-8에서의 Q 컬럼 정제 조건을 변경하여 도 2a에 도시한 공정으로 보툴리눔 독소를 분리한 후 그 결과를 비교하였다.

보다 구체적으로, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 식물성 배지 성분은 소이톤에서 파이톤 펩톤(Phytone peptone)으로 변경하였고, 본 배양 시간은 기본 공정과 동일하게 96시간 동안 진행하거나 72시간 배양하였으며, 정제공정에서 DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 패킹 부피(packing volume)를 30 mL에서 200 mL로 변경하였고, Q-세파로오스 컬럼의 패킹 부피를 30 mL에서 50 mL로 증가시켜 결합능을 증가시키고자 하였다.

	Soytone			Phytone peptone
	1set	2set	3set	1set (공정2)	2set (공정3)	3set (공정3)
배양시간	96 h	96 h	72 h	96 h	96 h	96 h
DEAE vol.	30 mL	30 mL	30 mL	30 mL	200 mL	200 mL
Q vol.	30 mL	30 mL	30 mL	50 mL	50 mL	50 mL

상기 표 2의 각 변경조건을 적용하여, 도 2a의 공정에 따라 보툴리눔 독소 단백질을 분리하였으며, Lot별 단백질 농도, Q 정제 후 단백질 분획의 SDS-PAGE 결과 및 Lot별 독소단백질의 독성을 각각 비교하였다.

그 결과, 도 2b 및 하기 표 3에 나타낸 바와 같이 최종 정제액의 단백질 농도(mg/mL)(검정색 막대)는 soytone 배지에 비하여 phytone peptone 배지를 이용하여 배양한 경우 1/2 정도 낮게 나타났으나, 부피간 차이를 감안한 총 단백질(total mg) 농도(회색 막대)는 phytone peptone 배지를 이용한 경우 더 높게 측정된 것을 확인하였다.

	Soytone			Phytone peptone
	1set	2set	3set	1set (공정2)	2set (공정3)	3set (공정3)
Protein(mg/mL)	0.794	1.094	1.137	0.576	0.568	0.684
Protein(mg)	8.734	8.095	12.507	19.584	11.360	23.940
Pooling vol(mL)	11	7.4	11	34	20	35

또한, Q 컬럼을 이용한 크로마토그래피 정제과정을 실시한 후 수득한 정제액에 대하여 SDS-폴리아크릴아마이드 겔 전기영동(PAGE)을 실시하여 단백질 밴드를 확인한 결과, 도 2c에 나타낸 바와 같이 Phytone peptone 배지에서 배양한 경우에는 Soytone 배지의 결과와 달리 불순물 단백질 밴드(빨간 화살표)들이 나타나지 않는 것을 관찰하였다.

마지막으로, 본 배양 후의 배양상등액과 최종 정제액에 대하여 보툴리눔 독소 단백질의 독성을 측정한 결과, 도 2d 및 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 배양상등액 간의 독성은 모두 비슷한 수준으로 나타났다. 그러나 최종 정제액의 독성은 Soytone 배지에서 배양한 경우 약 2~3배 높게 나타났는데, 이는 Q 정제 후 분획의 pooling 부피가 약 3배정도 증가함에 따른 단백질 농도 감소 때문인 것으로 판단되었다.

	Soytone			Phytone peptone
	1set	2set	3set	1set (공정2)	2set (공정3)	3set (공정3)
배양상등액	3.4*10⁵이상	2.8*10⁵	3.1*10⁵	2.5*10⁵	3.7*10⁵	2.8*10⁵
최종 정제액	8.6*10⁶	1.7*10⁷	1.0*10⁷	6.2*10⁶	4.2*10⁶	5.7*10⁶

상기 실시예 2의 결과들로부터, 종합적으로 식물성 배지 성분을 Soytone에서 최종 Phytone peptone으로 변경하고, 회수율을 증가시키기 위해 Q-세파로오스 컬럼 packing 부피를 30 mL에서 50 mL로 증가시켰다.

실시예 3. 프로타민 황산염 처리 공정 삭제 및 정제 공정 추가에 따른 효과 비교 (공정 3)

본 발명자들은 상기 식물성 배지 성분 및 Q-세파로오스 컬럼 packing 부피 조건을 변경시킨 공정 2로부터 프로타민 황산염을 이용한 핵산 제거과정 및 크로마토그래피 정제 과정 조건을 변경하여 도 3a에 도시된 바와 같은 공정으로 보툴리눔 독소 단백질을 정제한 후 그 효과를 비교하였다.

보다 구체적으로, DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 패킹 부피(packing volume)를 30mL에서 200mL로 변경하고, 프로타민 황산염 처리 전후 핵산 제거율과 및 DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 처리 전후 핵산 제거율을 비교하였다. 이때 하기 표 5의 Lot #1, #2 및 #3은 상기 실시예 2의 표 2 soytone 배지 1set, 2set 및 3set 조건으로 진행하고, 하기 표 5의 Lot #4, #5, #6은 상기 실시예 2의 표 2 phytone peptone 배지 3set를 반복한 조건으로 진행하였으며, 핵산 제거과정의 전후를 비교하기 위해 프로타민 황산염 처리 전후 핵산 제거효율 및 DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 패킹 부피(packing volume)를 30mL에서 200mL로 변경한 다음 DEAE-세파로오스 컬럼 처리 전후의 핵산 제거효율을 측정하였다.

핵산 제거과정	Lot	핵산 제거과정 전 OD260/278 ratio	핵산 제거과정 후 OD260/278 ratio
Protamine sulfate	#1	1.585	1.349
	#2	1.507	1.309
	#3	1.564	1.366
DEAE column work	#4	1.377	0.522
	#5	1.144	0.518
	#6	1.059	0.570

그 결과, 도 3b 및 상기 표 5에 나타낸 바와 같이 핵산 제거과정 전 OD260/278 ratio값보다 핵산 제거과정 후 OD260/278 ratio값이 낮게 나타나, 프로타민 황산염 처리 전후 결과(#1, #2, #3)와 DEAE-세파로오스(sepharose)컬럼 처리 전후 결과(#4, #5, #6)에서 핵산 제거 효과를 나타낸다는 것을 확인하였다. 이는 DEAE-세파로오스(sepharose)컬럼 볼륨을 증가시킴으로써 프로타민 황산염 처리 과정 없이도 핵산 제거가 가능하다는 것을 확인한 결과이다.

또한, 본 발명자들은 이온 교환식 컬럼인 HS-컬럼을 이용한 농축공정을 추가하고, 공정 2의 경우와 농축 결과를 비교하였으며, 그 결과, 도 3c에 나타난 바와 같이 단백질 농도(mg/mL)를 기준으로 Q-컬럼을 사용하는 #1(0.576 mg), #2(0.568 mg), #3(0.684 mg)보다 HS-컬럼을 사용하는 #4(1.062 mg), #5(1.384 mg), #6(1.482 mg)에서 단백질 농도(mg/mL)가 약 2배 높은 것을 확인하였다. 이는 HS-컬럼 정제 추가 시 농축의 정도가 현저히 향상되었음을 보여주는 것이고, 이를 통해 불순물을 확인하는 순도시험 수행이 가능함을 나타낸다.

이에 더하여, HS-컬럼 공정을 추가한 공정 3의 최종 정제를 진행하고 최종 정제액에 대하여 보툴리눔 독소 단백질의 독성을 측정한 결과, 도 3c에 나타낸 바와 같이 Q-컬럼을 사용한 #1, #2, #3보다 HS-컬럼을 사용한 #4, #5, #6의 독성이 더 높게 나타난 것을 확인하였다.

마지막으로, 본 발명자들은 하기 표 6에 나타낸 바와 같이 프로타민 황산염 처리 과정을 통해 핵산을 제거하고 Q-컬럼 정제를 거친 최종 정제액의 핵산 제거효율(#1, #2, #3) 및 공정 3에 따른 DEAE-세파로오스(sepharose)컬럼 처리 과정을 통해 핵산을 제거하고 HS-컬럼 정제를 거친 최종 정제액의 핵산 제거효율(#4, #5, #6)을 비교하였다.

핵산 제거과정	Lot	Final step	Final OD260/278 ratio	average
Protamine sulfate	#1	Q 컬럼 정제 Pooling	0.504	0.490
	#2	Q 컬럼 정제 Pooling	0.488
	#3	Q 컬럼 정제 Pooling	0.477
DEAE column	#4	HS 컬럼 정제 Pooling	0.439	0.454
	#5	HS 컬럼 정제 Pooling	0.445
	#6	HS 컬럼 정제 Pooling	0.479

그 결과, 도 3d 및 상기 표 6에 나타낸 바와 같이 프로타민 황산염 처리를 통해 핵산을 제거하고 Q-컬럼 정제과정을 거친 최종 정제액의 핵산 제거효율(회색 막대)과 DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼을 통해 핵산을 제거하고 HS-컬럼 정제과정을 거친 최종 정제액의 핵산 제거효율(검은색 막대) 결과는 별 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 핵산을 제거하는 단계를 프로타민 황산염이 아닌 DEAE 컬럼으로 선정하고, DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 패킹 부피(packing volume)를 30mL에서 200mL로 변경하여 공정을 진행하였을 때, 공정 2와 최종 산물에서 핵산의 함량에 큰 차이가 없으며 핵산 제거능이 동등함을 확인하였다.

상기 실시예 3의 결과들로부터, DEAE-세파로오스(sepharose) 컬럼 패킹 부피(packing volume)를 30mL에서 200mL로 변경하고, 공정 2에서 프로타민 황산염 처리 과정을 삭제하였으며, 농도가 희석되는 문제점을 해결하기 위해 HS-컬럼을 통한 정제를 공정에 추가하였다.

실시예 4. 크로마토그래피 정제공정 조건 변경에 따른 효과 비교 (공정 4, 최종 공정)

본 발명자들은 상기 실시예 3의 공정 3으로부터 크로마토그래피 공정 조건을 일부 변경하여 도 4a에 도시된 공정에 따라 보툴리눔 독소 단백질을 분리하고 공정 3의 경우와 그 효과를 비교하였다.

보다 구체적으로, 공정 3과 비교할 때 공정 4에서는 Q-세파로오스 컬럼을 이용한 크로마토그래피에서 수지(Resin)에 결합시켜 단백질을 용출하는 방법에서 수지에 결합시키지 않고 플로우 쓰로우(Flow through; FT)로 단백질을 회수하는 방법을 적용하였으며, 또한 Q-세파로오스와 HS-컬럼 공정에 사용되는 완충액을 동일하게 10 mM 구연산나트륨(pH 5.5)로 변경하였다. 추가적으로, DEAE 컬럼을 이용한 정제에서 문제 해결을 위해 상기 실시예 1-6에 기재된 60% 황산암모늄 처리 후 완충액을 교체하는 과정을 기존의 한외여과(Ultrafiltration) 방법 이외에 Dialysis tube를 이용한 방법을 적용해보았다. 상기 변경 조건에 따른 비교군은 하기 표 7에 정리하여 나타내었으며, #4, #5 및 #6은 완충액 교체 과정을 달리한 공정 3의 경우에 해당하며, #7은 변경된 조건을 적용한 공정 4의 경우에 해당한다. 상기 각 변경된 조건에 따른 공정으로 보툴리눔 독소 단백질을 분리한 후, lot별 단백질 농도, 독성, 정제액의 SDS-PAGE 결과 등을 비교하였다.

먼저 최종 정제액의 단백질 농도를 비교분석한 결과, 도 4b 및 하기 표 7에 나타낸 바와 같이 공정 3에 해당하는 #4(7.430 mg), #5(4.844 mg) 및 #6(8.892 mg)과 비교할 때 공정 4에 해당하는 #7(23.100 mg)의 경우 단백질 수율이 약 3배 증가된 것을 확인하였다. 이는 Q-컬럼 정제 시 flow through로 회수하는 조건 및 Q-세파로오스와 HS 컬럼 공정에 사용되는 완충액을 동일한 것으로 변경한 조건에 의해 단백질 수율이 현저히 향상되었음을 보여주는 것이다.

또한, 최종 정제액의 독성을 분석한 결과 도 4c 및 하기 표 7에서 볼 수 있는 바와 같이 공정 차이에 따라 단백질 독성에는 별다른 차이가 나타나지 않았다.

Lot	#4	#5	#6	#7
Protein(mg/mL)	1.062	1.384	1.482	1.540
Pooling vol(mL)	7.0	3.5	6.0	15.0
Protein(mg)	7.430	4.844	8.892	23.100
LD50	8.0*10⁶	1.1*10⁷	6.3*10⁶	7.3*10⁶

이에 더하여, 각각 Q-컬럼 정제 후와 HS-컬럼 정제 후 정제액에 대하여 SDS-PAGE를 실시한 결과, 도 4d에 나타낸 바와 같이 각 경우 모두 불순물 단백질 밴드가 나타나지 않은 것을 확인하였다.

상기 진술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

하기의 단계를 포함하는, 보툴리눔 독소의 제조방법:
(a) 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum)을 동물유래 성분이 없는 배양배지에서 배양하여 보툴리눔 독소를 생성시키는 단계;
(b) 상기 보툴리눔 독소가 생성된 배양액을 산 침전시키는 단계;
(c) 상기 단계 (b)의 보툴리눔 독소가 포함된 침전물에 완충액을 첨가하여 상등액을 수득한 다음, 황산암모늄을 첨가하여 침전 상등액을 수득한 후 한외여과(ultrafiltraion) 하는 단계;
(d) 1차 음이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소 정제물을 수득하는 단계;
(e) 단계 (d)의 정제물에 황산암모늄을 첨가하여 침전 상등액을 수득한 후 한외여과(ultrafiltraion) 하는 단계;
(f) 2차 음이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소 정제물을 수득하는 단계; 및
(g) 양이온교환 크로마토그래피를 실시하여 보툴리눔 독소를 농축하는 단계.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 배양배지는 파이톤 펩톤(Phytone peptone), 효모추출물(yeast extract) 및 포도당(glucose)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 산 침전은 pH 3.0 내지 pH 4.5가 되도록 황산 또는 염산을 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 완충액은 pH 4.5 내지 pH 6.5의 구연산나트륨(Sodium citrate)인 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 황산암모늄 첨가 전에 별도의 핵산제거 과정이 생략된 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 황산암모늄은 40% 내지 80%(w/v)의 농도가 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 1차 음이온교환 크로마토그래피는 다이에틸아미노에틸(diethylaminoethyl; DEAE)-세파로오스(Sepharose) 컬럼을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 DEAE-컬럼 패킹 부피(packing volume)는 150 mL 내지 250 mL인 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 2차 음이온교환 크로마토그래피는 Q-세파로오스(Sepharose) 컬럼을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (f)에서 보툴리눔 독소는 음이온교환 크로마토그래피로부터 용출되는 FT(flow through)를 보툴리눔 독소가 포함된 분획(fraction)으로 수득하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 양이온교환 크로마토그래피는 HS-컬럼을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (d), (f) 및 (g)의 각 크로마토그래피 공정은 동일한 pH 4.5 내지 pH 6.5의 구연산나트륨 완충액을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.