KR20240037468A - 그람 음성균 단백질의 분리를 위한 순차적 전처리 방법 - Google Patents
그람 음성균 단백질의 분리를 위한 순차적 전처리 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 원핵세포, 구체적으로는 그람 음성균 유래 단백질을 용출하는 방법 및 이를 이용한 그람 음성균 유래 단백질의 질량 분석 방법에 관한 것이다. 본 발명은 분석 대상 시료에 삼투 자극과 저급 알코올을 순차적으로 가하는 간단한 공정만으로 박테리아의 세포벽을 단계적으로 파쇄하여 별도의 정제 과정 없이도 고순도의 원형 단백질을 손상 없이 수득할 수 있으며, 특히 단일 시료 만을 이용하여 세포 내 분포 위치와 특성이 다양한 여러 단백질들을 순차적으로 분리할 수 있다. 본 발명은 또한 전처리 과정에서 카오트로픽제, 계면활정제, 초음파 등의 박테리아 파쇄 수단을 전혀 사용하지 않아 질량분석 스펙트럼에서의 노이즈 발생 없이 높은 민감도로 검출 대상 단백질에 대한 정확한 질량 정보를 제공할 수 있으며, 특히 소수성 단백질, 구체적으로는 번역 후 변형 과정에서 지방산의 부착에 의해 소수성을 띄는 막-고정 단백질의 분리에 특히 유용하게 적용될 수 있다.
Description
본 발명은 삼투압 자극과 저급 알코올 첨가를 순차적으로 적용함으로써 원핵생물, 구체적으로는 그람 음성균 유래의 원형 단백질을 효율적으로 분리하는 방법에 관한 것으로, 특히 그람 음성균 유래 소수성 단백질을 효율적으로 분석할 수 있다.
시료 내에 존재하는 특정 병원균을 신속하고 정확하게 검출 및 동정하는 것은 감염자의 조기 격리나 병원균의 특성에 따른 치료 전략의 조기 수립 측면에 있어서 중요한 과제이다. 이에, 병원균에 대한 신뢰도 높은 바이오마커의 발굴 뿐 아니라 발굴된 바이오마커, 즉 병원균 특이적인 유전자 또는 단백질의 신속하고 정확한 검출을 위한 최적의 분석 프로토콜의 수립은 궁극적으로 고감염성 병원균에 의한 사회적, 경제적 손실을 최소화시킬 수 있는 중요한 수단이 된다. 현재 바이러스나 미생물을 검출하기 위해 널리 사용되는 ELISA 등의 면역학적 분석 방법이나 실시간 PCR과 같은 유전자 증폭 방법은 항체와의 반응시간, 유전자 추출 및 증폭 과정을 비롯한 복잡한 공정이 요구되며, 고비용의 시료 전처리 과정을 거쳐야 하고, 타겟 단백질을 특이적으로 인식하는 고가의 항체 또는 타겟 유전자의 염기서열에 대한 사전정보가 필수적이라는 점 등 신속, 정확한 대량 진단에 적용하기에는 한계를 가지고 있다.
한편, MALDI-TOF를 비롯한 질량 분석법은 면역학적 분석 또는 PCR 등에 의한 서열분석 방법에 비하여 낮은 비용으로 높은 효율의 동정 시스템으로서 이용될 될 수 있는데, 균주 배양 후 시료 처리에서 동정까지 10분 이내에 가능할 뿐 아니라, 미지의 균주에 질량분석 데이터를 통해 구축한 데이터베이스내의 질량 데이터와 비교하여 질량값이 일치되는 균주를 신속하게 동정할 수 있다.
그러나, 질량 분석을 통해 시료 내 균주를 검출하기 위해서는 균주의 세포벽 내에 존재하는 마커 단백질을 배양 환경 밖으로 노출시키는 과정에 필수적이다. 기존의 미생물 단백질 추출 방법으로는 수소결합을 억제하는 카오트로픽제(chaotropic agent) 또는 계면활성제를 사용하거나, 또는 초음파를 가하여 미생물을 파쇄시키는 방법이 주로 사용되었다. 이러한 방법은 질량 분석기의 감도에 영향을 주며, 질량분석 스펙트럼 상에서 많은 노이즈를 발생시키기 때문에 분석 전 별도의 정제 과정이 필수적이었다. 따라서, 마커 단백질의 질량분석에 기반한 병원성 균주의 신속하고 정확한 검출을 위해, 전처리 과정이 최소화되면서도 분석 결과를 왜곡시키지 않는 보다 효율적인 분석 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
본 발명자들은 병원성 박테리아를 비롯한 다양한 원핵생물을 간단한 공정으로 용해시킴으로서 외부로 노출된 원핵생물 유래 단백질을 원형(intact) 그대로 수득할 수 있는 효율적인 단백질 용출 방법을 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 원핵생물이 포함된 시료에 삼투 자극을 가한 후 순차적으로 저급 알코올을 첨가하는 간단한 공정만으로 원핵생물의 세포벽을 용이하게 파쇄하면서도 물리적, 화학적, 효소적 손상 없이 목적 단백질을 수득할 수 있을 뿐 아니라 단일 시료 만을 이용하여 세포 내 목적 단백질의 위치와 특성에 따라 각 분획별로 다양한 단백질이 분리될 수 있음을 발견함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 원핵세포의 단백질 용출 방법 및 이를 이용한 원핵세포의 단백질 검출 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 원핵세포(prokaryote) 단백질의 용출 방법을 제공한다:
(a) 원핵세포를 포함하는 생물학적 시료에 고장액(hypertonic solution) 또는 저장액(hypotonic solution)을 첨가하는 단계; 및
(b) 상기 고장액 또는 저장액이 첨가된 시료에 C1-C4 알코올을 첨가하는 단계.
본 발명자들은 병원성 박테리아를 비롯한 다양한 원핵생물을 간단한 공정으로 용해시킴으로서 외부로 노출된 원핵생물 유래 단백질을 원형(intact) 그대로 수득할 수 있는 효율적인 단백질 용출 방법을 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 원핵생물이 포함된 시료에 삼투 자극을 가한 후 순차적으로 저급 알코올을 첨가하는 간단한 공정을 통해 원핵생물의 세포벽을 용이하게 파쇄하면서도 물리적, 화학적, 효소적 손상 없이 목적 단백질을 수득할 수 있을 뿐 아니라 단일 시료 만을 이용하여 세포 내 목적 단백질의 위치와 특성에 따라 각 분획별로 다양한 단백질이 분리될 수 있음을 발견함으로써, 진단 또는 시료 내 균체 분석 등의 다양한 목적을 위한 원핵세포 단백질 검출에 유용하게 적용될 수 있음을 발견하였다.
본 명세서에서 용어“원핵세포”는 핵막으로 둘러싸인 구분되는 핵을 가지지 않는 세포성 유기체를 의미한다. 원핵세포는 외형에 따라 막대기 모양의 간균(bacillus), 구형의 구균(coccus), 나선형의 나선균(spirillium)의 세 종류로 분류되며, 외막, 내막 또는 세포질막, 핵영역, 리보솜, 저장과립체, 블루틴 등으로 구성된다. 외막(outer membrane)은 외부 환경 속에서 세포가 원형을 보존할 수 있도록 지지하는 역할을 하고, 내막(inner membrane) 또는 세포질 막은 외부로부터 세포가 필요로 하는 이온이나 양분을 선택적으로 수송하고 또한 그 수송 속도를 조절하기 때문에 구조적 유실이 발생하면 세포 용혈(cell lysis)이 일어난다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 상기 원핵세포는 그람 음성 박테리아이다. 본 명세서에서 용어“그람 음성 박테리아(Gram-negative bacteria)”는 그람 염색 시 붉은 색으로 염색되며, 색소 및 계면활성제에 대한 강한 내성을 가지는 박테리아를 의미한다. 본 발명의 방법이 적용되는 그람 음성 박테리아는 예를 들어 대장균(Escherichia coli), 시트로박터 코세리(Citrobacter koseri), 엔테로박터 애로진스(Enterobacter aerogenes), 에스케리키아 알버티(Escherichia albertii), 에스케리키아 블라태(Escherichia blattae), 에스케리키아 페르구소니(Escherichia fergusonii), 에스케리키아 헤르마니(Escherichia hermannii), 에스케리키아 불네리스(Escherichia vulneris), 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii), 아시네토박터 주니(Acinetobacter junii), 아시네토박터 보이시에리(Acinetobacter boissieri), 아시네토박터 칼코아세티쿠스(Acinetobacter calcoaceticus), 아시네토박터 해모리티쿠스(Acinetobacter haemolyticus), 아시네토박터 노소코미알리스(Acinetobacter nosocomialis), 아시네토박터 쉰들레리(Acinetobacter schindleri), 아시네토박터 유르신기(Acinetobacter ursingii), 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 폐렴구균(Streptococcus pneumoniae), 임질균(Neisseria gonorrhoeae), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 살모넬라 티피무리움(Samonella typhimurium), 클로스트리듐 디피실리(Clostridium difficile), 쉬겔라(Shigella), 예르시니아 페스티스(Yersinia pestis), 헤모필루스(Haemophilus), 브루셀라(Brucella), 레지오넬라(Legionella), 버크홀데리아 세파시아(Burkholderia cepacia), 비브리오균(Vibrio) 및 스테노프로포모나스 말토필리아(Stenotrophomonas maltophilia)를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 "단백질"은 펩타이드 결합에 의해 아미노산 잔기들이 서로 결합되어 형성된 선형의 분자를 의미한다. 본 발명에서 용출하고자 하는 단백질은 원핵생물의 세포 내에 포함된 단백질로서 시료 내의 원핵세포의 유무(즉, 감염 여부의 진단); 이의 종류; 또는 이의 항생제 내성을 비롯한 표현형을 동정할 수 있는 생물학적인 표지자가 되는 단백질일 수 있다.
본 명세서에서 용어“진단”은 특정 질환에 대한 개체의 감수성(susceptibility)의 판정, 특정 질환을 현재 개체가 가지고 있는 지 여부의 판정, 및 특정 질환에 걸린 한 객체의 예후(prognosis)의 판정을 포함한다. 본 발명의 취지 상 본 명세서에서 용어“진단”은 주로“병원균 감염 여부의 판정”을 의미한다.
본 명세서에서“항생제에 대한 내성을 가진다”고 함은 특정 병원성 미생물에 대한 항생제가 고농도로, 또는 유효량으로 존재하는 환경 내에서도 해당 미생물이 생육 가능한 경우를 의미한다. 항생제 내성 여부는 병원성 미생물이 분비하는단백질로서 해당 항생제를 분해하여 그 활성을 제거하거나 저하시키는 분해 효소의 존재를 검출함으로써 판별할 수 있다. 예를 들어, 세균의 세포벽 합성을 억제하는 베타-락탐계 항생제인 페니실린, 세팔로스포린, 모노박탐, 카바페넴 등은 베타-락타마제(β-lactamase)에 의해 무력화되어 이를 발현하는 병원균을 억제하지 못한다. 이에, 이들 단백질의 검출 여부에 따라 해당 미생물의 항생제 내성 여부를 판정할 수 있다. 따라서, 용어“내성”은“저항성” 또는“낮은 치료적 반응성”과 동일한 의미로 사용된다.
본 명세서에서 용어“단백질 용출”은 생물학적 시료에 포함된 원핵세포 내 단백질을 세포벽 밖의 외부 환경으로 추출하는 과정을 의미한다. 따라서 용어 단백질의“용출”은 단백질의“추출”및 단백질의“분리”와 동일한 의미로 사용된다. 단백질의 용출은 필연적으로 대상 원핵세포의 파쇄를 수반한다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명은 삼투 자극(고장액 또는 저장액 첨가) 단계와 저급 알코올 첨가 단계의 조합을 통해 원핵세포의 세포 간극 단백질과 세포질 단백질을 모두 용출될 수 있다. 본 명세서에서 용어“세포 간극 단백질(periplasmic protein)”은 원핵세포의 외막(outer membrane)과 내막(inner membrane) 사이의 세포 간극(periplasmic space)에 존재하는 모든 단백질을 총칭하는 의미이다. 본 명세서에서 용어“세포질 단백질(cytosolic protein)”은 세포막 안쪽에 위치하는 단백질 및 세포질 방향에서 세포막(inner membrane)과 결합하고 있는 단백질을 포함하여, 공간적으로 세포질 내에 분포하는 모든 단백질을 총칭하는 의미이다. 본 발명자들은 내막과 외막의 이중막 구조로 이루어진 원핵세포에 대해 계면활성제나 초음파 자극을 통한 총체적인 세포막 용해가 아닌, 최소한의 삼투자극만으로도 세포 간극에 존재하는 단백질 뿐 아니라 세포질에 분포하는 단백질을 용이하게 분리할 수 있음을 확인하였다. 아울러, 삼투 자극 후 저급 알코올의 순차적 적용을 통해 N-말단에 소수성 지방산을 포함하여 막의 지질 이중층과 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)을 통해 결합하는 막-고정 단백질(membrane- anchored protein)을 원형 그대로 손상 없이 용출할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 방법은 원핵세포 내 목적 단백질의 분포와 무관하게 다양한 단백질을 효율적으로 순차 분리해낼 수 있어, 시료 내 원핵세포의 검출 및 동정을 보다 높은 정확도로 수행할 수 있다.
본 발명에서 용어“생물학적 시료”는 표적 단백질 또는 이를 발현하는 세포, 미생물, 이들의 배양액 등을 포함할 가능성이 있는 여하한 물질로서 생체로부터 분리된 시료(혈액, 혈장, 뇨, 타액, 조직, 기관 등), 환경(예를 들어, 물, 대기, 토양 등)으로부터 채취한 물질 또는 인위적으로 혼합된 시료 등을 총칭하는 의미로 사용된다.
본 발명에 따르면, 본 발명자들은 원핵세포가 포함된 시료에 고장액 또는 저장액을 첨가하여 삼투 자극을 가할 경우, 삼투 용해(osmotic lysis)에 의해 원핵세포의 세포벽이 효율적으로 용해되면서 손상되지 않은 원핵세포 유래 단백질을 온전하게 수득할 수 있음을 발견하였다.
명세서에서 용어“삼투 용해”는 세포에 고장액(hypertonic solution) 또는 저장액(hypotonic solution)을 가하여 야기된 삼투 불균형을 통해 과량의 물이 세포 외부로 유출되거나 또는 내부로 확산되도록 함으로써 세포를 용해시키는 과정을 의미한다. 고장액은 세포 용해에 충분한 정도의 물이 유출될 수 있을 만큼 세포 또는 이의 배양액과 농도 차이를 가지는 고농도 용액이라면 다양한 용질의 용액이 제한 없이 사용될 수 있다. 저장액은 세포 용해에 충분한 정도의 물이 유입될 수 있을 만큼 세포 또는 이의 배양액과 농도 차이를 가지는 저농도 용액이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 증류수가 사용될 수 있다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 상기 단계 (a)는 상기 생물학적 시료에 고장액을 첨가함으로써 수행된다.
보다 구체적으로는, 상기 고장액은 글루코스(Glucose), 수크로오스(Sucrose)나, 만니톨(Mannitol), 트레할로오스(trehalose), 솔비톨(sorbitol), 염화칼륨(KCl) 및 염화나트륨(NaCl)으로 구성된 군으로부터 선택되는 용질을 포함한다.
보다 구체적으로는, 상기 고장액은 100 mM - 1000 mM의 염화나트륨(NaCl) 용액이며, 보다 더 구체적으로는 200 mM - 800 mM의 염화나트륨 용액이고, 보다 더 구체적으로는 400 mM - 600 mM의 염화나트륨 용액이며, 가장 구체적으로는 약 500 mM 의 염화나트륨 용액이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 방법은 고장액을 이용한 삼투 자극 후 연속적으로 비이온성 유기용매, 구체적으로 탄소수 4 이하의 저급 알코올을 첨가하여 박테리아의 세포벽을 단계적으로 파쇄한다. 이러한 낮은 강도의 연속적인 자극을 통해 목적 단백질이 손상되거나 질량분석에서의 왜곡 없이 세포벽이 효율적으로 용해될 수 있으며, 이를 통해 세포간극 단백질; 세포질 단백질; 및 소수성 지방산을 포함하는 막-고정 단백질을 모두 용출할 수 있다.
이러한 연속적인 전처리에 의한 단백질 용출은 각 단계가 종료된 시점에 세포 내 위치에 따라 해당 단계에서 특이적으로 분리되는 단백질에 대해 개별적으로 이루어질 수 있는데, 예를 들어 삼투자극을 가한 시료로부터 세포간극 단백질 및 세포질 단백질을 분리한 뒤, 남은 시료에 대해 저급 알코올을 첨가함으로써 막-고정 단백질을 분리해낼 수 있다.
본 발명의 방법은 예를 들어 고장액을 이용한 삼투 자극 후 원심분리를 통해 상층액을 제거하고 남겨진 세포 펠렛에 저급 알코올을 첨가함으로서 이루어질 수 있다. 필요에 따라 상기 세포 펠렛에 증류수 등을 처리하여 재부유시킨 뒤 추가적인 원심분리를 수행함으로서 세포 단백질의 순도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 알코올은 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올 및 2-부탄올로 구성된 군으로부터 선택되며, 보다 구체적으로는 1-프로판올이다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 유기용매는 1-프로판올이다. 보다 구체적으로는 30-70 v/v%의 1-프로판올이며, 보다 더 구체적으로는 40 - 60 v/v%의 1-프로판올이고, 가장 구체적으로는 약 50 v/v%의 1-프로판올이다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 본 발명의 방법은 상기 단계 (a) 및 단계 (b) 사이에 무기산 또는 유기산을 첨가하는 단계를 추가적으로 포함한다.
본 발명의 방법은 삼투 자극 단계와 저급 알코올 첨가 단계 사이에 산을 첨가하는 단계가 추가됨으로써, 단백질의 용출 효율을 더욱 개선할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 무기산은 염산(HCl) 및 인산(H3PO4)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상이다. 보다 구체적으로는, 상기 무기산은 0.006-0.084N의 염산 또는 0.05-1%의 인산이며, 보다 더 구체적으로는 0.012-0.06N의 염산 또는 0.1-1%의 인산이다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 유기산은 하기 화학식 1로 표시되는 유기산이다:
화학식 1
상기 화학식에서, R1은 수소 또는 (R2 내지 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐)이다.
보다 구체적으로는, 상기 할로겐은 F 또는 Cl이다.
보다 더 구체적으로는, 상기 R1은 수소, 트리클로로메틸 또는 트리플루오로메틸이다.
보다 구체적으로는, 상기 유기산 중 R1이 수소일 때, 1.5 - 4.5%의 농도로 첨가되고, 상기 유기산 중 R1이 메틸기일 때(즉 R2 내지 R4가 수소일 때) 2.5 - 4.5%의 농도로 첨가되며, 상기 유기산 중 R1이 트리클로로메틸(즉 R2 내지 R4가 Cl일 때) 1.5 - 4.5%의 농도로 첨가되고, 상기 유기산 중 R1이 트리플루오로메틸(즉 R2 내지 R4가 F일 때) 1.5 - 4.5%의 농도로 첨가된다.
본 발명의 다른 양테에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 생물학적 시료 내 원핵세포(prokaryote)의 단백질 검출 방법을 제공한다:
(a) 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 원핵세포의 단백질을 용출하는 단계; 및
(b) 상기 용출된 단백질에 대해 질량분석을 수행하는 단계.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 상기 단계 (b)는 MALDI-TOF(Matrix-Assisted Laser Desorption/ Ionization Time of Flight) 질량분석, SELDI-TOF(Sulface Enhanced Laser Desorption/Ionization Time of Flight) 질량분석, ESI-TOF(Electrospray ionisation time-of-flight) 질량분석, 액상 크로마토그래피-질량분석(liquid chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS) 및 LC-MS/MS(liquid chromatography-Mass Spectrometry/ Mass Spectrometry)로 구성된 군으로부터 선택되는 질량분석 방법을 이용하여 이루어진다.
보다 구체적으로는, 상기 단계 (b)는 MALDI-TOF(Matrix Desorption/ Ionization Time of Flight) 질량분석을 이용하여 이루어진다.
MALDI-TOF 질량분석은 매트릭스(matrix)로 지지되어 있는 시료에 레이저를 조사하여 탈착 및 이온화시킨 후, 생성된 이온들이 검출기에 도달하는데 소요되는 시간(Time-of-Flight)을 측정하여 이온들의 분자량을 분석하는 방법으로, 타겟 물질의 절편화(fragmentation)가 일어나지 않기 때문에 단백질과 같은 거대 생체분자의 질량을 신속하고 정확하게 측정할 수 있다. 이온화된 분자가 전기장에 의해 가속되고 비행시간이 측정되면 질량 대 전하 비율(mass-to-charge ratio)(m/z)이 생성되는데, 이러한 m/z 값을 통해 타겟 물질의 분자량을 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 삼투압 자극과 저급 알코올 투여를 순차적으로 적용하거나 또는 이들 단계 사이에 유기산 또는 무기산 투여를 추가적으로 적용하는 본 발명의 단백질 용출방법은 최종 배경(background) 산물이 질량분석 시 스펙트럼에 영향을 줄 수 있는 염(salt)이 포함되어 있지 않기 때문에 별도의 탈염(desalting) 과정 없이 바로 분석에 사용할 수 있으며, 박테리아의 파쇄 방법으로서 종래에 사용되어온 초음파, 계면활성제, 우레아 및 OG 처리 방법 등에 비하여 그람 음성균의 세포 간극(periplasmic space) 단백질 또는 막-결합 단백질(membrane-associated protein)의 질량 분석에 특히 현저히 우수한 신뢰도와 민감성을 보임을 확인하였다.
본 발명의 구체적인 구현예에 따르면, 상기 용출된 단백질이 친수성 단백질인 경우 상기 MALDI-TOF 질량분석은 시나핀산(Sinapic acid)이 포함된 기질(matrix)을 사용하여 수행되며, 상기 용출된 단백질이 소수성 단백질인 경우 상기 MALDI-TOF 질량분석은 CHCA(alpha-cyano-4-hydroxy-cinnamic acid)가 포함된 기질을 사용하여 수행된다. 보다 구체적으로는, 용출된 단백질이 소수성 단백질인 경우 상기 기질은 시나핀산, DHB(2,5-dihydroxylbenzoic acid) 또는 이들의 조합을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 명세서에서 용어“친수성 단백질”은 일정 비율 이상의 극성 아미노산 잔기를 포함함으로서 분자 전체로서 수용성을 띄는 단백질을 의미한다. 본 발명에 따르면, 분석 대상의 원핵세포 단백질이 친수성 단백질일 경우 시나핀산을 유효성분으로 포함하는 기질(matrix)을 MALDI 플레이트 상에 스포팅하여 건조시키는 연속(sequential) 점적법을 적용할 수 있다.
본 명세서에서 용어“소수성 단백질”은 지방족(aliphatic) 사슬을 포함하는 비극성(non-polar), 소수성(hydrophobic) 아미노산 잔기를 일정 비율 이상 포함함으로서 분자 전체로서 또는 전체 단백질의 일부 도메인이 불용성을 띄는 단백질을 의미한다. 보다 구체적으로는 단백질의 번역 후 변형(Post-Translational Modification) 과정에서 팔미트산 등의 지방산이 시스테인, 세린, 트레오닌, 글라이신, 라이신 잔기 또는 N-말단에 부착됨으로써 분자 전체적으로 소수성을 띄게 된 단백질을 의미하며, 예를 들어 NDM-1(New Delhi metallo-beta-lactamase 1, Outer membrane protein assembly factor BamE, osmB(Osmotically-inducible lipoprotein B), ecnA(Entericidin A), ecnB(Entericidin B), Lipoprotein NlpI, Outer membrane protein assembly factor BamB, α2M(Alpha-2-macroglobulin) 및 Hemolysin을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. N-말단에 지방산이 부착된 소수성 단백질은 막(membrane)의 지질 이중층과 소수성 상호작용을 통해 결합할 수 있는데, 본 명세서에서 이러한 단백질을“막-고정 단백질(membrane-anchored protein)”이라고 지칭함은 상술한 바와 같다.
본 발명에 따르면, 분석 대상의 원핵세포 단백질이 소수성 단백질일 경우 CHCA를 유효성분으로 포함하는 기질을 MALDI 플레이트 상에 스포팅하여 건조시키고, 유기용매 용해법을 통해 수득한 상층액을 다시 MALDI 플레이트 상에 스포팅하여 건조한 뒤, 동일한 기질을 한번 더 스포팅하여 건조시키는 샌드위치 점적법을 사용할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 원핵세포, 구체적으로는 그람 음성균 유래 단백질을 용출하는 방법 및 이를 이용한 그람 음성균 유래 단백질의 질량 분석 방법을 제공한다.
(b) 본 발명은 분석 대상 시료에 삼투 자극과 저급 알코올을 순차적으로 가하는 간단한 공정만으로 박테리아의 세포벽을 단계적으로 파쇄하여 별도의 정제 과정 없이도 고순도의 원형 단백질을 손상 없이 수득할 수 있으며, 특히 단일 시료 만을 이용하여 세포 내 분포 위치와 특성이 다양한 여러 단백질들을 순차적으로 분리할 수 있다.
(c) 본 발명은 전처리 과정에서 카오트로픽제, 계면활정제, 초음파 등의 박테리아 파쇄 수단을 전혀 사용하지 않아 질량분석 스펙트럼에서의 노이즈 발생 없이 높은 민감도로 검출 대상 단백질에 대한 정확한 질량 정보를 제공할 수 있으며, 특히 소수성 단백질, 구체적으로는 번역 후 변형 과정에서 지방산의 부착에 의해 소수성을 띄는 막-고정 단백질의 분리에 특히 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 유기산 및 무기산을 이용하여 OXA-48 단백질을 용출한 결과를 SDS-PAGE 분석을 통해 나타낸 그림으로, 각각 아세트산, 포름산, 염산(도 1a) 및 인산, 트리플루오로아세트산, 트리클로로아세트산(도 1b)를 전처리한 결과이다.
도 2는 삼투압 자극과 저급 알코올 첨가의 순차적 2 단계 전처리를 통해 세포를 용해시킨 결과 KPC-2 및 NDM-1 단백질(도 2a), CTX-M-1 및 OXA-48 단백질(도 2b), VIM-1, IMP-6 및 GES-5 단백질(도 2c)의 용출 정도를 각각 SDS-PAGE 분석을 통해 비교한 결과이다.
도 3은 삼투압 자극; 무기산(HCl) 첨가; 및 저급 알코올 첨가의 순차적 3 단계 전처리를 통해 세포를 용해시킨 결과 KPC-2 및 NDM-1 단백질(도 3a), CTX-M-1 및 OXA-48 단백질(도 3b), VIM-1, IMP-6 및 GES-5 단백질(도 3c)의 용출 정도를 SDS-PAGE 분석을 통해 비교한 결과이다.
도 4는 삼투압 자극을 통해 세포를 용해시킨 결과 추출된 KPC-2, CTX-M-1, GES-5 단백질(도 4a) 및 IMP-6, VIM-1 단백질(도 4b)의 MALDI-TOF 분석 결과를 보여주는 그림이다.
도 5는 유기산 또는 무기산 용해로 추출된 OXA-48 단백질에 대한 MALDI-TOF 분석 결과를 보여주는 그림으로, 각각 포름산(도 5a), 염산(도 5b), 인산(도 5c), 아세트산(도 5d), 트리플루오로아세트산(도 5e), 트리클로로아세트산(도 5f)를 이용한 결과를 나타낸다.
도 6a-6b는 1-프로판올로 추출된 NDM-1 단백질(도 6a)과 삼투압 자극으로 추출된 KPC-2 단백질(도 6b)의 MALDI-TOF 분석 결과를 보여주는 그림이다. 도 6c는 소수성 막-고정 단백질인 NDM-1의 검출을 위해 CHCA가 포함된 기질을 사용할 경우 신호 강도가 크기 증가함을 보여주는 그림이다.
도 7은 순차적 3 단계 전처리를 통해 분획이 나누어진 KPC-2(도 7a), NDM-1(도 7b), CTX-M-1(도 7c), OXA-48(도 7d), VIM-1(도 7e), IMP-6(도 7f), GES-5(도 7g) 단백질을 각각 Thermo Q-Exactive HF-X 질량분석 시스템으로 분석한 결과를 보여주는 그림이다.
도 2는 삼투압 자극과 저급 알코올 첨가의 순차적 2 단계 전처리를 통해 세포를 용해시킨 결과 KPC-2 및 NDM-1 단백질(도 2a), CTX-M-1 및 OXA-48 단백질(도 2b), VIM-1, IMP-6 및 GES-5 단백질(도 2c)의 용출 정도를 각각 SDS-PAGE 분석을 통해 비교한 결과이다.
도 3은 삼투압 자극; 무기산(HCl) 첨가; 및 저급 알코올 첨가의 순차적 3 단계 전처리를 통해 세포를 용해시킨 결과 KPC-2 및 NDM-1 단백질(도 3a), CTX-M-1 및 OXA-48 단백질(도 3b), VIM-1, IMP-6 및 GES-5 단백질(도 3c)의 용출 정도를 SDS-PAGE 분석을 통해 비교한 결과이다.
도 4는 삼투압 자극을 통해 세포를 용해시킨 결과 추출된 KPC-2, CTX-M-1, GES-5 단백질(도 4a) 및 IMP-6, VIM-1 단백질(도 4b)의 MALDI-TOF 분석 결과를 보여주는 그림이다.
도 5는 유기산 또는 무기산 용해로 추출된 OXA-48 단백질에 대한 MALDI-TOF 분석 결과를 보여주는 그림으로, 각각 포름산(도 5a), 염산(도 5b), 인산(도 5c), 아세트산(도 5d), 트리플루오로아세트산(도 5e), 트리클로로아세트산(도 5f)를 이용한 결과를 나타낸다.
도 6a-6b는 1-프로판올로 추출된 NDM-1 단백질(도 6a)과 삼투압 자극으로 추출된 KPC-2 단백질(도 6b)의 MALDI-TOF 분석 결과를 보여주는 그림이다. 도 6c는 소수성 막-고정 단백질인 NDM-1의 검출을 위해 CHCA가 포함된 기질을 사용할 경우 신호 강도가 크기 증가함을 보여주는 그림이다.
도 7은 순차적 3 단계 전처리를 통해 분획이 나누어진 KPC-2(도 7a), NDM-1(도 7b), CTX-M-1(도 7c), OXA-48(도 7d), VIM-1(도 7e), IMP-6(도 7f), GES-5(도 7g) 단백질을 각각 Thermo Q-Exactive HF-X 질량분석 시스템으로 분석한 결과를 보여주는 그림이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1: 발현 단백질 용출을 위한 전처리
세포 배양
KPC-2, CTXM-1, GES-5, VIM-1, IMP-6, OXA-48 및 NDM-1 유전자가 삽입된 플라스미드로 형질전환한 대장균을 50μg/ml 암피실린 항생제 포함 Luria-bertani 액체배지에 접종하고, 37℃에서 16시간 이상 배양하였다.
순차적 세포 용해
1 단계 : 삼투압 농도 구배를 이용한 시료 전처리
시료 전처리를 위해 7종 균주 배양액을 14,000g에서 10분 동안 원심분리하고, 상층액을 제거하여 세포를 수확하였다. 수확된 세포에 고장액(500mM NaCl, 25 mM Tris-HCl, pH8.0)을 첨가하여 재부유(resuspension)시켰다. 현탁액은 상온에서 10분 동안 반응시켰으며, 이후 4℃에서 14,000g로 10분 동안 원심분리하여 상층액을 제거하였다. 남겨진 세포에 3차 증류수를 처리하여 재부유시킨 후 상온에서 10분간 반응시켰다. 이후 4℃에서 14,000g로 10분 동안 원심분리하여 상층액을 보관하였다. 남겨진 세포는 하기의 2단계 방법에서 사용하였다.
2 단계 : 유기산 및 무기산을 이용한 시료 전처리
1 단계에서 남겨진 세포에 0.5 - 4.5% 포름산, 0.006-0.084N 염산 또는 0.05-1% 인산을 처리하여 재부유시킨 후 상온에서 10분간 반응시켰다. 이후 4℃에서 14,000g로 10분 동안 원심분리하여 상층액을 보관하였다. 남겨진 세포는 하기의 3 단계 방법에서 사용하였다.
나아가, 추가적인 유기산으로서 아세트산, 트리클로로아세트산 및 트리플루오로아세트산을 OXA-48이 발현된 균주에 동일한 방법으로 전처리 실험을 진행하여, 용출되어 나온 단백질들을 확인하였다. 그 결과, 유기산 중 포름산, 무기산 중 염산, 인산이 용출효과가 가장 우수하였으며, 다양하게 적용된 농도 중 포름산 1.5 - 4.5%, 염산 0.012 - 0.06N, 인산 0.1 - 1%, 아세트산 2.5 - 4.5% 조건이 높은 용출 효율을 보임을 확인하였다(도 1).
3 단계 : 유기용매를 이용한 시료 전처리
2 단계에서 남겨진 세포에 50%의 1-프로판올을 처리하여 재부유시킨 후 상온에서 10분간 반응시켰다. 이후 4℃에서 14,000g로 10분 동안 원심분리하여 상층액을 보관하였다.
실시예 2: 질량 분석법을 이용한 분획이 나누어진 타겟 단백질의 확인
저분해능 질량분석기를 이용한 원형 단백질 분석
Bruker Biotyper SmartLT MALDI-TOF MS 장비를 활용하여 KPC-2, CTXM-1, GES-5, VIM-1, IMP-6, OXA-48 및 NDM-1 단백질의 질량분석 스펙트럼을 얻었다. KPC-2, CTX-M-1, GES-5, VIM-1, IMP-6 단백질의 경우 삼투압 용해법에서 얻어진 상층액 1μl를 MALDI 플레이트 위에 스포팅(spotting)하여 말린 후, 기질인 SA (20mg/mL in 0.1% TFA/50% 아세토니트릴) 1μl를 스포팅하여 덮어준 뒤 완전히 건조시켜(순차적 점적법) MALDI-TOF 분석을 실시하였다(도 4).
OXA-48 단백질은 유기산(포름산, 인산, 염산, 아세트산) 용해법에서 얻어진 상층액 1μl를 MALDI 플레이트 위에 스포팅하여 말린 후, 기질인 SA(20mg/mL in 0.1% TFA/50% 아세토니트릴) 1μl를 스포팅하여 덮어준 뒤 완전히 건조시켜 MALDI-TOF 분석을 실시하였다(도 5).
N-말단에 소수성 지방산을 포함하고 있는 NDM-1 단백질의 경우 CHCA (10mg/mL in 0.1% TFA/50% 아세토니트릴) 또는 CHCA가 포함된 기질의 조합 (CHCA+DHB 또는 CHCA+SA 또는 CHCA+DHB+SA) 1μl를 MALDI 플레이트 위에 스포팅하여 말린 후, 유기용매 용해법에서 얻어진 상층액 1μl를 MALDI 플레이트 위에 스포팅하여 말린 뒤, 동일한 Matrix 1μl를 한번 더 스포팅하여 건조시켰다(샌드위치 점적법). 잘 건조된 시료를 이용하여 MALDI-TOF 분석을 실시하였다(도 6).
고분해능 질량분석기를 이용한 타겟 단백질의 확인
순차적 세포용해 전처리로 분획이 나누어진 각각의 단백질을 Thermo Q Exactive HF-X 질량분석기 시스템을 사용하여 동정하였다. SDS-PAGE로 확인된 타겟 단백질은 In-gel digestion을 통해 질량분석을 위한 시료 전처리를 수행하였으며, nano-drop 정량분석기기를 이용하여 205nm 파장에서 펩타이드의 농도를 측정하였다.
In-gel digestion
SDS-PAGE gel에서 타겟 단백질 크기에 해당하는 분획의 밴드부분을 확보하고, 염색되어 있는 gel을 탈색하였다. 탈색된 gel은 환원 및 알킬화 과정을 거친 후 트립신 효소를 사용하여 단백질을 절단하였다. 절단된 펩타이드를 회수하고 C18 팁을 사용하여 탈염하였다.
Q-Exactive HF-X 질량분석
탈염된 시료를 0.1% 포름산 용액으로 용해시킨 후, 20ng의 시료를 컬럼에 주입하였다. C18 컬럼(75μm x 31cm)과 나노유속 액상 크로마토그래피를 이용하여 펩타이드 시료를 분리하였으며, 이때 사용한 시료의 로딩 및 분리용 구배 조건은 다음과 같다:
- 완충액 A : 물에 용해된 0.1% 포름산; 완충액B : 아세토니트릴에 용해된 0.1% 포름산.
- 시료로딩 : 0-5분, 5% (B), 유속 : 5uL/min
- 분리 구배 : 5 - 41분, 5%에서 40%(B), 유속 350nL/min
41 - 41.5분, 40% - 80%(B), 유속 350nL/min
41.5 - 42.5분, 80%(B), 유속 350nL/min
42.5 - 43분, 80%에서 5%(B), 유속 350nL/min
40 - 60분, 5%(B), 유속 350nL/min
이때 사용된 질량분석기의 파라미터의 예는 다음과 같다:
- 분해능: Full MS 60,000, MS2 15,000
- Full MS : 350 - 2,000m/z,200 msec
- MS2 : 54 msec, NCE28, 1, >6가 이온화 물질은 MS2 대상에서 제외
Q-Exactive HF-X로 질량분석된 데이터는 Thermo사의 ‘Proteome Discoverer’ 소프트웨어를 활용하여 분석하였으며, 단백질/펩타이드 동정은 FDR (false discovery rate) 1%를 기준으로 선별하였다(도 7).
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (17)
- 다음의 단계를 포함하는 원핵세포(prokaryote) 단백질의 용출 방법:
(a) 원핵세포를 포함하는 생물학적 시료에 고장액(hypertonic solution) 또는 저장액(hypotonic solution)을 첨가하는 단계; 및
(b) 상기 고장액 또는 저장액이 첨가된 시료에 C1-C4 알코올을 첨가하는 단계.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (a)는 상기 생물학적 시료에 고장액을 첨가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 고장액은 글루코스(Glucose), 수크로오스(Sucrose)나, 만니톨(Mannitol), 트레할로오스(trehalose), 솔비톨(sorbitol), 염화칼륨(KCl) 및 염화나트륨(NaCl)으로 구성된 군으로부터 선택되는 용질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 고장액은 100 mM - 1000 mM의 염화나트륨(NaCl) 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올 및 2-부탄올로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 알코올은 1-프로판올인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 단계 (a) 및 단계 (b) 사이에 무기산 또는 유기산을 첨가하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 무기산은 염산(HCl) 및 인산(H3PO4)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유기산은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 방법:
화학식 1
상기 화학식에서, R1은 수소 또는 (R2 내지 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐)이다.
- 제 7 항에 있어서, 상기 할로겐은 F 또는 Cl인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 원핵세포는 그람 음성 박테리아인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 그람 음성 박테리아는 대장균(Escherichia coli), 시트로박터 코세리(Citrobacter koseri), 엔테로박터 애로진스(Enterobacter aerogenes), 에스케리키아 알버티(Escherichia albertii), 에스케리키아 블라태(Escherichia blattae), 에스케리키아 페르구소니(Escherichia fergusonii), 에스케리키아 헤르마니(Escherichia hermannii), 에스케리키아 불네리스(Escherichia vulneris), 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii), 아시네토박터 주니(Acinetobacter junii), 아시네토박터 보이시에리(Acinetobacter boissieri), 아시네토박터 칼코아세티쿠스(Acinetobacter calcoaceticus), 아시네토박터 해모리티쿠스(Acinetobacter haemolyticus), 아시네토박터 노소코미알리스(Acinetobacter nosocomialis), 아시네토박터 쉰들레리(Acinetobacter schindleri), 아시네토박터 유르신기(Acinetobacter ursingii), 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 폐렴구균(Streptococcus pneumoniae), 임질균(Neisseria gonorrhoeae), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 살모넬라 티피무리움(Samonella typhimurium), 클로스트리듐 디피실리(Clostridium difficile), 쉬겔라(Shigella), 예르시니아 페스티스(Yersinia pestis), 헤모필루스(Haemophilus), 브루셀라(Brucella), 레지오넬라(Legionella), 버크홀데리아 세파시아(Burkholderia cepacia), 비브리오균(Vibrio) 및 스테노프로포모나스 말토필리아(Stenotrophomonas maltophilia)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 다음의 단계를 포함하는 생물학적 시료 내 원핵세포(prokaryote)의 단백질 검출 방법:
(a) 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 원핵세포의 단백질을 용출하는 단계; 및
(b) 상기 용출된 단백질에 대해 질량분석을 수행하는 단계.
- 제 13 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 MALDI-TOF(Matrix-Assisted Laser Desorption/ Ionization Time of Flight) 질량분석, SELDI-TOF(Sulface Enhanced Laser Desorption/Ionization Time of Flight) 질량분석, ESI-TOF(Electrospray ionisation time-of-flight) 질량분석, 액상 크로마토그래피-질량분석(liquid chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS) 및 LC-MS/MS(liquid chromatography-Mass Spectrometry/ Mass Spectrometry)로 구성된 군으로부터 선택되는 질량분석 방법을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 MALDI-TOF(Matrix Desorption/ Ionization Time of Flight) 질량분석을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 용출된 단백질이 친수성 단백질인 경우 상기 MALDI-TOF 질량분석은 시나핀산(Sinapic acid)이 포함된 기질(matrix)을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 용출된 단백질이 소수성 단백질인 경우 상기 MALDI-TOF 질량분석은 CHCA(alpha-cyano-4-hydroxy-cinnamic acid)가 포함된 기질을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220116009A KR20240037468A (ko) | 2022-09-15 | 2022-09-15 | 그람 음성균 단백질의 분리를 위한 순차적 전처리 방법 |
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| KR20240037468A true KR20240037468A (ko) | 2024-03-22 |
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| KR (1) | KR20240037468A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101390878B1 (ko) | 2013-07-16 | 2014-04-30 | 국방과학연구소 | 인-시츄 말디-토프 질량분석기를 이용한 포자를 형성하는 바실러스 균의 동정 방법 및 분석시스템 |
-
2022
- 2022-09-15 KR KR1020220116009A patent/KR20240037468A/ko unknown
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| KR101390878B1 (ko) | 2013-07-16 | 2014-04-30 | 국방과학연구소 | 인-시츄 말디-토프 질량분석기를 이용한 포자를 형성하는 바실러스 균의 동정 방법 및 분석시스템 |
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