蛋白质的分离 |
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申请号 | CN94192657.5 | 申请日 | 1994-06-23 | 公开(公告)号 | CN1126477A | 公开(公告)日 | 1996-07-10 |
申请人 | 诺沃挪第克公司; | 发明人 | B·M·尼尔森; M·A·劳斯特森; A·兰克-马德森; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及一种从 蛋白质 水 溶液中分离蛋白,尤其是酶的方法,此方法包括:a)提供一种盐浓度为1.5M或低于1.5M的蛋白质含水混合物, 水溶性 聚合物 已被加入到此混合物中,和b)回收晶体形式的蛋白质。 | ||||||
权利要求 | 1.一种从含水蛋白质混合物中分离蛋白质的方法包括: |
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说明书全文 | 本发明涉及一种从蛋白质水溶液中分离蛋白质,尤其是酶的方 法,及回收晶体形式的期望蛋白质。酶通常以液体或非晶体材料用于工业目的。如不用液体,一般 用非晶体材料,因为通常认为酶晶体化的已知方法太昂贵以致不能 用于工业化规模。由于酶晶体的高纯度,提供一种容易适合于工业 化规模的酶的晶体化的廉价和简便的方法显然是工业上的需要。 关于酶的晶体化的文献很多。难于概括关于具体晶体化方法的 结果。酶晶体化的技术是高度经验主义的,而且对一组酶证实是成 功的方法,对其它酶不一定是成功的。 迄今已知的蛋白质晶体化方法的特性是很纯和很浓的初始浓 度,低产率、很长的结晶时间、高的化学品包括有机溶剂的消耗,和 差的工业适用性。 本发明的目的是提供一种回收晶体蛋白质尤其是酶的方法,此 方法不需要加入大量的盐或有机溶剂,允许短的结晶时间和高的产 率,并且简单、价廉及适于工业要求。 因此,本发明提供了一种从蛋白质含水混合物中分离蛋白质的 方法,此方法包括: a)提供一种盐浓度为1.5M或低于1.5M,其中加入了水溶性聚 合物的蛋白质含水混合物; b)回收晶体形式的蛋白质。 本发明通过附图得以进一步说明,其中, 图1说明在不同的PEG4000浓度和不同的CaCl2浓度(■1% CaCl2;▲2%CaCl2,□2.5%CaCl2)下过氧化物酶的晶体化产率 (%)。 图2说明在不同的pH值条件下过氧化物酶的晶体化产率 (%)。 图3说明在不同的酶和PEG 4000的浓度下(■3%过氧化物酶 和1.4%的其它酶;◆4.8%过氧化物酶和2.3%的其它酶,及▲ 6.7%的过氧化物酶和3.1%的其它酶)过氧化物酶晶体比产率 (%)。 图4说明在不同的CaCl2浓度和不同的PEG 4000浓度下(■ 20%PEG 4000;◆22%PEG4000;▲24%PEG4000;□26% PEG4000;◇28%PEG4000和△30%PEG4000)过氧化氢酶的晶体 化产率(%)。 图5说明在不同的CaCl2浓度和不同的PEG 4000浓度下(■ 20%PEG 4000和◆25%PEG 4000)过氧化氢酶的晶体化产率(%)。 图6说明在不同的PEG1500浓度和0.2%的CaCl2浓度下过氧 化氢酶的晶体化产率(%)。 图7说明在不同的PEG 4000浓度下蛋白酶的晶体化产率(%)。 图8说明在不同的PEG 4000浓度和1.1%的CaCl2浓度下蛋白 酶的晶体化产率(%)。 本发明提供了一种从含水混合物中分离蛋白质或多肽的方法, 此混合物包括具有不同结晶特性的其它蛋白质。令人惊奇地发现,通 过加入水溶性的聚合物,例如聚乙二醇,可从其混合物中分离蛋白 质,此混合物含其它蛋白质和其它杂质,如碳水化合物,并且蛋白 质能够以晶体形式析出。 用聚乙二醇(PEG)沉淀和结晶蛋白质及用PEG修饰晶体结构 可从文献中获知,然而用PEG结晶纯化蛋白质是新的。PEG已单独 用于获得衍射分析的晶体,参见A.Mcpherson in Eur.J.Biochem. 189,1990,pp.1—23;R.N.Haire et al.in Biopolymers Vol.23 (12),1984,pp.2761—2779;and J.C.Lee et a1.in J.Biol.Chem. 256(2),1981,pp.625—631。 一般认为,PEG借此发挥作用的部分机制,象用盐和有机溶剂 诱导的结晶一样,结合降低溶液的等电特性,进行盐析作用。除此 之外,在某些情况下,PEG似乎能通过增加蛋白质的热力学活性使 蛋白质从溶液中析出,结果产生一种非结晶的PEG次级相,非结晶 的蛋白质沉淀能从此次级相有效地转变成蛋白质晶体,参见 K.N.Haire et al.in Biopolymers Vol.23(12),1984,pp.2761一2779。 通过使用PEG和高盐浓度,另一种用于蛋白质结晶的PEG含 水双相体系已经产生,其中用PEG相浓缩了蛋白质,在界面处晶核 产生了,在高盐浓度的驱动下在水相中生成了晶体,参见Eur.J. Biochem.189.1990.PP.123。 根据本发明的研究,一种不同的令人惊奇的机理似乎解释了结 晶过程,基本的差别是在相当低的盐浓度下,通过PEG分子和蛋白 质之间的亲和力动结晶。其结果是相分离在此蛋白质以水溶性形式 浓缩成微滴,其中如下所述晶核和晶体产生了: 当将PEG(以自身不产生双相体系的浓度)加至蛋白质溶液中 时,对PEG具有亲和力的蛋白质与PEG分子缔合产生非均质溶液, 在恰当的PEG分子量、PEG浓渡、盐浓度和蛋白质浓度下,非均质 溶液能产生一种体系,此体系含有降低了的蛋白质浓度的水相和很 高蛋白质浓度的微滴。此体系似乎和正常的含水双相体系完全不同, 因为不能通过传统低速离心分开相;但是,用超速离心(如实施例 11所述),可能看到两相。 在具有高蛋白质浓度和可除去一些杂质的小滴中,产生了晶体 形成的最适条件。晶体此时显然在小滴中形成,直至它们达到一定 大小,它们可以崩出小滴产生一种正常的单相含水体系,此体系在 结晶完毕含有固态晶体。然而,依赖于要探究的蛋白质,此体系也 能以双相体系终止,在小滴相中的带有大部分晶体。出现在小滴相 中和从周围浓液小滴表面崩出的晶体生长的实例也已被观察到。 在一双相含蛋白质的小滴体系中通过纯化和浓缩的形式结晶蛋 白质的这种假定机制通过在水溶性聚合物和蛋白质之间的亲和力而 产生,证实此技术甚至对低浓度和不纯蛋白质溶液也是非常有利的。 本发明的方法可用于从蛋白质混合物中分离蛋白质,特别是从 蛋白质的混合物中分离酶。在优选的实施例中,含酶溶液是通过培 养产酶的微生物获取的培养肉汤。优选地本发明的方法用于培养肉 汤,此肉汤首先接受固/液分离技术,例如经絮状沉淀、离心、过滤 或微过滤处理。在结晶前经沉淀或用层析方法纯化也可能是有用的。 在更具体的实施例中,本发明的方法包括通过本身已知的方法 浓缩合酶溶液。此方法包括经超速离心、透析过滤、透析或蒸发浓 缩。 含蛋白质的水溶液的浓缩,虽然对进行结晶不必要,但是便于 操作和产生理想产率。由于实际原因,含酶溶液可被浓缩至酶蛋白 的含量为0.1—25%W/W,优选0.5—15%W/W,最优选1—10% W/W。 在优选的实施例中,本方法用于分离氧化还原酶、蛋白酶、脂 酶、淀粉酶和纤维素酶。氧化还原酶已在“Enzyme Nomenclature 1992, Academic Press,Inc.,San Diego”,中定义并叙述过,属于一类催化 电子从一种物质变成另一种物质(氧化—还原)的酶。氧化还原酶 包括脱氢酶、还原酶、氧化酶、转氢酶、过氧化氢酶、过氧化物酶 和加氧酶。 更具体的实例包括辣根过氧化物酶、木质素酶和其它过氧化物 酶,和如漆酶的氧化酶。这些酶优选地来源于微生物。 可用于产生合适的氧化还原酶的微生物属的实例为:栓菌属 ((Trametes)、丝核菌属(Rhizoctonia)假单胞菌属(Pseudomonas)芽 孢杆菌属(Bacillus)、链霉菌属(Streptomvces),蜡伞属(Hygrophorus)、 鬼伞属(Coprinus)、多孔菌属(Polyporus)、假丝酵母属(Candida)、变 孢属(Curvularia)、尾孢属(Cercospora)、Mycoliophtora、曲霉属(As- pergillus)、和Scytalidium。然而,本发明不限于源于上述分类单位的 酶。所有产生具有期望特性的氧化还原酶的微生物都可用于本发明。 氧化还原酶优选为漆酶(EC 1.10.3.3),过氧化氢酶(EC 1.11.1.6)、过氧化物酶(EC 1.11.1.7)或氧化酶。 在优选的实施例中,本发明方法用于含过氧化物酶的溶液和含 过氧化氢酶的溶液。 适合的过氧化物酶由植物产生(例如辣根过氧化物酶)或由微 生物如真菌或细菌产生。在一个优选的实施例中,过氧化物酶源于 鬼伞属(Coprinus),例如灰盖鬼伞(C.cinereus)或长根鬼伞(C.- macrorhizus)、或源于芽孢杆菌属(bacillus),例如短小芽孢杆菌(B.- Pumilus)),特别是根据国际专利申请WO 91/05858的过氧化物酶。 而且酶可以是通过一种包括培养宿主细胞的方法产生的,此宿 主细胞是用重组DNA载体转化的,此DNA载体携带有编码所述酶 的DNA序列及编码功能的DNA序列,此编码功能序列允许编码酶 的DNA序列在培养基中表达,条件为,允许酶的表达和从培养物中 回收酶。 特别地,重组产生的过氧化物酶是源于鬼伞菌种(Coprinus sp.)的过氧化物酶,特别是长根鬼伞(C.macrorhizus)或根据WO 92/16634的灰盖鬼伞(C.cinereus)。 过氧化氢酶已知源于动物(例如母牛肝脏),和源于许多不同微 生物。JP专利申请2—76579公开了一种来自黑曲霉(Aspergillus niger)菌株NFAG一2的过氧化氢酶。GB专利号2,216,149公开 了一种来自青霉属(Penicillium)的过氧化氢酶。在水发明的一个优 选实施例中,如WO 92/17571所述过氧化氢酶从Scytalidium和腐质 霉属(Humicola)菌株获得。 在根据本发明方法的另一优选的实施例中,酶是蛋白酶。合适 的蛋白酶包括动物、植物或微生物来源的蛋白酶。微生物来源的是 优选的。化学上或遗传上修饰的突变体包括在内。可以是丝氨酸蛋 白酶、优选为碱性微生物蛋白酶或胰蛋白酶样蛋白酶。碱性蛋白酶 的例子是枯草杆菌蛋白酶,特别是源于芽孢杆菌属(Bacillus)的蛋白 酶,如枯草杆菌蛋白酶Novo、枯草杆菌蛋白酶Carlsberz、枯草杆菌 蛋白酶309、枯草杆菌蛋白酶147和枯草杆菌蛋白酶168(叙述于 WO 89/06279—。市售芽孢杆菌属枯草杆菌蛋白酶的例子是Alcalase R、SavinaseR、EsperaseR和DurazynTM产品。胰蛋白酶样蛋白酶的 例子是胰蛋白酶(如豪猪或小牛来源的)和WO 89/06270中所述的 镰孢属蛋白酶。 在根据本发明方法的另一个优选的实施例中,酶是脂酶。合适 的脂酶包括细菌或真菌来源的化学上或遗传上修饰的突变体包括在 内。特别优选的脂酶获自于:假单胞菌属(Pseudomonas)、假丝酵母 属(Candida)和毛霉属(Mucor)、特别是洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepaciae),如EP 021436l所述,或通过克隆来自Humicola lanuginosa 的基因和在米曲霉(Aspergillus oryzae)中表达基因获得的脂酶,如 EP 0258068所述,可以LipolaseR商标购自Novo Nordisk A/S。 在根据本发明方法的另一优选的实施例中,酶为淀粉酶,合适 的淀粉酶包括细菌和真菌来源的。化学上和遗传上修饰的突变体包 括在内。淀粉酶包括,如α—淀粉酶,获自芽孢杆菌,例如地衣芽孢 杆菌(B.licheniforms),详述于英国专利说明书No.1,296,839。 在根据本发明方法的另一优选的实施例中,酶为纤维素酶。合 适的纤维素酶包括细菌和真菌来源的,特别是源于真菌的纤维素酶 为优选。化学上和遗传上修饰的突变体包括在内。可用于生产合适 纤维素酶的真菌的例子为:木霉属(Trichoderma)、Phanerochaete、腐 质霉属(Humicola)、镰孢属(Fusarium)和毁丝霉属(Myceliopthora)。 本发明的方法进一步包括加入水溶性聚合物。 优选的水溶性聚合物是乙二醇和胺,例如多胺。更优选为聚乙 二醇和聚丙二醇。最优选为分子量200—10000的聚乙二醇。 加入水溶性聚合物的浓度可为1—50%W/W优选为2—40% W/W。 根据本发明,此方法还包括加入盐,其浓度达到1.5M,优选浓 度达到1.0M。 优选的盐为镁盐、钙盐、钠盐、钾盐和铝盐。最优选的盐为其 阴离子选自氯化物、甲酸盐、乙酸盐和硫酸盐。 根据本发明的方法,浓缩水溶液中已加入水溶性聚合物,将其 pH调至结晶的最适pH。在某些情况下,结晶的最适pH水平在酶的 PI左右。在优选的实施例4,pH调至pH=pI±1的水平。 为了有效地调节pH,可以使用任何酸或碱。酸可以是有机的,也 可以是无机的。一些例子为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、柠檬 酸和甲酸。优选的酸为甲酸、柠檬酸和乙酸。优选的碱为氢氧化钠。 在本发明的特定实施例中,将盐加入蛋白质含水混合物中,其 浓度达到1.5M,优选浓度达到1.0M,溶液的pH调至结晶的最适 pH。 本发明的方法产生蛋白质,特别是酶,以结晶形式析出。可经 常规方法进行回收晶体蛋白,例如经过滤和接普干燥、或通过晶体 的重溶生产液体蛋白质产物。 下列实施例可进一步说明本发明,而且无论如何它们也不限制 本发明的范围。 实施例1 水溶性聚合物的作用 一种含灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)过氧化物酶的培养肉汤,如 EP专利申请号505,311所述获得的,接受本发明的方法。 起初,培养肉汤经离心进行固/液分离。得到一种含5.5%W/ W DS(干燥物)过氧化物酶和2.4%W/W DS其它酶的超滤物。 以不同的量(参见图1)加入聚乙二醇(PEG 4000)和 CaCl2·2H20,并通过加入甲酸调pH至4.0。在28℃搅拌溶液24小时。 在不同的PEG和盐浓度T.(■1%CaCl2;▲2%CaCl2和□ 2.5%CaCl2)结晶产率显示于附图1。 实施例2 pH的作用 一种含灰盖鬼伞过氧化物酶的培养肉汤,如EP专利申请号 505,311所述获得的,接受本发明的方法。 起初培养肉汤通过离心进行固/液分离。得到一种含5.5%W/ W DS(干燥物)过氧化物酶蛋白质和2.4%W/W DS其它酶的超滤 物。 向此溶液中加入20%W/W聚乙二醇(PEG4000)和1.5%W/ W的CaCl22H2O,而且用甲酸调pH到不同的pH值。在28℃搅拌溶 液28小时。 在不同的pH下,结晶产率显示于附图2。 实施例3 浓度的作用 一种含灰盖鬼伞过氧化物酶,如EP专利申请号505,311所述 获得的培养肉汤经受本发明的方法。 起初,培养肉汤通过离心进行固/液分离,得到含不同浓度过氧 化物酶蛋白质和其它酶的超滤物。 加入1.5%W/W的CaCl22H2O至每种此溶液中。以不同量加入 聚乙二醇(PEG 4000)。用甲酸调pH至4.0,在28℃搅拌溶液28小 时。 附图3显示了在不同酶和PEG浓度(■3%过氧化物酶和 1.4%其它酶、◆4.8%过氧化物酶和2.3%其它酶和▲6.7%过氧 化物酶和3.1%其它酶下的结晶产率。 实施例4 过氧化氢酶的结晶 一种培养肉汤,含Scytalidiun ther mofilun过氧化物酶,如WO 92/17571所示获得的,经受本发明的方法。 起初,培养肉汤通过絮状沉淀和过滤法进行固/液分离,接着经 蒸发和超滤/透滤浓缩滤液。浓缩物含1.2%W/W DS(干燥物)过 氧化氢酶蛋白质和5.5%W/W总干燥物。 附图4显示了在不同CaCl2浓度和不同的PEG 4000浓度(■ 20%PEG 4000,◆22%PEG 4000,▲24%PEG 4000,□26%PEG 4000,◇28%PEG 4000和△30%PEG 4000)下的结晶产率。 实施例5 过氧化物酶的结晶 一种培养肉汤,含Scytalidium thermoffilum过氧化氢酶,如WO 92/17571所述获取的,经受本发明的方法。 起初,培养肉汤通过絮状沉淀和过滤法进行固/液分离。接着通 过蒸发浓缩滤液。浓缩物含0.28%W/W DS(干燥物)过氧化氢酶 蛋白质和9.2%W/W总干燥物。 以不同的量(参见图5)加入聚乙二醇(PEG 4000)和 CaCl2·2H2O,并且将pH调至6.0—6.5。在28℃搅拌溶液48小时。 附图5显示了在不同的CaCl2浓度和不同的PEG 4000浓度(■ 20%PEG 4000和◆25%PEG 4000)下的结晶产率。 实施例6 过氧化氢酶的结晶 一种培养肉汤,含Scytalidium thermofilum过氧化氢酶,如WO 92/17571所述获得的,经受本发明方法。 起初,培养肉汤通过絮状沉淀和过滤法进行固/液分离。接着通 过蒸发浓缩滤液。浓缩物含0.28%W/W DS(干燥物)过氧化氢酶 蛋白质和9.2%W/W总干燥物。 以不同量(参见图6)加入聚乙二醇(PEG 1500)和CaCl22H2O, 调pH至6.5—7.0。在28℃搅拌溶液48小时。 附图6显示了在不同PEG 1500浓度和0.2%的CaCl2浓度下的 结晶产率。 实施例7 蛋白酶的结晶 一种培养肉汤,包含来自迟缓芽孢杆菌(Bacilluslentus)的蛋白 酶(SavinaseR),(美国专利号3,723,250)经受本发明的方法。 起初,培养肉汤通过絮状沉淀和离心法进行固/液分离。接着经 超滤浓缩上清液。浓缩液含有9.2%W/W DS(干燥物)蛋白酶蛋白 质和19.6%总干燥物。传导率为1.55 ms/cm。 以不同的量(参见图7)加入聚乙二醇(PEG 4000),调pH至 5.6。在28℃搅拌溶液24小时。 附图7显示不同PEG浓度下的晶体产率。 实施例8 蛋白酶的结晶 一种培养肉汤,包括来自迟缓芽孢杆菌(Bacillu lentus)的蛋白酶 (SavinaseR),(美国专利号3,723,250)经受本发明方法。 起初,通过絮状沉淀和离心法进行固/液分离,接着经超滤浓缩 上清液。浓缩物含有9.2%W/W DS(干燥物)蛋白酶蛋白质和 19.6%J W/W总干燥。传导率为1.55ms/cm。 以不同量连同1.1%W/W CaCl2·2H2O一起加入聚乙二醇 (PEG 4000)并调pH至5.6。在28℃搅拌浓液24小时。 附图8显示了在不同的PEG浓度下的结晶产率。 实施例9 脂酶的结晶 一种含来自洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepaciae)的脂酶的浓缩 物,如EP O214761所述获取的,经受本发明的方法。 将31%PEG 4000在pH为7.8的条件下加至含2.1%W/W DS脂酶蛋白质和20%W/W总DS的浓缩物中。在28℃搅拌溶液24 小时。 此后结晶产率为47%。 实施例10 纤维素酶的结晶 如WO 91/17244所述获得的Humicola insolens纤维素酶,经发酵 产生和经过滤、超波和用离子交换水透析过滤回收。 浓缩的纤维素溶液,酶浓度为105g/l,酶纯度为干物质含量的 58%,蛋白质纯度为88%。pH为7.0,传导率为607μS。 在搅拌下每100g纤维素酶溶液中加入39.6g PEG 300。温度为 27℃。20小时后,通过离心收获晶体,并重溶于0.5%的NaCl溶液 中。按酶活性确定的晶体产率为83%,纤维素酶蛋白质纯度为 100%。 实施例11 PEG/酶体系的表征 将PEG和盐加入至酶浓缩物时,富含酶的微滴形成,结晶发生 于这些小滴内。通过超速离心分离双相。 一种培养肉汤,含灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)过氧化物酶,如 EP 505311所述获得的,经受本发明方法。 首先,通过离心进行培养肉汤固/液分离,得到一种含5.1%W/ W DS(干物质)过氧化物酶蛋白质的超滤物。在浓缩物中加入20% PEG 4000和1.5%W/W CaCl2·2H20,调pH至4.0。混合后立即使 用显微镜在液体中观察到微滴。经超离(27000g,15分)两相分开。 过氧化物酶含量测定为A405,与之相比的总蛋白含量测定为A280。 结果见表1。可以看出,,在这些微滴内过氧化物酶被浓缩和纯化。 表1 A405 A405/A280 KPOXU*/g 底相 上相 加入PEG和盐前浓缩物 重溶的晶体 388 31 169 - 1.35 0.82 1.16 2.0 472 33 172 *过氧化物酶活性(POXU)仍确定:一单位过氧化物酶 (POXU)是在下列分析条件下每分钟催化1μM过氧华氢转化的酶 量:2.0mM过氧化氢、0.46mM 2,2’—过氮基—二(3—乙基苯并 噻唑啉—6—磺酸酯)、0.086M磷酸盐缓冲液(pH7.0),在40℃温 育,然后测418nm处的光度。1 KPOXU=1000POXU。 |