親和純化的成功取決于是否選擇了合適的固相載體和配基。理想的親和介質 (如吸附配基的固相載體)應該具備孔隙大、理化性質高度穩定的特征。親和介質可以選擇性的捕獲相應耙標,既保證較弱的非特異性吸附,又可以在整個過程中維持良好的流動特征。
優選介質應具備便宜、易獲取和使用簡便的特點。親和介質可以是商品化的, 或通過適當的化學作用將配基吸附在固相載體上(詳見本章第4節)。下文將詳細討論如何選擇合適的親和介質(GEHealthcare,2007;GustavssonandLarsson,2006;Zachariou,2007), 并對一些需要重點考慮的因素進行總結。
介質顆粒及孔隙應大小一致,且具有良好的流動性能。介質的表面積與孔隙呈負相關,這直接影響固定化配基數量,繼而影響載量。孔隙與排阻限制相關,即一定尺寸范圍或大小(分子質量)的蛋白質不能進入孔隙。大孔不受排阻限制作用的影響,允許大分子無阻礙地接近固定化配基,但會降低表面積和配基密度,進而降低純化效率。根據Ren-kin方程(Renkin,1954),孔隙的大小應該至少達到一個生物分子平均大小的5倍以上,才能更容易接近固定化配基。假設蛋白質平均大小為60A,
孔隙的大小應至少為 300人或更高。大多數常用載體都會滿足這一要求(表
26.1)。交聯可以增加一些軟凝膠介質的機械穩定性,但會減少孔隙率(孔體積),進而降低連接配基數量和結合能力。在大多數情況下,應具體問題具體分析,綜合考慮孔隙和表面積,以達到最佳應用效果。
此外,粒子的直徑和粒度分布也是需要重點考慮的因素。理論上,較小顆粒更利于外部流動相和粒子內部間更快的物質轉移, 流速高且保持高效的親和捕獲。但是會導致更高的流動阻力,發生粒子崩裂的概率更高,如對顆粒和樣品中的變性蛋白質等污染物的敏感性增加導致高負壓。很大程度上粒度的選擇取決于分離目的和方法。10顆粒最適合用于 HPLC分離,400顆粒適合于制備樣品。為避免較小顆粒填充空隙體積并限制流速,粒度分布應盡可能均一。
親和介質的一個主要特點是其選擇性。復雜樣品中蛋白質的選擇是特異性的,這是由偶聯在介質上的特異性配基決定的, 其他組分與配基的結合作用是惰性的。由于通常用于離子強度低的溶液,所以支持物應具有親水性并帶有一定電荷, 但這些電荷也會導致負面的相互作用,即離子相互作用。很多商品化固相載體都可滿足這些要求, 有的是其天然結構,有的表面包被合適的材料。常見載體(如球狀瓊脂糖和纖維素)都可以從供應商處購買,如GEHealthcare的瓊脂糖凝膠(S印harose)、Bio-Rad的Affigel(表 26.1)。非特異性選擇由固相載體自身特性決定,如聚苯乙烯珠的疏水性、二氧化硅表面的負電荷。
用于結合特殊配基時,應對介質進行修飾,此時也會導致非特異性吸附。針對這些情況,應根據靶標的特征精心設計、篩選并優化化學吸附作用、配基、配基和介質間隔物的選擇性和效能, 同時降低非特異性結合。
使用過程中,親和介質的理化性質必須穩定,這樣載體材料本身以及吸附的配基才不會與所用溶劑發生反應,樣品中可能存在的酶和微生物也不會使其被降解或破壞。通常制造商會提供商品化親和介質的化學相容性,應將其作為成功制訂純化程序的指導原則。
交聯瓊脂糖通常可以承受寬pH范圍(如pH3~12)、大多數水溶劑 (包括變性劑)、有機溶劑、修飾劑和酶的作用。而如玻璃和二氧化硅等材料在堿性條件下會水解而不穩定,因此, 通常在吸附配基前需要在這些材料表面進行涂層。介質也應該能承受物理作用力 (如壓力, 尤其是裝柱時)并在純化過程中保持不變。高壓能夠壓縮介質, 使其崩裂。與較堅固的載體,如二氧化硅、聚苯乙烯和其他高度交聯材料相比,瓊脂糖珠及其他軟凝膠介質更容易受到壓力影響。
整體柱是孔隙大、非顆粒型的單一介質,可以用許多不同的材料制造,如瓊脂糖凝膠、二氧化硅、GMA/EDMA、晶膠(cryogel)(MallikandHage,2006;Plievaaetal.,2009)。
整體柱除具有親和載體很多必備的特性外,還有以下特點: 流穿孔隙大、沒有無效體積、形成對流而非擴散以及髙流速縮短運行時程,并因此得到廣泛應用。此外,在柱層析過程中,介質不會被壓縮,壓力塌陷較少,可承受較寬的 pH范圍和劇烈的化學作用。但與傳統介質相比,整體柱也具有局限性,如載量低,每種整體柱的親和載體均需要特殊的制備程序,而且目前可用的親和形式有限等(MallikandHage,2006)。
通過在每個步驟中親和珠的迅速再生(如結合、流穿、洗脫),磁性分離可顯著縮短純化過程,而且與傳統的柱洗脫相比可減少樣品的稀釋倍數。黏性材料會堵塞層析柱, 可用該方法。磁性無需樣品預處理(如離心或過濾)除去不溶物和微粒等物質,因此可以簡化純化過程。將磁性分離應用于高通量分析, 可以大大縮短純化過程(Saiyedetal.,2003)。
這需要將其小型化,并且可以進行多條件平行篩選,如篩選適合蛋白質表達的生長條件和純化用緩沖液。
順磁顆粒(paramagneticparticle)存在修飾和不修飾兩種形式。修飾通常采用親和配基 (如鏈霉素、GSH.proteinA等),或者偶聯特異性識別的聚合物,如單克隆抗體和多克隆抗體(Konerackaetal.,2006)。除用于目標蛋白質純化, 也用于固定,繼而作為誘餌,從一個復雜的生物混合物中提取與其相互作用的分子。詳見第16章。