在蛋白纯化过程中,有一个问题比收率低更让人头疼——柱子堵了。
压力骤升、流速下降、实验中断,严重时整根填料报废。填料堵塞不仅会影响纯化效率,还可能损坏昂贵的层析柱和设备。
随着生物药工艺对连续生产和成本控制的要求越来越高,“如何不让填料堵”“堵了怎么救回来”,已经成为工艺开发人员的必答题。
堵塞成因分析
颗粒性杂质、沉淀蛋白,以及脂类或核酸等粘性污染物是填料堵塞最常见的元凶。
颗粒性杂质主要来自细胞碎片、细菌或不溶物。杂质的体积较大,直接被拦截在柱头,导致柱压突然升高,柱床出现明显变色。
细胞裂解释放的蛋白酶会切割目标蛋白,产生疏水性强的片段,这些片段相互聚集形成沉淀蛋白,逐渐堵塞填料孔道。这类堵塞前期通常表现为压力缓慢上升,容易被忽略。
脂类、核酸或色素是来自发酵副产物或细胞膜成分。它们粘附在填料表面,使柱床发黏,洗脱峰变得拖尾或畸变。这类污染最难清洗,往往需要强溶剂才能去除。
防堵实战:把问题挡在柱子外面
上柱前过滤和离心
在上柱之前,对样品进行离心和过滤,是成本最低、效果最好的防堵措施。
只离心不过滤,细小微粒仍然会慢慢堵死柱头;过滤则推荐 0.45 微米或 0.22 微米的滤膜,用来拦截离心无法去除的细微颗粒。
裂解液中加蛋白酶抑制剂
细胞裂解释放的蛋白酶是沉淀型堵塞的主要来源,在裂解液中即时加入 PMSF 可有效减少杂质沉积。
运行中控制流速和压力
合适的上样流速,能有效减少杂质沉积。可根据填料类型,控制上样流速,避免流速过快导致杂质“冲”进填料内部。
使用预柱或保护柱
这是性价比最高的防堵技巧,尤其适合工业化生产和高频次实验。在分析柱或精纯柱前面,串联一根装有相同填料的预柱或保护柱,可以拦截掉大部分颗粒和强结合杂质。
已经堵了怎么办?对症进行清洗
蛋白类杂质:NaOH作为强效碱性清洁剂,能够高效溶解变性的蛋白沉积。可选用不同浓度的NaOH溶液冲洗1–2个柱体积。需要注意填料的pH耐受范围;
沉淀或聚集蛋白:可选择8 M尿素、6 M盐酸胍,或胃蛋白酶溶液进行清洗,以有效复溶或降解沉淀物;
脂质、疏水蛋白或脂蛋白:推荐使用70%乙醇、30%异丙醇,或含去垢剂的酸性/碱性清洗液进行处理。