自动紫外谱层析分离仪

4月24日，中科院过程工程所苏志国研究员主持完成的“多柱组合层析高通量蛋白质分离设备”重大科研装备研制项目通过中科院计划局组织的专家验收。 　　验收专家组成员认真听取设备研制工作报告、经费收支检查报告、设备使用报告、测试报告，并现场考察了研制的4柱和12柱组合层析分离装置。专家组充分讨论后认为：承担单位研制的多柱组合层析高通量蛋白质分离设备拥有自主知识产权，具有创新性和实用性，在蛋白质分离设备的国产化方面取得了突破 研制的4柱和12柱组合层析分离装置运行正常，各项技术指标均达到了任务书规定的要求，部分技术指标优于任务书原定的指标 研制的设备采用多柱组合的创新设计思路，实现了计算机自动控制和高通量、高效率、多模式层析，在同时分离纯化多种蛋白产物和蛋白质的分离纯化效率方面优于当前国际知名品牌的同类仪器。 　　自2007年以来，苏志国课题组开始进行多柱组合层析高通量蛋白质分离设备的研制工作，经过两年多的努力，取得了一系列创新性成果，实现了关键部件的自主设计加工，完成了一套通用性强、自动化高、操作简便快捷的蛋白质层析工作站。 　　蛋白质的高通量层析分离纯化是蛋白质组学研究和蛋白质产品生产过程中的关键技术之一。本项目的成功，一方面解决了生化工程国家重点实验室分离纯化各种蛋白质药物和天然产物药物的装备所需，另一方面也可以为我国生物技术同行提供有自主知识产权的蛋白质分离纯化装备，满足国家和中科院蛋白质工程研究所需，提供一种高通量大规模制备蛋白质的平台。 　　 　　12柱组合层析系统　　 　　4柱组合层析系统

紫外临边成像光谱仪的“环形天眼”紫外临边成像光谱仪的“前向天眼”　　人眼看到的大气是透明的，我们看不到大气的变化，更看不到有多少有害气体如妖魔鬼怪般潜伏在大气层中伺机而动。　　天宫二号有一对“天眼”，不仅能看到人眼所能看到的可见光，更将视野扩展到人眼所不能及的紫外光。在“天眼”的注视下，大气中的一切都无所遁形。　　“臭氧层在地球上空形成一把保护伞，它将太阳光中99%的紫外线直接过滤掉，有效避免地球生物被紫外线伤害，但也正是这层臭氧阻碍了紫外仪器在地面上对臭氧层以上的大气层进行探测，因此我们需要在地球上边安置洞悉大气的‘天眼’——紫外临边成像光谱仪，在太空对地球大气进行‘层析’式探测研究。”紫外临边成像光谱仪主任设计师、中科院长春光机所研究员王淑荣向《中国科学报》记者介绍说。　　王淑荣说，通过“天眼”，我们可以看到整个大气层的密度、臭氧、气溶胶、有害气体等的垂直分布及其变化，同时还能监测中层大气的状态与扰动，我们可以了解太阳活动、大气与地球天气及气候的关系，同时还能观测全球环境变化，这一切对于科学和人类生活都非常重要。　　天宫二号上的“天眼”有两个，一个叫“前向”，一个叫“环形”，同时对地球大气层进行天底和临边探测。　　王淑荣打了个比方：假如将大气层比作一处美景，天底观测便如在它头顶盘旋的小鸟，能看到的是轮廓和总量，而临边观测则相当于仪器与地球边缘大气并肩而立，可以细致欣赏品味它的层次美。　　“前向天眼”具备紫外-可见-近红外大气临边成像光谱探测功能，可以对地球临边大气进行切片式探测，反应大气痕量气体的垂直分布信息，并可以获得很高的垂直分辨率。“环形天眼”具备同时对天底大气和临边大气多方位探测的功能，通过反演计算可以获取大气痕量气体多方位的时空分布，进而为大气环境监测和大气科学研究等提供服务。　　当前国际上已有的紫外临边探测仪器大多是单个方向(前向)，个别有前向和侧向。然而这些探测的明显局限是只能得到一个很窄径迹上的数据，相邻轨道之间有巨大空隙，全球覆盖的时空代表性差，不能获得较密的时空覆盖，不能揭示中小尺度变动特征。就如管中窥豹，可见一斑而难知整体。　　天宫二号紫外临边成像光谱仪将“前向”和“环形”组合探测，实现了垂直对地的天底探测和对地球切线方向的临边多方位探测组合及反演比对，实现了对地球大气的多方位、高光谱、多时空分辨率观测，达到比一般临边探测更高水平的层析反演，在国际上是首创。　　“该项技术验证及科学实验为下一步空间大气临边成像光谱探测的业务化运行奠定了基础，将在大气痕量气体监测、天气预报、空间天气和物理等领域具有广泛的应用。”王淑荣说。

下游工艺先进性决定了药品的质量抗体药物生产是个非常复杂的过程，大致分为上游的发酵及下游的分离纯化：上游工艺主要包括细胞复苏、传代、发酵生产。而下游工艺主要包括膜过滤及多步层析分离纯化。过去十多年来，基因工程获得突飞猛进的进步，细胞培养的表达量从原来的不到0.5 g/L 到现在普遍达到5g/L，有的甚至超过10g/L。这些进步是由细胞表达载体的开发，克隆筛选以及细胞培养基优化等技术创新所驱动的。由于发酵产率的大幅度提升，使得上游细胞培养成本大幅度降低，下表是抗体生产成本与表达量的关系。表1.表达量与抗体生产成本关系Titer（g/L）Annualproduction（1000kg）DisposableMaterial物料成本（$/g）Cell Culture PurificationFacilitiesc厂房/设备/人工FormulationCost（$/Vial）Total Cost（$/Vial）100 mg 1 g0.51204100422 134244425413 435102410412 26与上游十多倍生产效率提升相比，下游分离纯化技术进步明显滞后，导致下游工序成为生产瓶颈，抗体主要生产成本也转移到下游。下游工艺在整个生物制药生产中占据60%以上生产成本，也被认为是最需要改进的技术领域。下游工艺先进性决定了药品的质量，及药品生产效率和成本，也成为生物制药企业的核心竞争力所在。由于生物分子由于结构复杂，对外部条件敏感，稳定性差，杂质多，浓度低等特点，且监管部门对生物药的纯度和质量要求越来越高。因此下游的分离纯化成为生物制药的瓶颈，也是生物制药成本最大的一块。层析技术由于具有分离纯化效率高，条件温和且容易保持目标分子的生物活性，因此层析是生物制药分离纯化最主要方法。层析介质的“皇冠之珠”——令人爱恨交加的Protein A生物大分子的层析方法主要分为亲和，离子交换，疏水作用及体积排阻。亲和层析是利用介质上的配基与目标蛋白分子有特异性结合，而对其它的蛋白质及杂质不吸附，因此杂质从层析柱中流出，被吸附的目标生物分子通过改变洗脱液的条件使被分离物质与配基解吸附，即可达到分离纯化的目的。亲和层析无疑是最理想的层析分离方法，其与其它分离方法如离子交换、疏水、体积排阻等最大的不同是由于亲和层析只与目标生物分子发生专一性吸附，其它杂质都不吸附，因此亲和层析分离纯化的工艺条件与杂质的组成及含量多少关系不大，从而大大简化亲和分离工艺开发方法，而其它分离方法如离子交换、疏水、体积排阻等都是基于目标分子跟杂质分子之间的大小，电荷及疏水强度的差异来分离的，因此即使分离纯化同样的目标分子，但不同样品的杂质组分不同，含量不同，纯化工艺方法就需要重新调整。Protein A填料由于与大多数抗体有特异性吸附，因此被广泛地用于抗体药物生产过程中，极大地提高了抗体的分离纯化效率，毫无疑问Protein A 亲和介质是层析介质的皇冠上的明珠，其价格也是普通层析介质的十几倍。Protein A 亲和层析介质之所以会成为层析介质的贵族与它对抗体有特异性吸附有关。Protein A 亲和层析是利用Protein A 配基与目标抗体具有专一亲和吸附作用从而达到分离纯化抗体的目的。因为配基与目标抗体的作用的专一性，其分离纯化与目标样品抗体纯度无关，也与样品杂质含量和种类多少无关，使用Protein A 填料一步纯化目标抗体就可以达到95%纯度以上，回收率达到90%以上。Protein A 层析介质的出现，让抗体的分离纯化步骤及方法大大简化，使得抗体的分离纯化比其结构简单多的生物分子都要简单。抗体分离纯化基本都是标准化的三步曲，第一步用Protein A进行抗体捕获，第二步用阳离子去除多聚体，第三步用阴离子精纯去除剩余少量杂质。Protein A亲和层析已经成为平台化技术，被广泛应用在抗体类分子捕获阶段。Protein A与抗体分子之间可特异性结合，特别对IgG1、IgG2、IgG4有较强亲和作用，使得抗体分子与发酵液中不具FC端结构的杂质如宿主蛋白与核酸等有效分离，进而达到纯化目的。亲和特异性赋予了Protein A填料捕获时可接受更宽泛的样品条件，如pH及电导率等。因此，发酵液通过离心、深层过滤后即可直接进行亲和捕获。另外与离子交换、疏水层析等方法相比，Protein A亲和层析纯化抗体料液可以获得更大的纯度，一步就可以获得抗体纯度大于98%，而且在回收率上也有明显优势，亲和捕获回收率可达95%。抗体工作者对Protein A 是爱恨交加，爱的是Protein A 亲和层析的出现大大简化抗体的分离纯化工艺开发,并大幅度提高抗体纯化效率和纯度，而且几乎适用于所有抗体的分离纯化。恨的是Protein A 亲和介质价格贵，寿命短，占据下游分离纯化成主要本。虽然很多科学家曾经致力于研究新的价廉抗体亲和配基以取代昂贵的Protein A亲和配基，但都没有成功找到一个可以取代Protein A 配基的分子。Protein A亲和层析因其高度特异性及同时具有浓缩的效果成为过去近30年里抗体纯化捕获的金标准。Protein A亲和层析介质贵的主要原因有两方面，一方面是Protein A 蛋白配基成本远比传统的小分子配基昂贵，另一方面，Protein A亲和填料寿命较短也是其成本过高的主要因素。一般离子交换填料使用寿命可高达1000次，而亲和填料寿命通常在100-200次。还有Protein A 介质贵与其一直处于高度垄断的局面也有关系，因此Protein A 亲和层析介质国产化以降低抗体的生产成本是必然的发展趋势。ProteinA结构及作用机制ProteinA蛋白是金黄色葡萄球菌细胞壁锚钉蛋白，其C端为细胞壁结合区域，抗体结合区域包括五个同源区域（E、D、A、B、C，N端顺序）。五个domain的序列同源率65-90%（图1）。图1 重组与天然ProteinA基本性质三维空间上，抗体FC端CH2-CH3区域与ProteinA蛋白B结构域上两条反相平行的α螺旋结构相互结合。抗体与ProteinA结合时，主要依靠的是疏水作用力，其次是氢键和双盐桥作用力。疏水作用主要来自于核心区域组氨酸残基。抗体上高度保守的组氨酸残基与ProteinA上的组氨酸残基发生相互作用。碱性或中性条件下，组氨酸残基不带电荷，其咪唑环的疏水效应的增强促进了FC端与ProteinA的结合。当pH降低至4.5以下时，组氨酸带上正电荷，于是两者产生静电排斥力，抗体从ProteinA上解离。除FC端恒定区域外，可变区VH3也参与了ProteinA结合及洗脱，影响洗脱pH（图2）。图2单抗分子结构 图3 抗体分子与ProteinA作用Protein A来源于金黄色葡萄球菌的一个株系，它含有5个可以和抗体IgG分子Fc段特异性结合的结构域，当其作为亲和配基被偶联到填料基质上后，可特异性地与样品中的抗体分子结合，使其他杂蛋白流穿，借助高效亲和层析仅需一步就可使目标抗体纯度超过95%，此外Protein A也可结合另一些免疫球蛋白，如可用于某些种属IgA、IgM的纯化。由于Protein A亲和层析基于天然存在的生物大分子之间特异性结合为分离机理，这种得天独厚的势使得Protein A亲和层析成为重组蛋白\抗体等分离纯化中的绝佳选择（图3）。下一期，江必旺博士将继续分享Protein A亲和填料的关键考核要素有哪些，敬请持续关注。