TY - JOUR A1 - Völzke, Jule L. A1 - Smatty, Sarah A1 - Döring, Sarah A1 - Ewald, Shireen A1 - Oelze, Marcus A1 - Fratzke, Franziska A1 - Flemig, Sabine A1 - Konthur, Zoltán A1 - Weller, Michael G. T1 - Efficient Purification of Polyhistidine-Tagged Recombinant Proteins Using Functionalized Corundum Particles N2 - Immobilized metal affinity chromatography (IMAC) is a widely used technique for purifying polyhistidine-tagged recombinant proteins. However, it often has practical limitations that require complex optimizations and additional steps for purification. In this study, we introduce functionalized corundum particles as a novel, efficient, and economical method for purifying recombinant proteins in a column-free format. The corundum surface is modified with amino silane APTES, followed by EDTA dianhydride, and then loaded with nickel ions. We used the Kaiser test to monitor the modification process and ICP-MS to quantify the metal-binding capacity. To evaluate the system, we used His-tagged protein A/G (PAG) mixed with bovine serum albumin (BSA). The corundum particles exhibited a binding capacity of approximately 3 mg of protein per gram of corundum or 2.4 mg per 1 mL of corundum suspension. We also examined cytoplasm obtained from different E. coli strains as an example of a complex matrix. Varying the imidazole concentration in the loading and washing buffers showed that higher concentrations during loading improved purity. Even with sample volumes as large as one liter, we successfully isolated recombinant proteins down to a concentration of 1 µg/mL. We found higher purity levels with corundum when comparing the corundum material to standard Ni–NTA agarose beads. We successfully purified His6-MBP-mSA2, a fusion protein comprising monomeric streptavidin and maltose-binding protein, from E. coli cytoplasm, demonstrating the method's applicability. We also purified SARS-CoV-2-S-RBD-His8 expressed in human Expi293F cells, confirming its suitability for mammalian cell culture supernatants. The material cost of the nickel-loaded corundum material (without regeneration) is estimated to be less than 30 cents per gram of functionalized support or 10 cents per milligram of isolated protein. Another advantage of this system is the exceptional physical and chemical stability of corundum particles. Overall, we have demonstrated that this novel material offers an efficient, robust, and cost-effective purification platform for His-tagged proteins, even in challenging, complex matrices and large sample volumes with low product concentrations. This method has potential applications in both small laboratories and large-scale industrial settings. N2 - Die immobilisierte Metallaffinitätschromatographie (IMAC) ist eine weit verbreitete Technik zur Reinigung von rekombinanten Proteinen mit Polyhistidin-Markierung. Sie hat jedoch oft praktische Einschränkungen, die komplexe Optimierungen und zusätzliche Schritte für die Aufreinigung erfordern. In dieser Studie stellen wir funktionalisierte Korundpartikel als neuartige, effiziente und wirtschaftliche Methode zur Reinigung rekombinanter Proteine in einem säulenfreien Format vor. Die Korundoberfläche wird mit dem Aminosilan APTES und anschließend mit EDTA-Dianhydrid modifiziert und dann mit Nickelionen beladen. Wir haben den Kaiser-Test zur Überwachung des Modifizierungsprozesses und ICP-MS zur Quantifizierung der Metallbindungskapazität verwendet. Zur Charakterisierung des Systems verwendeten wir His-markiertes Protein A/G (PAG) in Kombination mit Rinderserumalbumin (BSA). Die Korundpartikel wiesen eine Bindungskapazität von etwa 3 mg Protein pro Gramm Korund oder 2,4 mg pro 1 ml Korundsuspension auf. Als Beispiel für eine komplexe Matrix untersuchten wir auch Zytoplasma, das aus verschiedenen E. coli-Stämmen gewonnen wurde. Die Variation der Imidazolkonzentration in den Lade- und Waschpuffern zeigte, dass höhere Konzentrationen beim Laden die Reinheit verbesserten. Selbst bei einem Probenvolumen von bis zu einem Liter konnten wir rekombinante Proteine von 1 µg/mL isolieren. Beim Vergleich des Korundmaterials mit Standard-Ni-NTA-Agarose-Beads stellten wir einen höheren Reinheitsgrad mit Korund fest. Wir reinigten erfolgreich His6-MBP-mSA2 aus E. coli-Zytoplasma, ein Fusionsprotein, das aus monomerem Streptavidin und Maltose-bindendem Protein besteht. Wir reinigten auch SARS-CoV-2-S-RBD-His8, das in humanen Expi293F-Zellen exprimiert wurde, und bestätigten damit die Eignung des Materials für Zellkulturüberstände von Säugetieren. Die Materialkosten für nickelbeladenen Korund (ohne Regenerierung) werden auf weniger als 30 Cent pro Gramm funktionalisierten Trägers oder 10 Cent pro Milligramm isolierten Proteins geschätzt. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist die außergewöhnliche physikalische und chemische Stabilität der Korundpartikel. Insgesamt haben wir gezeigt, dass dieses neuartige Material eine effiziente, robuste und kostengünstige Reinigungsplattform für His-markierte Proteine bietet, selbst bei schwierigen, komplexen Matrices und großen Probenmengen mit niedrigen Produktkonzentrationen. Diese Methode könnte sowohl in kleinen Labors als auch in der Großindustrie eingesetzt werden. KW - Aluminum oxide KW - Sapphire KW - Ethylenediaminetetraacetic acid KW - Nickel chelate KW - EDTAD KW - HexaHis-Tag KW - His6 KW - 6xHis KW - His8 KW - Bioseparation KW - IMAC purification KW - Immunocapture KW - Affinity chromatography KW - Carrier KW - Nickel KW - Recombinant protein KW - Escherichia coli KW - Bacterial lysates KW - Cytoplasm KW - Polishing KW - Downstream processing PY - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-575672 VL - 12 IS - 2 SP - 1 EP - 18 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-57567 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Tscheuschner, Georg A1 - Ponader, Marco A1 - Raab, Christopher A1 - Weider, Prisca S. A1 - Hartfiel, Reni A1 - Kaufmann, Jan Ole A1 - Völzke, Jule L. A1 - Bosc-Bierne, Gaby A1 - Prinz, Carsten A1 - Schwaar, T. A1 - Andrle, Paul A1 - Bäßler, Henriette A1 - Nguyen, Khoa A1 - Zhu, Y. A1 - Mey, A. S. J. S. A1 - Mostafa, A. A1 - Bald, I. A1 - Weller, Michael G. T1 - Efficient Purification of Cowpea Chlorotic Mottle Virus by a Novel Peptide Aptamer N2 - The cowpea chlorotic mottle virus (CCMV) is a plant virus explored as a nanotechnological platform. The robust self-assembly mechanism of its capsid protein allows for drug encapsulation and targeted delivery. Additionally, the capsid nanoparticle can be used as a programmable platform to display different molecular moieties. In view of future applications, efficient production and purification of plant viruses are key steps. In established protocols, the need for ultracentrifugation is a significant limitation due to cost, difficult scalability, and safety issues. In addition, the purity of the final virus isolate often remains unclear. Here, an advanced protocol for the purification of the CCMV from infected plant tissue was developed, focusing on efficiency, economy, and final purity. The protocol involves precipitation with PEG 8000, followed by affinity extraction using a novel peptide aptamer. The efficiency of the protocol was validated using size exclusion chromatography, MALDI-TOF mass spectrometry, reversed-phase HPLC, and sandwich immunoassay. Furthermore, it was demonstrated that the final eluate of the affinity column is of exceptional purity (98.4%) determined by HPLC and detection at 220 nm. The scale-up of our proposed method seems to be straightforward, which opens the way to the large-scale production of such nanomaterials. This highly improved protocol may facilitate the use and implementation of plant viruses as nanotechnological platforms for in vitro and in vivo applications. N2 - Das Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV) ist ein Pflanzenvirus, das als nanotechnologische Plattform erforscht wird. Der robuste Selbstorganisationsmechanismus seines Kapsidproteins ermöglicht die Verkapselung und gezielte Abgabe von Medikamenten. Darüber hinaus kann das Kapsid-Nanopartikel als programmierbare Plattform für die Präsentation verschiedener molekularer Komponenten verwendet werden. Im Hinblick auf künftige Anwendungen ist eine effiziente Produktion und Reinigung von Pflanzenviren von entscheidender Bedeutung. In etablierten Protokollen stellt die notwendige Ultrazentrifugation aufgrund von Kosten, schwieriger Skalierbarkeit und Sicherheitsaspekten eine erhebliche Einschränkung dar. Darüber hinaus bleibt die Reinheit des endgültigen Virusisolats oft unklar. Hier wurde ein fortschrittliches Protokoll für die Reinigung von CCMV aus infiziertem Pflanzengewebe entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Reinheit lag. Das Protokoll beinhaltet eine Fällung mit Polyethylenglycol (PEG 8000), gefolgt von einer Affinitätsextraktion mit einem neuartigen Peptid-Aptamer. Die Effizienz des Protokolls wurde mithilfe von Größenausschluss-Chromatographie (SEC), MALDI-TOF-Massenspektrometrie, Umkehrphasen-HPLC und Sandwich-Immunoassay validiert. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass das endgültige Eluat der Affinitätssäule eine außergewöhnliche Reinheit (98,4 %) aufweist, die durch HPLC und Detektion bei 220 nm bestimmt wurde. Die Skalierung der von uns vorgeschlagenen Methode scheint einfach zu sein, was den Weg für eine größer angelegte Produktion solcher Nanomaterialien ebnet. Dieses stark verbesserte Protokoll könnte die Verwendung und Umsetzung von Pflanzenviren als nanotechnologische Plattformen für In-vitro- und In-vivo-Anwendungen erleichtern. KW - Affinity chromatography KW - Nanoparticles KW - Nanoscience KW - Carrier protein KW - Encapsulation KW - Combinatorial peptide library KW - Peptide binder KW - Vigna unguiculata KW - Augenbohne KW - Schlangenbohne KW - Pflanzenvirus KW - Plant virus KW - Upscaling KW - Commercialization KW - Reference material KW - Nanocarrier PY - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-572645 VL - 15 IS - 3 SP - 1 EP - 24 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-57264 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -