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Efficient Purification of Polyhistidine-Tagged Recombinant Proteins Using Functionalized Corundum Particles

  • 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 complexImmobilized 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.zeige mehrzeige weniger
  • 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 mlDie 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.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Jule L. Völzke, Sarah Smatty, Sarah Döring, Shireen Ewald, Marcus Oelze, Franziska Fratzke, Sabine Flemig, Zoltán Konthur, Michael G. WellerORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):BioTech
Jahr der Erstveröffentlichung:2023
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.1 Anorganische Spurenanalytik
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.5 Proteinanalytik
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.8 Umweltanalytik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:MDPI
Verlagsort:Basel, Schweiz
Jahrgang/Band:12
Ausgabe/Heft:2
Aufsatznummer:31
Erste Seite:1
Letzte Seite:18
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:6xHis; Affinity chromatography; Aluminum oxide; Bacterial lysates; Bioseparation; Carrier; Cytoplasm; Downstream processing; EDTAD; Escherichia coli; Ethylenediaminetetraacetic acid; HexaHis-Tag; His6; His8; IMAC purification; Immunocapture; Nickel; Nickel chelate; Polishing; Recombinant protein; Sapphire
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Chemie und Prozesstechnik
Chemie und Prozesstechnik / Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
Material
Material / Materialdesign
DOI:10.3390/biotech12020031
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-575672
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:01.06.2023
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:01.06.2023
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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