翟秋紅，余林玲，孫彥

（天津大學化工學院系統(tǒng)生物工程教育部重點實驗室，天津 300072）

反離子對部分電荷中和的聚乙烯亞胺接枝介質的蛋白質色譜行為的影響

翟秋紅，余林玲，孫彥

（天津大學化工學院系統(tǒng)生物工程教育部重點實驗室，天津 300072）

前期研究表明部分電荷中和的聚乙烯亞胺接枝瓊脂糖介質FF-PEI-R440具有較高靜態(tài)吸附容量和快速傳質速率。本文選取硫氰酸根離子、氯離子、磷酸氫根離子以及硫酸根離子這4種反離子，在離子強度為0.03、0.06 mol·L-1下，研究其對FF-PEI-R440吸附與洗脫行為的影響。結果表明：在兩種離子強度下，飽和吸附容量的增加順序均為在低離子強度下，除SCN-外，反離子種類對傳質速率和動態(tài)結合容量沒有顯著影響；在高離子強度下，傳質速率的增加順序為而動態(tài)結合容量的增加順序與飽和吸附容量序列一致；兩種離子強度下 Cl-均保持最高的動態(tài)結合容量；反離子種類對蛋白質洗脫行為沒有顯著影響。上述結果說明反離子主要影響FF-PEI-R440的吸附性能，而不影響洗脫，且流動相中選擇Cl-為反離子最利于FF-PEI-R440的實際柱色譜操作。

離子交換色譜；聚合物接枝；反離子；吸附平衡；動力學；動態(tài)結合容量；線性梯度洗脫

引 言

離子交換色譜（IEC）因其具有處理量大、分辨率高、對生物活性物質友好等優(yōu)勢，已被廣泛應用于蛋白類藥物的分離純化[1-3]。為了提升IEC介質的吸附性能，研究者開發(fā)了聚合物接枝介質，它具有較高吸附容量和快速傳質的優(yōu)勢[4-6]。

本課題組在前期工作中設計合成了一系列不同離子交換容量（IC，即接枝密度）的聚乙烯亞胺（PEI）接枝瓊脂糖介質，并系統(tǒng)研究了其對牛血清蛋白（BSA）和γ-球蛋白的吸附行為[7-9]，結果表明當介質的IC達到臨界離子交換容量（cIC）時（分別為約 600 mmol·L-1和約 460 mmol·L-1），其對蛋白質的靜態(tài)吸附容量和傳質速率都出現(xiàn)大幅度提升。這是由于當 IC>cIC時，吸附位點拓展為三維空間有利于蛋白質吸附，從而增大了靜態(tài)吸附容量；鏈間距縮短，靈活的相鄰鏈可以通過擺動而接觸，吸附在PEI鏈上的蛋白可以在介質孔入口和孔內部化學勢梯度以及由吸附相蛋白介導的相鄰柔性鏈之間相互作用的推動下從一條鏈傳遞到相鄰的另一條鏈上，即在吸附相發(fā)生“鏈傳遞”作用，促進孔內傳質[10-11]。另外，在較寬的鹽濃度范圍內，該介質仍能保持較好的吸附性能。

為了進一步研究接枝鏈電荷密度對傳質速率的影響，本課題組利用乙酸鈉修飾PEI接枝瓊脂糖介質FF-PEI-L740（IC>cIC），通過部分中和PEI接枝鏈的正電荷，形成一系列具有不同接枝鏈電荷密度的介質[12]。研究發(fā)現(xiàn)，當接枝鏈的電荷密度降低到一定值時，即 FF-PEI-R440（R440，即介質經中和修飾后剩余的離子交換容量為440 mmol·L-1），介質吸附容量基本不變但吸附速率可提升3倍（表1）。這是源于接枝鏈的電荷密度降低后，蛋白分子與離子交換基團之間的結合強度減弱，促使“鏈傳遞”更容易發(fā)生[12]。此外，F(xiàn)F-PEI-R440在 0～50 mmol·L-1的鹽濃度范圍內仍具有較高的吸附容量和傳質速率，且在30～150 cm·h-1的流速條件下保持較高的動態(tài)吸附容量。同時，由于該介質對離子強度較敏感，蛋白質可在較低離子強度下實現(xiàn)洗脫，其生物活性不易被破壞。因此，F(xiàn)F-PEI-R440是一種兼具優(yōu)良吸附和洗脫性能的色譜介質，可應用于高流速下蛋白的快速吸附與洗脫，從而有利于保持蛋白分子活性。

表1 3種吸附劑在20 mmol·L-1 Tris-HCl，pH 8.0緩沖液中對BSA的吸附與傳質參數(shù)Table 1 Langmuir parameters and effective diffusivities of BSA adsorption on different resins at 20 mmol·L-1 Tris-HCl，pH 8.0[12,17]

由于離子交換作用的實質即為反離子與蛋白質競爭結合于介質表面的離子交換配基，因而反離子的性質必然會影響蛋白質在離子交換色譜介質上的吸附與洗脫行為[13-15]。本課題組已研究了反離子對 PEI接枝介質 FF-PEI-L680（IC>cIC，L680，即接枝鏈電荷密度高的介質的離子交換容量）吸附與洗脫行為的影響，結果表明，與介質親和性強的反離子由于更易于將蛋白質置換，因此會促進蛋白質在鏈間的傳質（即發(fā)生“鏈傳遞”作用），加快傳質并有利于蛋白洗脫[16]。FF-PEI-R440與FF-PEI-L680相比，前者接枝鏈中的部分氨基參與反應，接枝鏈的電荷密度降低到一定程度[17]，配基結構和電荷分布差異如圖1所示，蛋白與離子交換基團間的結合強度減弱，同時接枝鏈間作用也發(fā)生改變，因而反離子對“鏈傳遞”作用的影響可能不同，其對吸附與洗脫行為的影響需要進一步研究。

以FF-PEI-R440為研究對象，選取4種具有不同尺寸、帶電量和水化能力的反離子：硫氰酸根、氯離子、磷酸氫根和硫酸根，以牛血清蛋白為模型蛋白，系統(tǒng)研究反離子對吸附平衡、吸附動力學、動態(tài)結合容量和線性梯度洗脫的影響，并與FF-PEI-L680做比較，以期揭示反離子在IEC過程中的作用并優(yōu)化FF-PEI-R440的吸附與洗脫條件。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

圖1 不同介質的配基結構和電荷分布差異Fig.1 Scheme of ligand chemistry and charge distribution of different resins

牛血清白蛋白（BSA,Mw66.4 kD, 96%）購置于Sigma-Aldrich（St. Louis, USA），根據(jù)其消光系數(shù)EmM(280 nm) =45.5[18]計算濃度。FF-PEI-R440來源于本課題組前期工作（對FF-PEI-L740減電荷修飾）[12]，其吸附參數(shù)見表1。另外，由于FF-PEI-R440的出發(fā)介質FF-PEI-L740與FF-PEI-L680吸附性能相似（表1）[10,17]，兩者在本文被視為同種介質，用于與 FF-PEI-R440比較。氯化鈉（NaCl）、硫酸鈉（Na2SO4）、硫氰酸鈉（NaSCN）、二甲基亞砜（DMSO）購置于天津市江天化工科技開發(fā)公司。磷酸二氫鈉（NaH2PO4）、磷酸氫二鈉（Na2HPO4）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）購置于上海生工生物工程有限公司。試劑均為分析純，且直接使用未經進一步提純。由于25℃時磷酸的三級解離常數(shù)分別為2.16、7.21和12.32[19],在pH為8的添加磷酸鹽的緩沖液中主要陰離子為HPO42-，因此本文以HPO4

2-代表磷酸鹽緩沖液中反離子，不考慮H2PO4-。4 種反離子的性質參見表2[16,20]。

表2 反離子的基本性質Table 2 Properties of counterions used in this work[16,20]

針對反離子影響的研究均在相同離子強度（0.03或0.06 mol·L-1）下進行，離子強度（I）通過式（1）計算

式中，ci為緩沖液中某離子的摩爾濃度，mol·L-1；Zi為該離子的電荷數(shù)；ITris-HCl為 20 mmol·L-1Tris-HCl，pH 8.0 緩沖液的離子強度，0.01 mol·L-1。即所有平衡緩沖液均以 20 mmol·L-1Tris-HCl，pH 8.0為基礎，加入不同種類的鈉鹽而制得。利用電導率檢測器測得的不同反離子緩沖液的電導率如表3所示。

表3 不同反離子緩沖液的電導率Table 3 Conductivity of buffer with different counterions

1.2 吸附等溫線

吸附等溫線通過間歇搖瓶法測定[7]：將用平衡緩沖液預平衡后的介質置于25 ml錐形瓶中，加入5 ml用同樣緩沖液配制的BSA溶液（濃度為0.1～5 mg·ml-1）。將其置于 25℃水浴，在 170 r·min-1振蕩24 h，取出后4000 r·min-1離心5 min，測定上清中的蛋白濃度。根據(jù)物料衡算計算介質吸附密度。利用Langmuir方程擬合吸附等溫線

式中，qm為飽和吸附容量，mg·ml-1；Kd為解離常數(shù)，mg·ml-1；q為平衡時固相蛋白濃度（介質吸附密度），mg·ml-1；c為平衡時液相蛋白濃度，mg·ml-1。

1.3 吸附動力學

吸附動力學通過間歇攪拌法測定[7]：將100 ml以平衡緩沖液配制的1 mg·ml-1BSA溶液置于100 ml三口圓底燒瓶中，25℃，280 r·min-1攪拌。蛋白質溶液以20 ml·min-1的流速通過孔徑為2 μm的不銹鋼濾頭注入紫外（UV）檢測器并返回三口燒瓶，以實時檢測蛋白溶液濃度。將一定量用平衡緩沖液預平衡介質加入三口燒瓶，并開始計時，獲得液相蛋白質的濃度隨時間變化的曲線。利用有效孔擴散模型分析吸附動力學數(shù)據(jù)[21]，利用Matlab求解得到蛋白質在介質中的有效孔擴散系數(shù)（De）。

1.4 動態(tài)結合容量

動態(tài)結合容量的測定采用迎頭分析法[17]：用重力沉降法將脫氣介質注入 TricornTM（50×5 mm,I.D.）色譜柱，在?KTA purifierTM10色譜系統(tǒng)中經1.5 ml·min-1（450 cm·h-1）的流速形成固定的床層。床層體積為1.04 ml±0.03 ml。平衡色譜柱15個柱體積（CV），待 UV信號穩(wěn)定后調零，上樣蛋白（2 mg·ml-1）至 50%穿透。最終以 10%穿透計算蛋白質的動態(tài)吸附容量（DBC）

式中，Vp為達到10%穿透的上樣體積，ml；Vh為系統(tǒng)死體積，ml；Vb為填充柱體積，ml；Cp為上樣蛋白濃度，mg·ml-1。流速恒定為 0.5 ml·min-1。

1.5 線性梯度洗脫

利用Liu等[16]所用方法進行線性梯度洗脫，即平衡15CV后，上樣2.5 ml蛋白（2 mg·ml-1），再清洗 2CV，然后以線性梯度從I0（0.03或 0.06 mol·L-1）經 10CV 至最終離子強度（IF=1.01 mol·L-1），再清洗 2CV，最后用 0.5 mol·L-1NaOH再生，流速恒定為0.5 ml·min-1。并根據(jù)洗脫峰和再生峰面積計算得出蛋白的回收率[22]。

2 結果與討論

2.1 吸附平衡

不同反離子存在下，BSA在FF-PEI-R440上的吸附等溫線結果如圖2所示，通過Langmuir 吸附平衡方程擬合出的吸附容量和解離常數(shù)見表4。

從圖2和表4可以看出，對于每種反離子而言，當離子強度增大時，由于蛋白質與離子交換基團之間的靜電作用被屏蔽，F(xiàn)F-PEI-R440對BSA的飽和吸附容量均降低。同時，反離子對飽和吸附容量有明顯的影響（變化幅度可達183%），且在低離子強度和高離子強度下呈現(xiàn)相同的序列，即qm由小到大的順序為SCN-

圖2 BSA在FF-PEI-R440上的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of BSA on FF-PEI-R440 in 20 mmol·L-1 Tris-HCl, pH 8.0 with different counterions

表4 BSA在FF-PEI-R440上的吸附平衡參數(shù)Table 4 Equilibrium parameters, qm and Kd (both in mg·ml-1), for BSA adsorption on FF-PEI-R440 in 20 mmol·L-1 Tris-HCl with different counterions/mol·L-1

2-

然而，SCN-存在時，兩者的趨勢卻相反，即此時FF-PEI-R440的吸附容量最小，而FF-PEI-L680的吸附量最大。這可能是因為FF-PEI-R440在制備過程中，PEI鏈內的伯、仲胺的活性比較強，大部分參與乙酸鈉的中和反應而失去電荷[24-25]，離子交換基團多為剩余的叔胺基。而文獻報道離子交換基團相比，后者與單一離子的靜電相互作用以及氫鍵結合力較弱，離子誘導極化和倫敦色散作用較強，因而更容易結合較大的離子[14]。由于SCN-離子半徑較大極性強，水化能力差[26]，所以親和力強，蛋白質的吸附容量較低。離子交換基團為叔胺基的介質DEAE Sepharose FF也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象(由小到大的順序為即SCN-存在時的吸附容量最低[16]。

綜上所述，反離子顯著影響 FF-PEI-R440對BSA的靜態(tài)吸附行為，Cl-存在下吸附容量最高，SCN-存在時的吸附容量最低。

2.2 吸附動力學

不同反離子存在下，F(xiàn)F-PEI-R440對BSA的吸附動力學曲線如圖3所示。利用孔擴散模型擬合得到的有效擴散系數(shù)（De）與BSA在自由溶液中擴散系數(shù)（D0=6.0×10-11m·s-2）的比值（De/D0），如圖4所示。

由圖4可以看出，無論在低離子強度或高離子強度下，SCN-存在下的De/D0值都明顯低于其他3種反離子，其主要原因是 SCN-存在下的吸附容量最低，即可通過鏈傳遞作用傳遞的蛋白量最少（吸附相蛋白量少），“鏈傳遞”作用（一種特殊的表面擴散過程）對孔內傳質的貢獻最低，故而De/D0值最小。

圖3 BSA在FF-PEI-R440上吸附動力學曲線Fig.3 Uptake curves for 1 mg·ml-1 BSA on FF-PEI-R440 in 20 mmol·L-1 Tris-HCl, pH 8.0 with different counterions

上述反離子對FF-PEI-R440傳質速率的影響結果與在 FF-PEI-L680得到的結果不同，在后者中De/D0值由小到大的順序為即與介質具有較高親和性的反離子會促進“鏈傳遞”作用發(fā)生、加快傳質[16,29]。造成這一差異的原因可能是FF-PEI-R440電荷密度低于 FF-PEI-L680，耐鹽性也較差[12]，即前者的靜電相互作用更易被屏蔽，在反離子存在時，反離子-蛋白-介質間的作用均較弱，差別不明顯，所以反離子更大程度上是通過對蛋白吸附容量，而不是主要通過其與介質間的親和強弱對“鏈傳遞”作用造成影響。

綜上所述，反離子顯著影響 FF-PEI-R440對BSA的傳遞速率，SCN-存在時傳質速率最低。

2.3 動態(tài)結合容量

在不同反離子存在下，F(xiàn)F-PEI-R440對BSA的動態(tài)結合容量如圖5所示。

圖5 BSA在FF-PEI-R440柱上的動態(tài)結合容量Fig.5 DBC values of BSA on FF-PEI-R440 column at I=0.03 mol·L-1 and I=0.06 mol·L-1 in 20 mmol·L-1 Tris-HCl, pH 8.0 with different counterions

眾所周知，DBC由吸附平衡與傳質速率共同決定，且飽和結合容量是在相同緩沖液條件下 DBC能達到的理論最高值[30]。因而對于每種反離子而言，當離子強度增大時，qm和De/D0值均降低（表4和圖4），F(xiàn)F-PEI-R440對BSA的DBC值也均降低（圖5）；且無論在低離子強度或高離子強度下，由于SCN-存在下的qm和De/D0值均明顯低于其他3種反離子，其DBC值也為最低。

由圖5可以看出，低離子強度時（I=0.03 mol·L-1），除 SCN-外，和Cl-3種反離子存在下的 DBC 十分接近（100 mg·ml-1±8 mg·ml-1），這與2.3節(jié)中De/D0值隨反離子的變化趨勢相同。這是由于此時離子強度低，F(xiàn)F-PEI-R440的飽和吸附容量均較高，DBC主要由傳質速率決定。這與在FF-PEI-L680觀察得到的結果相同[16]。

而在高離子強度時（I=0.06 mol·L-1），DBC值由小到大的順序為與 2.2節(jié)中qm的增加順序相同。這是由于此時離子強度高，飽和吸附容量均有較大幅度降低，靜態(tài)吸附容量成為限制DBC的主要因素，因而DBC值的增加順序與qm的順序相同。

綜上所述，反離子顯著影響 FF-PEI-R440對BSA的柱上吸附行為，SCN-存在時動態(tài)結合容量最低，Cl-存在時動態(tài)結合容量最高（可達 106 mg·ml-1）。對于離子交換色譜而言，在上柱操作中，高流速下具有較高的動態(tài)結合容量對蛋白的分離純化才有實際應用意義[31]，所以在使用 FF-PEI-R440介質的色譜過程中可以選擇 Cl-作為反離子進行吸附操作。

2.4 線性梯度洗脫

不同反離子存在下，BSA在FF-PEI-R440的線性洗脫色譜圖如圖6所示，從圖中可以看出4種反離子條件的下洗脫均獲得了單峰（由于SCN-對280 nm紫外有吸收，所以隨著鹽濃度增大，基線逐漸偏高，并非拖尾），計算得到的洗脫收率見表5。由表5可知，4種反離子在兩種離子強度下對BSA的洗脫收率均達到了95.6%±0.7%，即4種反離子均對BSA實現(xiàn)了良好的洗脫。

由圖6可以看出，無論在低離子強度或高離子強度下，4種反離子的種類對FF-PEI-R440的洗脫順序沒有顯著差別。這與在FF-PEI-L680上結果不同，即與介質親和力較強的反離子會競爭蛋白吸附位點而優(yōu)先將蛋白洗脫下來[16]。這一差異也主要是因為兩種介質的電荷密度不同造成的，表面電荷密度低的FF-PEI-R440介質在較低的離子強度下就可以將蛋白質洗脫下來[12]，蛋白質洗脫對離子強度更敏感，而反離子對洗脫的影響較小。

表5 不同反離子條件下蛋白的洗脫回收率Table 5 Recoveries of BSA with different counterions on FF-PEI-R440

圖6 BSA在FF-PEI-R440上的梯度洗脫色譜圖Fig.6 Linear gradient elution chromatograms of BSA with different counterions on FF-PEI-R440

綜上所述，反離子對BSA在FF-PEI-R440柱上洗脫行為沒有顯著影響，且均能實現(xiàn)良好洗脫。所以，在使用FF-PEI-R440介質進行實際柱色譜操作中，吸附過程中可以選擇 Cl-作為反離子，而洗脫過程則無須更換反離子。

3 結 論

通過研究反離子對部分電荷中和且具有較高傳質速率的PEI接枝瓊脂糖介質FF-PEI-R440上蛋白吸附與洗脫行為的影響，并與其出發(fā)介質FF-PEI-L680比較，結果表明：無論低離子強度或高離子強度下，BSA在FF-PEI-R440上的靜態(tài)吸附容量對反離子的種類比較敏感，qm的增加順序均為在低離子強度下，除SCN-外，反離子對傳質速率和動態(tài)結合容量沒有顯著影響；在高離子強度下，傳質速率的增加順序為動態(tài)結合容量的增加順序為；而4種反離子對蛋白質的洗脫順序沒有顯著影響。該結果與反離子對FF-PEI-L680介質的影響不同，主要是由于離子交換基團化學特性和基團密度均不同造成的。在實際柱色譜操作中，使用FF-PEI-R440時流動相宜選擇Cl-作為反離子以獲得較高的動態(tài)結合容量，而對FF-PEI-L680，則需選擇上述研究結果將有助于為PEI接枝的瓊脂糖介質的柱色譜操作選擇合適的反離子以提升對蛋白的吸附和洗脫效果，提高操作效率。

符 號 說 明

Cp——上樣蛋白濃度，mg·ml-1

c——蛋白質溶液濃度，mg·ml-1

c0——蛋白質溶液初始濃度，mg·ml-1

DBC——動態(tài)結合容量，mg·ml-1

De——介質內蛋白質有效擴散系數(shù)

D0——溶液中蛋白質擴散系數(shù)

IC——離子交換容量，mmol·L-1

Kd——解離常數(shù)，mg·ml-1

Mw——分子量

m——色譜介質濕重，g

q——蛋白質吸附密度，mg·ml-1

qm——蛋白質飽和吸附容量，mg·ml-1

Vb——填充柱體積，ml

Vh——系統(tǒng)死體積，ml

Vp——達到10%穿透蛋白的上樣體積，ml

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date:2017-04-10.

YU Linling, yulinling@tju.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21406160, 21236005, 21621004).

Effect of counterions on protein adsorption to partial neutralization poly(ethylenimine)-grafted Sepharose FF

ZHAI Qiuhong, YU Linling, SUN Yan
(Department of Biochemical Engineering and Key Laboratory of Systems Bioengineering of Ministry of Education,School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin300072,China)

The partially neutralized poly(ethylenimine)-grafted Sepharose FF, FF-PEI-R440, exhibited higher protein capacity and faster uptake rate than its starting resin FF-PEI-L740. In this work, the influence of counterions on protein adsorption onto and elution from the FF-PEI-R440 resin was investigated with sodium salts of SCN-, Cl-,at ionic strengths of 0.03 mol·L-1and 0.06 mol·L-1. It was found that the static adsorption equilibrium of FF-PEI-R440 was significantly influenced by the counterions, and the adsorption capacity increased in the order ofat the two ionic strengths. At the low ionic strength,the counterions had no significant effect on the uptake rate and dynamic binding capacity except for SCN-. At high ionic strength, the uptake rate increased in the order ofDynamic binding capacity increased in the order ofthe same of the order of adsorption capacity. The dynamic binding capacity kept the highest values when Cl-existed at the two ionic strengths. Protein elution was little affected by counterions. The results indicated that the adsorption performance of FF-PEI-R440 was affected by counterions and the Cl-was the most favorable couterion for column operation.

ion exchange chromatography; polymer grafting; counterion; adsorption equilibrium; kinetics;dynamic binding capacity; linear gradient elution

TQ 033

A

0438—1157（2017）11—4178—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170360

2017-04-10收到初稿，2017-07-11收到修改稿。

聯(lián)系人：余林玲。

翟秋紅（1991—），女，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（21406160，21236005，21621004）。