Новый метод очистки может удешевить производство белковых препаратов

Один из самых дорогих этапов производства белковых препаратов, таких как антитела или инсулин — очистка: выделение белка из биореактора, в котором он производится. На этот этап может приходиться до половины общей стоимости производства белка.

Инженеры MIT разработали новый способ такой очистки, чтобы снизить затраты. Их подход, использующий специализированные наночастицы для быстрой кристаллизации белков, может сделать белковые препараты более доступными, особенно в развивающихся странах.

«Эта работа использует биоконъюгированные наночастицы в качестве шаблонов для усиления образования белковых кристаллов при низких концентрациях», — говорит профессор Крипа Варанаси, старший автор исследования. Цель — снизить стоимость, чтобы такое производство лекарств стало доступным в развивающемся мире.

Исследователи продемонстрировали, что их подход можно использовать для кристаллизации лизоцима (антимикробного фермента) и инсулина. Они считают, что метод применим и ко многим другим белкам, включая антитела и вакцины.

Ведущий автор исследования — аспирантка MIT Каролин Маккью. Работа опубликована 28 февраля в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Очистка белка

Антитела и другие белковые препараты относятся к растущему классу биопрепаратов (биологиков). Большинство белковых препаратов производят живые клетки (например, дрожжи) в больших биореакторах.

После производства белки необходимо выделить из реактора, что обычно делается с помощью хроматографии. Этот процесс, разделяющий белки по размеру, требует дорогостоящих специализированных материалов.

Команда Варанаси решила использовать другой подход — кристаллизацию белков. Хотя кристаллизацию часто используют для изучения структуры белков, для промышленности этот процесс считается слишком медленным и плохо работает при низких концентрациях белка. Чтобы преодолеть эти препятствия, лаборатория использовала наноструктуры для ускорения кристаллизации.

В предыдущих работах лаборатория использовала наноразмерные элементы для создания водоотталкивающих материалов или модификации интерфейсов для инъекций вязких биопрепаратов. В данном случае исследователи адаптировали наночастицы, чтобы они локально повышали концентрацию белка у поверхности и служили шаблоном для правильной ориентации белков при формировании кристаллов.

Для создания нужной поверхности исследователи покрыли золотые наночастицы молекулами-биоконъюгатами (малеимидом и NHS), которые помогают формировать связи между другими молекулами и часто используются для мечения белков.

Когда растворы белков контактируют с такими покрытыми наночастицами, белки накапливаются на поверхности и связываются с биоконъюгатами. Биоконъюгаты заставляют белки ориентироваться определённым образом, создавая каркас, к которому могут присоединяться другие белки, формируя кристалл.

Исследователи продемонстрировали подход на лизоциме и инсулине и считают его применимым ко многим другим белкам.

«Это общий подход, который можно масштабировать. Если вы знаете структуру белка, который хотите кристаллизовать, вы можете добавить нужные биоконъюгаты, чтобы запустить этот процесс», — говорит Варанаси.

Быстрая кристаллизация

В исследованиях с лизоцимом и инсулином кристаллизация происходила намного быстрее при использовании наночастиц с биоконъюгатами, по сравнению с чистыми наночастицами или их отсутствием. С покрытыми частицами время индукции (начало формирования кристаллов) сократилось в семь раз, а скорость нуклеации (рост кристаллов) увеличилась в три раза.

«Даже при низких концентрациях белка мы видим гораздо больше кристаллов с функционализированными наночастицами. Биоконъюгаты предоставляют специфичный сайт для связывания белков, и поскольку белки сориентированы, они быстрее образуют кристалл», — объясняет Маккью.

Кроме того, команда использовала машинное обучение для анализа тысяч изображений кристаллов, чтобы точно измерить эффект от нового подхода.

Этот проект — часть инициативы Фонда Билла и Мелинды Гейтс по повышению доступности биопрепаратов (например, профилактических антител против малярии) в развивающихся странах.

Команда MIT сейчас работает над масштабированием процесса для промышленных биореакторов и демонстрацией его работы с моноклональными антителами, вакцинами и другими полезными белками.

«Если мы сможем упростить производство этих белков где угодно, выиграют все. Мы не утверждаем, что решим проблему завтра, но это небольшой шаг, который может внести вклад в эту миссию», — говорит Варанаси.