Técnicas cromatográficas y su aplicación a estudios de cambios ...

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Revista Mexicana de Ingeniería Química Vol. 11, No. 3 (2012) 415-429 T ´ ECNICAS CROMATOGR ´ AFICAS Y SU APLICACI ´ ON A ESTUDIOS DE CAMBIOS CONFORMACIONALES, ESTABILIDAD Y REPLEGAMIENTO DE PROTE ´ INAS CHROMATOGRAPHIC TECHNIQUES AND THEIR APPLICATION TO STUDIES OF CONFORMATIONAL CHANGES, STABILITY AND REFOLDING OF PROTEINS K. Mayolo-Deloisa 1 , L.M. Mart´ ınez 2 y M. Rito-Palomares 1* 1 Centro de Biotecnolog´ ıa-FEMSA, Tecnol´ ogico de Monterrey, Campus Monterrey. 2 Departamento de Qu´ ımica, Tecnol´ ogico de Monterrey, Campus Monterrey. Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur, Monterrey, NL 64849, M´ exico. Recibido 17 de Agosto 2012; Aceptado 30 de Octubre 2012 Resumen El constante incremento en las aplicaciones de prote´ ınas en diversos campos como la medicina, el medio ambiente y la industria alimentaria; ha generado un inter´ es especial en el desarrollo de procesos para el an´ alisis y purificaci´ on de prote´ ınas. La cromatograf´ ıa de l´ ıquidos ha sido ampliamente explotada para llevar a cabo dichos an´ alisis debido a su versatilidad. La resoluci´ on de mezclas de prote´ ınas por cromatograf´ ıa de l´ ıquidos se basa en que bajo un conjunto de condiciones espec´ ıficas, los solutos disueltos en una fase m´ ovil interact´ uan con una fase estacionaria. Dependiendo de la naturaleza qu´ ımica de la fase y del tipo de estas interacciones, existen diferentes tipos de t´ ecnicas cromatogr´ aficas. En esta revisi´ on se incluyen los principios b´ asicos y las caracter´ ısticas principales de los m´ etodos cromatogr´ aficos m´ as utilizadas en el an´ alisis de prote´ ınas, como lo son: exclusi´ on, intercambio i´ onico, interacci ´ on hidrof´ obica y fase revers. Adem´ as, se muestran las aplicaciones de dichas t´ ecnicas para el estudio de cambios conformacionales, estabilidad y replegamiento de prote´ ınas; ´ areas que han despertado gran inter´ es de la comunidad cient´ ıfica en la ´ ultima d´ ecada. Palabras clave: t´ ecnicas cromatogr´ aficas, cromatograf´ ıa de l´ ıquidos, cambios conformacionales, estabilidad de prote´ ınas, bioseparaciones. Abstract The increase in protein applications in various fields; such as medicine, environmental protection and food industry; has generated a special interest in the development of processes for the analyses and purification of proteins. Liquid chromatography has been widely exploited to carry out such analyses because of its versatility. The resolution of protein mixtures by liquid chromatography is based upon specific conditions, in which solutes dissolved in a mobile phase interact with a stationary phase. Depending upon the chemical nature of the type of interactions, there are dierent chromatographic techniques. This review paper includes the basic principles and main characteristics of the liquid chromatographies used in the analysis of proteins, such as: size exclusion, ion exchange, hydrophobic interaction and reverse phase. Moreover, it shows the applications of such techniques in the study of conformational changes, stability and refolding of proteins. Such research fields have raised attention from research groups in the last decade. Keywords: chromatographic techniques, liquid chromatography, conformational changes, stability of proteins, bioseparations. * Autor para la correspondencia. E-mail: [email protected] Publicado por la Academia Mexicana de Investigaci´ on y Docencia en Ingenier´ ıa Qu´ ımica A.C. 415

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Revista Mexicana de Ingeniería Química

CONTENIDO

Volumen 8, número 3, 2009 / Volume 8, number 3, 2009

213 Derivation and application of the Stefan-Maxwell equations

(Desarrollo y aplicación de las ecuaciones de Stefan-Maxwell)

Stephen Whitaker

Biotecnología / Biotechnology

245 Modelado de la biodegradación en biorreactores de lodos de hidrocarburos totales del petróleo

intemperizados en suelos y sedimentos

(Biodegradation modeling of sludge bioreactors of total petroleum hydrocarbons weathering in soil

and sediments)

S.A. Medina-Moreno, S. Huerta-Ochoa, C.A. Lucho-Constantino, L. Aguilera-Vázquez, A. Jiménez-

González y M. Gutiérrez-Rojas

259 Crecimiento, sobrevivencia y adaptación de Bifidobacterium infantis a condiciones ácidas

(Growth, survival and adaptation of Bifidobacterium infantis to acidic conditions)

L. Mayorga-Reyes, P. Bustamante-Camilo, A. Gutiérrez-Nava, E. Barranco-Florido y A. Azaola-

Espinosa

265 Statistical approach to optimization of ethanol fermentation by Saccharomyces cerevisiae in the

presence of Valfor® zeolite NaA

(Optimización estadística de la fermentación etanólica de Saccharomyces cerevisiae en presencia de

zeolita Valfor® zeolite NaA)

G. Inei-Shizukawa, H. A. Velasco-Bedrán, G. F. Gutiérrez-López and H. Hernández-Sánchez

Ingeniería de procesos / Process engineering

271 Localización de una planta industrial: Revisión crítica y adecuación de los criterios empleados en

esta decisión

(Plant site selection: Critical review and adequation criteria used in this decision)

J.R. Medina, R.L. Romero y G.A. Pérez

Vol. 11, No. 3 (2012) 415-429

TECNICAS CROMATOGRAFICAS Y SU APLICACION A ESTUDIOS DE CAMBIOSCONFORMACIONALES, ESTABILIDAD Y REPLEGAMIENTO DE PROTEINAS

CHROMATOGRAPHIC TECHNIQUES AND THEIR APPLICATION TO STUDIESOF CONFORMATIONAL CHANGES, STABILITY AND REFOLDING OF PROTEINS

K. Mayolo-Deloisa1, L.M. Martınez2 y M. Rito-Palomares1∗

1Centro de Biotecnologıa-FEMSA, Tecnologico de Monterrey, Campus Monterrey.2Departamento de Quımica, Tecnologico de Monterrey, Campus Monterrey. Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur,

Monterrey, NL 64849, Mexico.

Recibido 17 de Agosto 2012; Aceptado 30 de Octubre 2012

ResumenEl constante incremento en las aplicaciones de proteınas en diversos campos como la medicina, el medio ambiente y la industriaalimentaria; ha generado un interes especial en el desarrollo de procesos para el analisis y purificacion de proteınas. Lacromatografıa de lıquidos ha sido ampliamente explotada para llevar a cabo dichos analisis debido a su versatilidad. La resolucionde mezclas de proteınas por cromatografıa de lıquidos se basa en que bajo un conjunto de condiciones especıficas, los solutosdisueltos en una fase movil interactuan con una fase estacionaria. Dependiendo de la naturaleza quımica de la fase y del tipode estas interacciones, existen diferentes tipos de tecnicas cromatograficas. En esta revision se incluyen los principios basicos ylas caracterısticas principales de los metodos cromatograficos mas utilizadas en el analisis de proteınas, como lo son: exclusion,intercambio ionico, interaccion hidrofobica y fase revers. Ademas, se muestran las aplicaciones de dichas tecnicas para el estudiode cambios conformacionales, estabilidad y replegamiento de proteınas; areas que han despertado gran interes de la comunidadcientıfica en la ultima decada.

Palabras clave: tecnicas cromatograficas, cromatografıa de lıquidos, cambios conformacionales, estabilidad deproteınas, bioseparaciones.

AbstractThe increase in protein applications in various fields; such as medicine, environmental protection and food industry; has generateda special interest in the development of processes for the analyses and purification of proteins. Liquid chromatography has beenwidely exploited to carry out such analyses because of its versatility. The resolution of protein mixtures by liquid chromatographyis based upon specific conditions, in which solutes dissolved in a mobile phase interact with a stationary phase. Depending uponthe chemical nature of the type of interactions, there are different chromatographic techniques. This review paper includes thebasic principles and main characteristics of the liquid chromatographies used in the analysis of proteins, such as: size exclusion,ion exchange, hydrophobic interaction and reverse phase. Moreover, it shows the applications of such techniques in the study ofconformational changes, stability and refolding of proteins. Such research fields have raised attention from research groups inthe last decade.

Keywords: chromatographic techniques, liquid chromatography, conformational changes, stability of proteins,bioseparations.

∗Autor para la correspondencia. E-mail: [email protected]

Publicado por la Academia Mexicana de Investigacion y Docencia en Ingenierıa Quımica A.C. 415

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1 Introduccion

Los procesos de separacion de proteınas estandominados principalmente por la cromatografıa delıquidos (CL). La resolucion de mezclas proteicaspor CL se basa en el principio de que bajo unconjunto dado de condiciones, los solutos disueltosen una fase movil interactuan en grado diferentecon la fase estacionaria contenida en la columna.El tipo de interaccion depende de las propiedadesfısicas y quımicas de la fase estacionaria. De estamanera, la CL explota las diferencias inherentesentre las proteınas (e.g., tamano, hidrofobicidad,especificidad de union y de carga) con el fin delograr su separacion (Cummins y col., 2011). Enbase a lo anterior, las tecnicas de cromatografıa delıquidos pueden estar clasificadas en cromatografıade: exclusion (Size Exclusion Cromatography, SEC) ofiltracion en gel, intercambio ionico (Ion ExchangeChromatography, IEC), interaccion hidrofobica(Hydrophobic Interaction Chromatography, HIC) yfase reversa (Reverse Phase Chromatography, RPC).

En SEC la separacion se lleva a cabo porla inclusion o exclusion de las proteınas en unafase estacionaria porosa (con cavidades de tamanoy distribucion definidas), tradicionalmente se diceque dicha separacion es debida al tamano o pesomolecular de la molecula (Irvine 1997). Cuando laseparacion es en base a la carga de las proteınas,se utiliza IEC (Cummins y col., 2011); mientrasque las separaciones que se llevan a cabo medianteinteracciones hidrofobicas entre la fase estacionaria, lafase movil y las proteınas se realizan utilizando HICy/o RPC.

Las tecnicas cromatograficas han sido utilizadas enel analisis y purificacion de proteınas; sin embargo,se han realizado diversos estudios en donde sonusadas para detectar cambios conformacionales enlas proteınas, ya sea por el proceso cromatograficoen sı o por la naturaleza de la muestra. Debido aesto tambien es posible determinar la estabilidad deuna proteına. Por otro lado, como consecuencia dela expresion de proteınas como cuerpos de inclusionen microorganismos recombinantes, el replegamientode proteınas a traves de tecnicas cromatograficas hacobrado relevancia en la ultima decada, y actualmentese estan desarrollando nuevos procesos con esteproposito (Antonio-Perez y col., 2012; Hwang y col.,2010; Wang y Geng 2012).

En Mexico, la investigacion en el area debioingenierıa se ha centrado principalmente en eldesarrollo de procesos de fermentacion (upstream)

para la produccion de diversos productos biologicos.Como consecuencia el numero de grupos que enfocansus investigaciones en el desarrollo de procesos debioseparacion (downstream) son reducidos. Si bienesta situacion no es exclusiva de Mexico, resulta masacentuada a nivel nacional. Esto representa un areade oportunidad relevante debido a que esta lınea deinvestigacion resulta clave para la implementacion debioprocesos a nivel comercial.

Es un hecho que la cromatografıa no es unatecnica nueva; sin embargo, es una de las tecnicasmas explotadas para la elucidacion de mezclas deproteınas. De ahı la importancia y el impacto deesta tecnica en los procesos de separacion, por loque se debe seguir en la busqueda de nuevas fasesestacionarias que permitan aun mas la aplicacion dela CL en el analisis de proteınas.

Con base en lo anterior, el objetivo de este artıculode revision es recopilar los principios fundamentalesde las tecnicas cromatograficas utilizadas en lapurificacion de proteınas, ası como el estado delarte de su aplicacion en el analisis conformacional,estabilidad y replegamiento de las mismas.

2 Tecnicas cromatografıcasutilizadas en la separacion deproteınas

2.1 Cromatografıa de exclusion molecular

La cromatografıa de exclusion molecular (SizeExclusion Chromatography, SEC) es el nombregeneral para los procesos de separacion debiomoleculas de acuerdo a su tamano cuando unasolucion fluye a traves de una cama empacada con unmedio poroso (Irvine 1997; Kostanski y col., 2004).

Para la separacion en SEC, se utilizan laspropiedades de tamiz molecular de una variedad demateriales porosos. El proceso de separacion dependedel tamano y el volumen hidrodinamico (volumen queocupa una molecula en solucion), el cual define lacapacidad de la molecula de penetrar o no en losporos de la fase estacionaria. De tal forma que,las moleculas de alto peso molecular son excluıdasde los poros debido a un efecto esterico y pasanrapidamente a traves de la matriz (ver Fig. 1). En elcaso de biomoleculas pequenas, estas tienen diferenteaccesibilidad en las cavidades de la matriz porosa.

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Fig. 1. Principios basicos de la cromatografıa deexclusion molecular. Las moleculas son separadas deacuerdo a su peso molecular. Las moleculas de altopeso molecular son eluıdas en el V0 y las moleculasde bajo peso molecular son eluıdas en el Vt. Lasmoleculas dentro del rango de separacion de la matrizporosa son fraccionadas y excluıdas en el Ve.

En la Fig. 1 se observa que las moleculas queson completamente excluıdas eluyen primero en elvolumen vacıo, V0 (Irvine 1997). El volumen deelucion de las moleculas que pueden entrar en losporos libremente es designado como volumen total, Vt.El volumen de elucion de una proteına que esta entreV0 y Vt es designado como Ve (Cutler 2008).

Fase estacionaria o matriz. Un amplio rangode matrices preparativas y analıticas esta disponiblecomercialmente, en la Tabla 1 se muestran algunasde las matrices preparativas mas utilizadas en laseparacion de proteınas. Las matrices preparativasmas usadas son frecuentemente de polımero naturalescomo agarosa o dextrano, pero tambien pueden estarcompuestas por poliacrilamida (Cutler, 2008; Hagel,2011).

Las columnas de SEC de alto rendimiento sonusadas analıticamente para estudiar la pureza de lasproteınas, su plegamiento, las interacciones proteına-proteına, etc. (Irvine 2003). Por otro lado,las separaciones preparativas se realizan utilizandomatrices de SEC de baja presion y sirven paraseparar mezclas de proteınas con diferentes pesosmoleculares, proteınas de otras macromoleculasbiologicas y para la separacion de proteınas agregadasde monomeros. La cromatografıa de exclusionmolecular es frecuentemente utilizada como un pasode pulimiento final del producto (Cutler, 2008).

Fase movil. En contraste con otros tipos decromatografıa, la selectividad de una matriz de SECno se puede ajustar cambiando la composicion dela fase movil. Las matrices de SEC tienden a sercompatibles con muchos buffers acuosos; incluso enla presencia de surfactantes, agentes reductores oagentes desnaturalizantes. Dado que las moleculas noson adsorbidas en la matriz, las proteınas se eluyende modo isocratico para lo cual se requiere de unsolo buffer. Idealmente, todos los buffers usados enSEC y en todos los tipos de cromatografıa debende ser filtrados con una membrana de 0.2 µm ydesgasificados (Cutler, 2008).

Tabla 1. Matrices organicas comunmente utilizadas en cromatografıa deexclusion molecular preparativa.

Matriz Tipo de material Rango de separacionb (kDA)

Sephadex G10 Dextrano (2-10)d 0 - 0.7G15 0 - 1.5G25 1 - 5c

G50 1.5 - 3c

G75 3 -80c

Superose 6 Agarosa (3 - 13)d 5 - 5,00012 1 - 300

Superdex peptide Agarosa / Dextrano (3 - 12)d 0.1-775 3-70200 10-600

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Superdex peptide Agarosa / Dextrano (3 - 12)d 0.1-775 3-70

200 10-600

Sephacryl S100HR Dextrano / Bisacrilamida (3 - 11)d 1-100S200HR 5-250S300 HR 10-1,500

Biogel P-2 Poliacrilamida (2 - 10)d 0.1 - 1.8c

P-4 gel 0.8 - 4c

P-10 gel 1.5 - 20c

P-60 gel 3 - 60c

P-100 gel 5 - 100c

a En soluciones acuosas, b Para proteınas globulares, c Diferentes grados estan disponibleslos cuales afectan el rendimiento, d Estabilidad al pH, puede variar dependiendo del gradoy el lımite de exclusion. kD, kilodaltones. Modificada de Cutler (2008).

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Figura 2 3

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Fig. 2. Carga neta de una proteına en funcion delpH. A un pH por encima de su punto isoelectrico,una proteına podra ligarse a una matriz cargadapositivamente (intercambiador anionico); mientrasque a un pH por debajo de su pI, una proteınapodra unirse a una matriz cargada negativamente(intercambiador cationico).

2.2 Cromatografıa de intercambio ionico

La cromatografıa de intercambio ionico (Ion ExchangeChromatography, IEC) separa las moleculas enbase a su carga ionica neta. La separacion selleva a cabo por la competencia entre proteınascon diferente carga superficial por grupos cargadosopuestamente sobre un adsorbente o una matrizde intercambio ionico. Actualmente, IEC es unade las tecnicas de purificacion de proteınas mas

usadas. En una separacion utilizando IEC, lasinteracciones hidrofobicas reversibles entre los solutosson controladas con el objetivo de favorecer launion o elucion de moleculas especıficas logrando suseparacion. Una proteına que no tiene carga netaa un pH equivalente a su punto isoelectrico (pI) nopodra interactuar con la matriz o fase estacionariacargada (ver Fig. 2). Sin embargo, a un pHpor encima de su punto isoelectrico una proteınapodra ligarse a una matriz cargada positivamenteo intercambiador anionico mientras que a un pHpor debajo de su pI, una proteına podra unirse auna matriz cargada negativamente o intercambiadorcationico (Handbook GEa 2004; Cummins y col.,2011). Dichos intercambiadores existen en estado deequilibrio entre la fase movil y la fase estacionaria,dando lugar a dos tipos de IEC, llamados anionico ycationico, tal y como se muestra en la Fig. 3. La matrizintercambiadora puede incluir protones (H+), gruposhidroxilo (OH−), iones monoatomicos cargados (Na+,K+, Cl−), iones monoatomicos doblemente cargados(Ca2+, Mg2+) e iones poliatomicos inorganicos (SO2−

4 ,PO3−

4 ), ademas de bases organicas (NR3H+) y acidos(R-COO−) (Cummins y col., 2011).

Fase estacionaria o matriz. La eleccion deuna matriz de intercambio ionico adecuada esprobablemente uno de los aspectos mas importantes ydebe estar basada en diversos factores, que incluyenlos siguientes: 1) la fuerza del intercambiador deiones, 2) el flujo y/o volumen de muestra y 3) laspropiedades de la muestra. Como se mencionoanteriormente y como se muestra en la Tabla 2, losgrupos funcionales de intercambio ionico pueden caerdentro de dos categorıas. Los grupos funcionalescargados positivamente como dietilaminoetil (DEAE)y amonio cuartenario (Q), por ejemplo, son empleados

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rutinariamente en cromatografıa de intercambio

anionico, mientras que grupos cargados negativamentecomo carboximetil (CM), sulfometil (S) y sulfopropil(SP) son utilizados como intercambiadores cationicos.Ambos tipos de intercambiadores pueden sercategorizados como fuertes o debiles. Los nombresse refieren a los valores de pKa de los gruposcargados. Los intercambiadores ionicos fuertesestan totalmente ionizados sobre un amplio rangode pH. Consecuentemente, con intercambiadoresfuertes las proteınas pueden adsorberse a variossitios, necesitando condiciones de elucion severaspara su desorcion (de hasta 1.0 M de NaCl) quepuede comprometer la estabilidad de la muestra yla resolucion. Los intercambiadores fuertes son por lotanto utilizados en la optimizacion de los protocolosde purificacion (y para ligar proteınas con valores de pIhacia el extremo final de la escala de pH). En contraste,los intercambiadores ionicos debiles son mas flexiblesen terminos de selectividad, son comunmente elegidospara la separacion de proteınas que retienen sufuncionalidad sobre un rango de pH de 6 a 9, asıtambien como para purificar proteınas labiles querequieren condiciones de elucion debiles. El tamano,la porosidad y la capacidad de union de las partıculasson tambien importantes cuando se selecciona unamatriz de intercambio ionico (Cummins y col., 2011).

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Fig. 3. Principios basicos de la cromatografıa deintercambio ionico. Debido a su naturaleza, los contra-iones desplazan de la matriz a los grupos funcionalescargados, los cuales determinan el formato de IEC.De manera que en la cromatografıa de intercambioanionico, la fase estacionaria (usualmente una matrizporosa) desplaza a grupos funcionales cargadospositivamente con contra-aniones que pueden serdesplazados por un soluto anionico. En contraste,en la cromatografıa de intercambio cationico, la faseestacionaria desplaza a grupos funcionales cargadosnegativamente con la ayuda de contra-cationes que sondesplazados por un soluto cationico (Cummins y col.,2011).

Tabla 2. Propiedades de matrices comerciales de intercambio ionico.

Tipo de Grupo Grupo funcional Buffer (contra-iones) Resinas comerciales Rangointercambiador intercambiador de pH

Anion fuerte Amonio CH2N+(CH3)3 Cl−, Q Sepharose R© 2 - 12cuaternario HCOO−, Capto Q R©

(Q) CH3COO−, Dowex R©1X2SO2−

4 Amberlite R©/

Amberjet R©

QAE Sephadex R©

Anion debil Dietilaminoetil O(CH2)2N+H (C2H5)2 Cl−, DEAE-Sepharose R© 2-9(DEAE) HCOO−, Capto R©DEAE

CH3COO−, SO2−4 DEAE Cellulose

Cation fuerte Sulfopropil (CH2)3SO−3 Na+, H+, Capto R©S 4 - 13(SP) Li+ SP Sepharose R©

SP Sephadex R©

TSKgel SP-5PW

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Cation debil Carboximetil OCH2COO− Na+, H+, CM Cellulose 6 - 10(CM) Li+ CM Sepharose R©

CM Sephadex R©

CM Sepharose R©

CL6BTSKgel CM-5PW

Cummins y col. (2011)

Fase movil. Varios factores son importantes en laseleccion de la fase movil, que pueden incluir: 1) lacarga del buffer, 2) la fuerza ionica del buffer y 3) elpH. El buffer de tris es utilizado con intercambiadoresDEAE, mientras que los buffers de fosfatos y acetatosson frecuentemente utilizados con intercambiadoresCM. Por otra parte, la fuerza ionica mınima delbuffer recomendado para intercambio ionico es deaproximadamente 10 mM. El pH de la fase movilpuede ser alterado para favorecer la adsorcion oelucion de las proteınas. En general el valor del pH eselegido de manera que permita la union reversible de laproteına de interes a la matriz o fase estacionaria. Estoes usualmente alrededor de 1 unidad arriba o abajo delpI de la proteına.

2.3 Cromatografıa de interaccionhidrofobica

La cromatografıa de interaccion hidrofobica(Hydrophobic Interaction Chromatography, HIC) esuno de los metodos de purificacion de macromoleculasbiologicas mas utilizado, especialmente para proteınasterapeuticas (Lienqueo y col., 2007; Mahn ycol., 2005). Los mecanismos de adsorcion en elcual estan basados las interacciones hidrofobicasde las moleculas con la fase estacionaria fueronprimeramente demostradas por Tiselius en 1940(Porath 1987).

La HIC explota la interaccion reversible entrela superficie hidrofobica de una proteına y unamatriz cromatografica con un ligando hidrofobico amoderadamente altas concentraciones de sal, comoel sulfato de amonio. Este tipo de sales tienealta polaridad y se unen fuertemente al agua, locual induce la exclusion del agua sobre la proteınay la superficie del ligando lo que promueve lasinteracciones hidrofobicas y la precipitacion de laproteına (salting-out) (Lienqueo y col., 2007; Xia ycol., 2004).

Las interacciones hidrofobicas son las fuerzasno covalentes mas importantes que pueden estarrelacionadas con diferentes procesos, como laestabilizacion de la estructura de las proteınas, launion de enzimas a un sustrato y el replegamiento deproteınas. Este tipo de interaccion aparece cuandocompuestos no polares son colocados dentro de unambiente acuoso (ver Fig. 4) (Lienqueo y col., 2007;Queiroz y col., 2001).

Fase estacionaria o matriz. La fase estacionariaen HIC presenta pequenos grupos no-polares unidosa estructuras de polımeros hidrofılicos. Por lo tanto,existen varios tipos de fases estacionarias en HIC quepueden diferir en la naturaleza quımica del ligando, lassuperficie o concentracion del ligando sobre el soportey la naturaleza quımica y el tamano de partıcula delsoporte base (Lienqueo y col., 2007; Queiroz y col.,2001). En la Tabla 3 se muestran algunas de lasmatrices comerciales disponibles (O’Farrell 2008).

El soporte por sı mismo debe ser inerte y nodebe tener grupos funcionales capaces de ligarse a laproteına. Los ligandos mas ampliamente usados sonalcanos de cadena lineal (como butil y octil) y algunos

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Fig. 4. Principios basicos de la cromatografıa deinteraccion hidrofobica. La figura representa unaproteına unida a un ligando y la expulsion del aguaordenada. La estructura de los enlaces de hidrogenodel agua lıquida es perturbada por la presencia desolutos no polares. Las moleculas de agua formanun caparazon alrededor del ligando hidrofobico yla superficie de la proteına hidrofobica donde laestructura del enlace de hidrogeno es mas ordenadaque en la mayorıa del solvente (O’Farrell, 2008).

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Tabla 3. Matrices para HIC comercialmente disponibles.

Proveedor Producto Tipo de ligando

Biochrom Labs Hydrocell C3, C4, phenyl Alil, butil, fenil

Bio-rad Macroprep t-butyl HIC, metyl HIC Butil, metil

GE Healthcare Butyl-, octyl-, phenyl- Sepharose Butil, octil, fenil

Mallinkrodt Baker Hi-propyl, wt-butyl Propil, butil

Tosoh Bioscience Toyopearl hexyl-650, Hexil, fenil, butil,butyl- 650, PPG-600, polipropilenglicol, eter.phenyl-650, ether-650TSK-GEL butyl-NPR, Butil, fenil, eter.

phenyl-5PW, ether-5PW

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Efecto de “salting-out” (cosmotrópico / liotrópico)

Efecto de “salting-in” (caotrópico)

Aniones: PO43-, SO4

2-, CH3COO-, Cl-, Br-, NO3- , ClO4

- , I-, SCN-

Cationes: NH4+, Rb+, K+, Na+, Cs+, Li+, Mg2+, Ca2+, Ba2+

Fig. 5. Series de Hofmeister.

grupos aromaticos (e.g. fenil). Un incremento en lalongitud de la cadena de un ligando alquilo aumenta lafuerza de la interaccion hidrofobica entre la proteınay la resina. Por otro lado, un incremento en el gradode sustitucion de la resina lleva a un aumento en lacapacidad de union de la fase estacionaria, debidoa la alta probabilidad de que se formen multiplespuntos de union y en ocasiones esto puede hacer difıcilla elucion de la proteına ligada sin desnaturalizarla(Lienqueo y col., 2007). La eleccion del ligando esesencialmente empırica, pero se puede hacer uso delconocimiento basico que se tenga sobre la proteınade interes. Una proteına hidrofobica debil puederequerir de un ligando hidrofobico fuerte para asegurarla union. Con una proteına muy hidrofobica, espreferible un ligando hidrofobico debil para evitar ladesnaturalizacion (O’Farrell 2008).

Fase movil. La union y/o la elucion en HICson logradas por la adicion o remocion de sales uotros solutos. La estructura formada por las salesaumenta la fuerza de las interacciones hidrofobicas.Las series de Hofmeister (o liotropicas), presentadasen la Fig. 5, organiza a los iones desde los quepromueven las interacciones hidrofobicas hasta los

que las disminuyen. Esto se refiere tanto a la capacidadde las sales para hacer que una proteına se precipite(salting-out), ası como a sus interacciones en HIC(O’Farrell 2008; Xia y col., 2004). Cualquier salliotrofica puede ser utilizada en HIC, sin embargoel sulfato de amonio es usado a menudo debido asu alta solubilidad y buenas propiedades liotropicas(O’Farrell 2008; Roettger y Ladisch 1989). En lamayorıa de las aplicaciones, la union se logra mediantela carga a la columna de una alta concentracion desal. La elucion se lleva a cabo mediante la reduccionde la concentracion de sal, ya sea a traves de ungradiente o en forma escalonada. A pesar de quecon la elucion en gradiente se puede lograr unamejor separacion, en ocasiones los picos pueden seramplios debido a la agregacion de las proteınas yla lenta asociacion/disociacion. Esto puede resultaren una baja resolucion. En tales circunstancias, serecomienda utilizar un metodo de elucion por pasos.Tambien se ha reportado que se pueden lograr picosmas nıtidos mediante la inclusion de una pequenacantidad de solvente (e.g. etanol 0.1-5%) en el bufferde elucion (O’Farrell 2008).

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2.4 Cromatografıa de fase reversa

La cromatografıa de fase reversa (Reversed PhaseChromatography, RPC) describe un tipo decromatografıa en la cual la fase estacionaria esmenos polar que la fase movil. La RPC es unatecnica de purificacion capaz de separar componentescon caracterısticas muy similares, como proteınasque difieren en solo un aminoacido e isomerosconformacionales de peptidos (de Collongue-Poyety col., 1995; McNay y Fernandez 2001). Sin embargo,el valor de la RPC puede estar limitado por diversosfactores, como el uso de solventes y su disposicionfinal ası como a los bajos porcentajes de recuperaciondebidos a los cambios conformacionales ocasionadospor las interacciones envueltas en el proceso (McNayy Fernandez 2001; Sokol y col., 2003).

La asociacion de una molecula con la faseestacionaria puede ocurrir tanto por particion comopor adsorcion. Los mecanismos de adsorcion estanbasados en la teorıa de Melander y Horvath (Horvathy Melander 1977), que establece que la retencion enRPC surge de la union de las moleculas en la faseestacionaria y se debe principalmente al resultado delas interacciones hidrofobicas entre el soluto y la fasemovil.

Fase estacionaria. Hay dos tipos principalesde medios para RPC, uno basado en una matrizhidrofılica de perlas de sılice cubierta con unafase hidrofobica unidos por cadenas de carbono(hidrocarburos normalmente n-alquilo o aromaticos),y otro basado en una matriz de polımero hidrofobico.Las matrices de alta porosidad proporcionan unasuperficie interna de alta capacidad de union.

La sılica fue el primer polımero utilizado comofase estacionaria para RPC. La sılica es producidacomo una cama porosa que es quımicamente establea pH bajos y solventes organicos. Los ligandos queestan tıpicamente unidos a soportes de sılica son: octil(C8), octadecil (C18), fenil o metil (C2) (Harrison ycol., 2003). La Fig. 6 muestra la superficie de la sılicaunida a diferentes ligandos hidrofobicos.

Los polımeros organicos sinteticos, como elpoliestireno, tambien son utilizados como matricescromatograficas en RPC. La gran ventaja delpoliestireno es su excelente estabilidad quımica,principalmente sobre condiciones de pH fuertes. Adiferencia de la sılica, el poliestireno es estable en unrango de pH de 1-12 y su superficie es fuertementehidrofobica.

La porosidad de la fase estacionaria es un factorcrucial y determinante en la adsorcion. Las matrices

con tamano de poro de aproximadamente 100 Å sonutilizadas predominantemente para purificar pequenasmoleculas organicas y peptidos. Mientras que lasmatrices con poros de 300 Å o mayores pueden serusadas en la purificacion de proteınas y peptidosrecombinantes (Handbook GEb 2006).

Fase movil. La retencion hidrofobica del solutoen la fase estacionaria puede disminuirse anadiendoun disolvente organico a la fase movil acuosa. Aldisminuir la polaridad de la fase movil, la distribucionde los solutos cambia hacia la fase movil. Losdos solventes mas utilizados son el acetonitrilo y elmetanol, siendo el acetonitrilo la opcion mas popular.El isopropanol (2-propanol) puede ser empleado porsus propiedades de elucion, pero su uso esta limitadopor su alta viscosidad, lo que se traduce en una menoreficiencia de la columna.

El pH y la composicion de la fase movil son dosparametros relevantes que pueden ser optimizados:el pH para variar la medida de la disociacion delos silanoles residuales en el soporte de sılica yla composicion de la fase movil para compensarla disminucion de la retencion cuando aumenta laionizacion del soluto. La influencia de estos dosparametros en el proceso de retencion es algo muycomplejo ya que la variacion de la composicion dela fase movil (tipo de modificador organico, tipo debuffer y fuerza ionica) induce a una variacion del gradode ionizacion de las moleculas (Heinisch y Rocca2004).

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Figura 6 17

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Si        O Si (CH2)17

CH3

CH3

CH3

Si        OH

Grupo  residual  silanol

Si Si O

Éter

Grupo  octadecil

Si        O Si CH2 CH3

CH3

CH3

Grupo  de  dos  carbonos

Fig. 6. Estructura tıpica de la superficie de mediosutilizados en RPC. El grupo octadecil es uno de losligandos mas utilizados (Harrison y col., 2003).

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3 Aplicacion de tecnicas cromato-graficas a estudios de cambiosconformacionales, estabilidad yreplegamiento de proteınas

Desde la aprobacion del uso terapeutico de lainsulina humana recombinante en el ano 1982, quemarco el comienzo de la era de los productosbiofarmaceuticos, muchos productos proteıcos handemostrado ser eficaces y seguros para el tratamientode numerosas enfermedades (Gaberc-Porekar y col.,2008; Jevsevar y col., 2010). Sin embargo,este tipo de farmacos tienen serios problemas deestabilidad. Mientras que su actividad biologica resideen parte en la estructura primaria de la proteına,en la mayorıa de los casos el estado funcional(nativo) es debido a su configuracion tridimensionalespecıfica. Actualmente existen diferentes metodosanalıticos para detectar y cuantificar cambios en laestructura terciaria de proteınas por espectroscopia ofluorescencia. Estos cambios de la estructura terciariapueden ser conformacionales y/o de desnaturalizaciony pueden conducir a la perdida de la actividadbiologica. Ademas de las tecnicas espectroscopicas, lacromatografıa de lıquidos tambien puede ser utilizadapara estos fines ya que permite detectar cambios

conformacionales y de estabilidad en una proteına(Withka y col., 1987).

Otra de las aplicaciones de la cromatografıa enlos ultimos anos es el replegamiento de proteınasrecombinantes (Gu y col., 2001). Las proteınasrecombinantes son frecuentemente expresadas encuerpos de inclusion que no tienen la actividadbiologica deseada, por lo que tienen que ser replegadospara recuperar su actividad. Las ventajas delreplegamiento cromatografico son que: 1) existendiferentes modos de operacion dependiendo de latecnica cromatografica utilizada; 2) el replegamientosimultaneo y la purificacion de las proteınascorrectamente plegadas de las que no lo estan, puedeeliminar el proceso de purificacion adicional despuesdel replegamiento; 3) las proteınas ligadas a la faseestacionaria reducen la posibilidad de que choquenentre sı durante el repliegue, lo que se traduce en ladisminucion de la formacion de agregados y 4) debidoa que los sistemas cromatograficos estan ampliamentecaracterizados es mas facil instalarlos, automatizarlosy escalarlos (Hwang y col., 2010).

En la Tabla 4 se resumen algunos de los trabajos endonde se reporta el uso de una tecnica cromatografica(SEC, IEC, RPC o HIC) para estudiar cambiosconformacionales, estabilidad y replegamiento deproteınas.

Tabla 4. Aplicaciones de tecnicas cromatograficas para realizar estudios de cambios conformacionales, estabilidady replegamiento de proteınas.

Proteına Estudio Tipo de Condiciones Referenciacromatografıa

Lisozima Replegamiento SEC / FPLC Sephadex 75 10/30 Buffer A: Tris0.1 M, pH 8.7, EDTA 1 mM, NaCl0.15 M, GSH/GSSG 3/0.3 mM.Buffer B: Buffer A + urea 8 M

Gu y col. (2001)

Lisozima Replegamiento SEC / HPLC Superdex 75HR 10/30 Buffer Tris-HCl 0.1 M, pH 8.2, GSH 1.2mM, GSSG 1.2 mM, NaCl 1.5 M,EDTA 1 mM y urea 2 M.

Wang y col. (2007)

Mioglobina, Replegamiento / SEC / HPLC Toya Soda TSK 3000SW Corbett y Roche (1984)RNasa A estabilidad (Varian 5040 con

un monitor deabsorbancia UV 50).

NaCl 0.2 M, urea 8 M - NaCl 0.2M, GndCl 6 M.

Rodanasa, Replegamiento SEC / HRCS BioGel 6P, Sigmacell Type 50. Antonio-Perezlisozima (High resolution

chromatographicsystem. Bio-Rad)

Buffer de replegamiento A:Fosfato de potasio 100 mM, pH7.8, β-mercaptoetanol 50 mM,tiosulfato de sodio 50 mM, NaCl20 mM.

y col. (2012)

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Buffer de replegamiento B: Tris-HCl 100 mM, pH 8.0, NaCl 100mM, EDTA 1 mM, GSSG 0.4 mM,GSH 2 mM, L-arginina 200 mM yPMSF

rhG-CSF Replegamiento HIC / HPLC, Buffer A: (NH4)2SO4 3.0 M, Tris Wang yFPLC 0.05 M, pH 8.0. Buffer B: Tris

0.05 M, pH 8.0.Geng (2012)

La muestra se disolvio en unasolucion de urea 8 M.

HSA, celulasa, BLA,GO, invertasa.

Cambiosconformacionales

IEC / AktaExplorer 100

Q Sepharose FF (fuerte) Buffer A:Fosfato de sodio 10 mM, pH 6.0.Buffer B: Fosfato de sodio 10 mM+ NaCl 500 mM pH 6.0. Urea 3 o7 M.

Hou y col.(2010)

Lisozima, BSA,Lisozima-PEG 5000

Cambiosconformacionales

IEC / FPLC SP-Sepharose HP, Q-SepharoseHP. Buffer Tris-HCl 0.01 M(BSA). Buffer de fosfato de sodio0.01 M (lisozima). Gradientelineal de NaCl (hasta 1M)

Yamamoto ycol. (2007)

BLG, BLA,HSA

Estabilidady cambiosconformacionales

HIC (batch) Phenyl Sepharose 6FF (altasustitucion). Buffer de adsorcion:Fosfato de sodio 25 mM, SA 1.5M, pH 7.0 (CaCl2 12 mM paraBLA). Buffer de elucion: Ac.Cıtrico 100 mM, GuHCl 2.2 M,TCEP 600 mM, EDTA 100 mMen D2O, pH 2.6 (para BLA yBLG). GuHCl 8 M, TCEP 100mM, EDTA 23 mM (para HSA).

Gospodareky col. (2010)

BLA Estabilidad HIC (batch) Phenyl Sepharose 6FF (bajasustitucion) Buffer de adsorcion:Fosfatos 25 mM, SA 0.5, 0.8 y 1.2M, pD 7.0 + 1.8 mL sal deuterada.Buffer de elucion: Fosfatos 25mM, 8 M GndCl, pH 3.0

Deitcher ycol. (2009)

BLA,RNasa A

Estabilidad HIC Phenyl Sepharose 6FF Buffer deadsorcion: Fosfatos 100 mM, SA0.3 y 1.5 M, pD 7.0. Buffer deelucion: Fosfatos 200 mM, pD 2.6,deuterio 97.5%.

Xiao y col.(2007)

BLA Estabilidad HIC (batch) Phenyl Sepharose 6FF (bajasustitucion). Buffer de adsorcion:Fosfatos 25 mM, CaCl2 12 mM,SA 1.5, 1 y 4.5 M, pH 7.0.Buffer de elucion: Fosfatos 25mM, pD 3.0, 78.3 (mol)% D2O,21.7(mol)% H2O.

Fogle y col.(2006)

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BLA Estabilidad HIC/ Aktaexplorer 10

Phenyl sepharose 6FF (bajasustitucion). Buffer de adsorcion:MOPS 100 mM, pH 7.0, SA 0.3,0.5, 0.8 o 1.2 M Buffer de elucion:MOPS 100 mM, pH 7.0.

Xiao y col. (2006)

BSA,tripsina,lisozima

Cambiosconformacionalesy estabilidad

SEC, IEC,HIC / HPLCWaters M-490, detectorde longitudde ondavariableSchoeffel

Synchropak S300. DEAE-5PW.Synchropak propyl column. Fasemovil (SEC): Buffer de fosfatos0.02 M pH 7.0, NaCl 0.1 My [urea] equivalente a la dela muestra inyectada. Sistemaisocratico. Fase movil (IEC):Buffer de fosfatos 0.075 M pH6.5, NaCl 0 - 0.14 M. Fase movil(HIC): Buffer de fosfatos 0.075 MpH 7.0, SA 1.6 - 0.2 M.

Withka y col. (1987)

Lisozima,BPTI

Cambiosconformacionales

RPC / Aktaexplorer

C4 y C18 sılica (300 Å) / FPLC(Akta explorer) Buffer A: 1H-acetato de sodio 10 mM en D2O,pD 2.8 + la sal correspondiente.Buffer B: 2-PrOH 30% + buffer A.

McNay y Fernandez (2001)

BPTI Cambiosconformacionales

RPC / Aktaexplorer

C4-alkyl sılica (300 Å) / FPLC(Akta explorer) Buffer A: 1H-acetato de sodio 10 mM en D2O,pD 2.8 + la sal correspondiente.Buffer B: 2-PrOH 30% + buffer A.

McNay y col. (2001)

GSH, glutation reducido; GSSG, glutation oxidado; RNasa A, ribonucleasa A; PMSF, fluoruro de fenilmetilsulfonilo; rhG-CSF,recombinant human granulocyte colony stimulating factor; GndCl, cloruro de guanidinio; BSA, albumina de suero bovino; HSA,albumina de suero humano; GO, glucosa oxidasa; BLA, α-Lactoalbumina de suero bovino; BLG, β-lactoglobulina de suerobovino; SA, sulfato de amonio; TCEP, tris(2-carboxietil)fosfina; BPTI, inhibidor de tripsina pancreatica de bovino; 2-PrOH,2-propanol; MOPS, Acido 3-N-morfolino-propanosulfonico.

Uno de los estudios mas completos sobre laaplicacion de cromatografıa para detectar cambiosconformacionales de proteınas fue realizado porWithka y sus colaboradores (Withka y col., 1987), paraello utilizaron tres proteınas modelo: BSA (albuminade suero bovino), tripsina y lisozima y las analizaronpor SEC, HIC e IEC. En la Tabla 4 se resumen lascondiciones experimentales con las que trabajaron. Enel caso de BSA detectaron cambios conformacionalesen SEC debido al uso de urea. Bajo las condicionesmencionadas, observaron una disminucion en la alturadel pico de la proteına nativa a la vez que se observo unincremento en la altura del pico de un intermediario, elcambio en la altura de ambos picos fue completamentedependiente de la concentracion de urea. Los cambiosconformacionales en BSA estan correlacionados consu comportamiento cromatografico durante SEC.Cuando se utilizo IEC e HIC solo se pudo detectar

y cuantificar la forma nativa de BSA. En cuanto alos estudios con IEC, los tiempos de retencion paraespecies cargadas positivamente, como el caso detripsina, disminuyeron cuando se incrementaba laconcentracion de urea. Mientras que tanto la tripsinacomo la lisozima poseen una carga neta positivabajo las condiciones empleadas, tripsina muestra unincremento en el tiempo de retencion; lo que sugiereque el efecto sobre el proceso cromatografico puedeser independiente de cualquier modificacion de lafase estacionaria por la urea. De manera general,en este estudio concluyeron que las alteracionesconformacionales detectadas cromatograficamentepueden ser correlacionadas directamente con loscambios detectados por fluorescencia y la medicionde actividad enzimatica.

Hou y col., (2010) utilizaron 5 proteınas modelospara examinar los efectos de la cromatografıa sobre

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los cambios conformacionales inducidos por ureaen cromatografıa de intercambio ionico (ver Tabla4). Ademas evaluaron la estructura secundaria yterciaria con dicroısmo circular y fluorescencia. Losresultados que obtuvieron indicaron que los tiemposde retencion de las proteınas fueron mas sensibles ala estructura terciaria que a la secundaria. El tamanode HSA (albumina de suero humano) incrementocuando se utilizo una concentracion 7.0 M de urea,sin embargo se observo una disminucion en sucarga. En contraste, para BLA (α-lactoalbumina), eltamano de la proteına no cambia demasiado a unaconcentracion de urea de 7.0 M. Para proteınas comoglucosa oxidasa e invertasa, las estructuras fueronrelativamente estables a 3.0 M de urea mientras quea 7.0 M se observaron algunos cambios menores enel tiempo de retencion. Con esto se pudo observarque los cambios estructurales inducidos por urea sobreel comportamiento cromatografico en IEC pueden sermuy complicados y especıficos para cada proteına(Hou y col., 2010).

La IEC tambien puede ser empleada para llevara cabo el replegamiento de proteınas. En esteproceso la proteına desplegada o desnaturalizadaes primeramente ligada a una columna de IEC yreplegada por intercambio de buffer a su formanativa. Subsecuentemente, la proteına replegadacorrectamente es eluıda y separada del resto delos contaminantes. En este contexto, Yamamotoy col., (2007) investigaron dos sistemas: proteınasdesplegadas o desnaturalizadas (lisozima y BSA)con urea y ditriotreitol (DTT) y proteınas PEGiladas(lisozima ligada a polietilen glicol (PEG) 5000).Ademas desarrollaron un modelo matematico quepredice el volumen de elucion en un gradiente linealde sal y que aplicaron para obtener informacion sobreel numero de sitios ligados. Las muestras de proteınasdesnaturalizadas fueron preparadas incubandolas enun buffer que contenıa 4.0 - 8.0 M de urea y 0.01 Mde DTT. Las condiciones experimentales se muestranen la Tabla 4. Con esto, observaron que las proteınasdesnaturalizadas con urea y DTT mostraron unaretencion mas debil y valores mas grandes de sitiosde union comparados con los valores obtenidos para laproteına nativa. En cuanto a las proteınas PEGiladas,debido al efecto protector de la carga, se observouna retencion mas debil y los valores de los sitios deunion disminuyeron con un decremento del volumende retencion.

La HIC es usada potencialmente para elreplegamiento de proteınas debido a que lasinteracciones hidrofobicas son las fuerzas dominantes

en el plegamiento y estabilizacion de la estructura. Lasproteınas purificadas por HIC usualmente retienen suconformacion nativa y su actividad biologica porquelas interacciones proteına-ligando suelen ser debiles(Hwang y col., 2010).

Deitcher y col. (2009) utilizaron tecnicasde ‘marcado’ con deuterio ademas de un modelomatematico (two-conformation four-state model) quedescribe el equilibrio termodinamico de la adsorcionde proteınas y desnaturalizacion en HIC, utilizandoα-lactoalbumina como modelo experimental (Xiao ycol., 2006; Xiao y col., 2007). Ellos investigaronla dependencia de la sal sobre la adsorcion tanto dela proteına nativa como de la desnaturalizada. Conestos experimentos determinaron que la adsorcion deproteınas desnaturalizadas en superficies hidrofobicasa bajas concentraciones de sulfato de amonio (nomayores a 1.2 M) puede ser reversible, y los modelosapropiados deben tener en cuenta el replegamientosobre la superficie. En el caso de BLA ligada acalcio, se comprobo que la tasa de replegamientosobre la superficie es mas grande que la tasa dedesnaturalizacion (Deitcher y col., 2009).

Hwang y sus colaboradores investigaron el efectode la concentracion de la sal en la fase movil, el tipode elucion, y la hidrofobicidad de la fase estacionariasobre el replegamiento de lisozima en HIC; bajo lascondiciones descritas en la Tabla 4 (Hwang y col.,2010). De manera que observaron que con la debilunion entre la lisozima y la resina menos hidrofobica(butyl sepharose) a una concentracion 1.0 M de sulfatode amonio se puede obtener el mejor rendimiento dereplegamiento. Las condiciones optimas de elucion sepudieron obtener con un incremento lineal de hasta4.0 M de urea. El rendimiento de replegamientofue mejorado de 1.6 a 4.8 veces comparando ladilucion en batch convencional con el metodo de HIC,respectivamente. Con esto pudieron concluir que paraobtener rendimientos optimos de replegamiento esnecesario considerar el tipo de resina, la fuerza ionicay la concentracion del desnaturalizante con respectoa las caracterısticas hidrofobicas de la proteına. Lascaracterısticas hidrofobicas de una proteına son unacombinacion del efecto de la superficie hidrofobica, lacarga superficial, la cantidad de residuos aromaticos yel numero de enlaces disulfuro (Hwang y col., 2010).

La RPC tambien ha sido utilizada para estudiar ladesnaturalizacion de proteınas. Ejemplo de ello es eltrabajo reportado por McNay y col., (2001), en dondemostraron como el tipo de sal y la fuerza ionica afectanla conformacion del inhibidor de tripsina pancreaticade bovino (BPTI).

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Como puede notarse en las investigacionesanteriormente discutidas, el compuesto mas utilizadopara el estudio de los cambios conformacionales deproteınas es la urea, que es bien conocido como unagente desnaturalizante. En este tipo de estudios,se han propuesto dos modelos principales. Unoes llamado el modelo de interaccion directa, enel cual la urea interactua con las cadenas lateralespolares vıa puentes de hidrogeno y otras interaccioneselectrostaticas, ası como a traves de fuerzas de vander Waals. El otro es el modelo indirecto, dondela urea afecta los puentes de hidrogeno del agua,alterando el entorno de la solucion por interaccioneshidrofobicas, en consecuencia cambia la solvatacionde las proteınas. Mientras que teorıas recientessoportan el modelo de interaccion directa, otrasargumentan que ambos mecanismos son igualmenterelevantes (Hou y col., 2010).

Debido al auge de la produccion de proteınasa traves de microorganismos recombinantes, sepreve un aumento en la aplicacion de las tecnicascromatograficas en el replegamiento de proteınasespecialmente utilizando SEC e HIC. Como ya semenciono, una de las grandes ventajas es que sepuede llevar a cabo el replegamiento y el proceso depurificacion en un mismo paso; lo que puede reducirel costo del proceso, especialmente cuando se trabajacon proteınas de interes farmaceutico.

Las condiciones en las cuales se llevan a cabo losestudios de cambios conformacionales y estabilidadde proteınas son diversas y al parecer dependen delas caracterısticas de cada proteına. Esto puedeverse como una desventaja de la aplicacion de losmetodos cromatograficos puesto que es difıcil generarmetodos universales; sin embargo, esto es parte de laversatilidad de las tecnicas cromatograficas.

En los procesos reportados en la Tabla 4 seutiliza tanto cromatografıa a escala analıtica (HPLC)como a escala preparativa (FPLC, Akta explorersystem) (Wang y Geng, 2012). En la mayorıa delos casos los sistemas son facilmente escalables; sinembargo, existen areas de oportunidad, ejemplos deello son los problemas de escalamiento de sistemasde replegamiento asistido por chaperoninas y foldasasdebido a la cantidades estequiometricas que debenutilizarse (Antonio-Perez y col., 2012).

Detectar cambios conformacionales en lasproteınas al mismo tiempo en que se separan opurifican resulta sumamente practico y da una ventajaal proceso, puesto que permite definir facilmentecuales son las condiciones adecuadas bajo las cualeslas proteınas conservan o no su estabilidad. En

muchas ocasiones se pueden formar mezclas deisoformas, que no pueden ser detectadas facilmentecon los analisis convencionales (e.g. electroforesis,tecnicas de cuantificacion de proteınas como Bradfordo Lowry), pero si por tecnicas como IEC, HIC o RPC.

ConclusionesEs evidente que la cromatografıa es un poderosometodo de separacion y analisis de proteınas. Lastecnicas cromatograficas pueden llevarse a cabo pordiferentes mecanismos como son: absorcion continua,adsorcion, particion e intercambio ionico. Sonclaras sus ventajas en la purificacion de proteınas,particularmente las de interes farmaceutico. Lacromatografıa ha sido utilizada con exito paradeterminar cambios conformacionales y estabilidaden proteınas, que ademas pueden ser correlacionadoscon los metodos tradicionales; como fluorescencia.Una de las aplicaciones que ha cobrado relevanciaen la ultima decada es el replegamiento de proteınas,en donde se ha demostrado que el proceso puedeser mucho mas efectivo que cuando se utilizan otrosmetodos (e.g. dialisis y dilucion). Ademas, esposible realizar el replegamiento y el proceso depurificacion de manera simultanea. Sin embargo,es importante considerar que la versatilidad de lastecnicas cromatograficas genera un sinnumero decondiciones experimentales, que pueden depender delas caracterısticas de cada proteına. Es por ello que seidentifica como un area de oportunidad la posibilidadde establecer procesos generales para el analisis de loscambios conformacionales y estabilidad de proteınas.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo financiero delTecnologico de Monterrey a traves de la Catedrade Bioprocesos (CAT-161). Karla Mayolo-Deloisaagradece a CONACyT por la beca No. 27470 pararealizar estudios de posgrado.

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