纯化设备的「智能化」发展:让纯化设备智能起来
来源:    发布时间: 2018-03-01 17:06   225 次浏览   大小:  16px  14px  12px
 生物化学在


 
生物化学在生物学中是一个比较古老的分支,即使在 21 世纪的现在,纯化工作中也仍然在频繁的使用着上个世纪中期的实验技术和设备。重力流纯化、蠕动泵、手提式紫外灯等手动设备仍旧是很多用户的纯化选择。那么现在关于自动化纯化的定义是什么呢?仅仅是一台中高压的纯化仪吗?自动化在蛋白质或其他生物大分子纯化中究竟有什么样的进展呢?「半自动化」的设备和「全自动化」「智能化」设备的本质有何区别呢?
 
实际上, 纯化设备「自动化」的定义一直在变化。几十年前,一个自动记录检测器结果的图表记录仪(走纸仪)就被认为了是自动化。在上世纪 90 年代,逐渐出现了可以进行计算机程控的「自动化」纯化仪器,这些仪器整合了阀门,检测器,系统泵,以及收集器,使一步完整的纯化步骤无需人为的参与,完全依赖纯化系统自动完成。但是一旦涉及到多步纯化或者较复杂的纯化工艺探索,这样的系统只能在人为的操作和干预下才能完成,这样的「自动化」很难归属到真正无人值守的「自动」,这种纯化的纯化设备只是给操作者提供了一套工具,而不是一个「帮手」。当然现在普遍认为,这种纯化只属于「半自动化」,实验的整个过程还需要人的深度介入。
 
为了让纯化设备更加的自动化,生产商不断的推出新的技术。为了可以让操作人员不用频繁的更换溶液,市场上开始出现自动选择多种溶液的溶液选择阀。具有这样的阀门的系统,实验前可以将所用的所有溶液提前准备好,借助系统的程序控制,自动控制溶液地进行实验过程中溶液的切换。同样的,为了减少层析柱的拆卸安装的操作,并联多根层析柱的柱位阀也在市场上出现。为了避免意外的气泡引入到系统或者液体排空,新的气泡感应器技术也应运而生,一旦发现气泡,将给系统发出信号,让系统自动停止或者进行排除气泡的程序。众多新的,可以给纯化带来更多便利的附件设备纷纷在市场上出现,生物大分子纯化的完全自动化在硬件技术上已经做好了准备。
 
在纯化技术的「软件」上,近些年也取得了巨大的进步。过去在实验室探索新目的分子纯化经常使用的离子交换和疏水层析不再是实验室纯化的首选。基因工程技术的进步使纯化人员可以在纯化的上游做出很多设计和改变。当前,给目的分子加入标签来进行高效纯化的重组技术受到了实验人员的喜爱。纯化的流程变得越来越简单。往往亲和层析和脱盐即可完成非常高效的纯化。实验室中进行蛋白的纯化简化成为了固定的一步到三步。只有涉及到少数未知蛋白的纯化才涉及到常规亲和、脱盐、分子筛之外的纯化技术。因此,纯化的思路也从在下游调整纯化介质、调整洗脱条件变为了在上游重新构建表达载体、进行 truncation 和 mutation 多种手段并行。下游的纯化对操作者经验的要求越来越简单。对整个实验以及分子上游技术的要求则更加偏重。由此,纯化技术正由「手工业」向「工业」转变。纯化技术也不再是一门「艺术」而是正在成为一门「工程学」。
 
虽然,「硬件」和「软件」的准备均已充分,但是自动化在当前仍需要解决几个重要的问题:
  1. 多步骤纯化
  2. 多样品高通量纯化
  3. 自动化的工艺摸索
 
多步骤纯化的解决
 
当前关于重组蛋白以及抗体等可以进行高效亲和纯化的类型纯化已经可以完全实现多步的自动化纯化。亲和纯化一般都使用比较极端的条件或者高浓度的溶液才能完成洗脱,结束后需要进行脱盐或溶液置换的处理。重新收集组分,再次进行层析的脱盐或者使用透析法进行脱盐都将原本简单的亲和纯化变得复杂而且时间漫长。在亲和洗脱的过程中串联脱盐,可以以最快速的解决这个问题。并且由于整个过程连贯,没有中间等待以及处理步骤,蛋白质在不稳定溶液中存在的时间较短,所以可以极大的提高蛋白质的产品的品质。目前这个两步串联的亲和纯化已经在抗体的亲和纯化中开始使用。Protein A 之后串联高速脱盐快速完成纯化实验,在部分实验中已经被实验者验证可以一定程度的较少抗体的聚集和提高其效价。
 
Fig 1.  基于 NGC 的柱串联自动化纯化
 
多样品的高通量纯化
 
过去,出现了样品泵以及上样阀以及自动上样器等周边设备。但是和纯化系统的完美整合一直以来都是纯化设备领域一个未能完美解决的问题。自动上样器的上样数量以及上样规模,样品泵和上样阀门的系统组合,纯化数量和效率的平衡,都是影响高通量纯化的瓶颈。此外,更为重要的是高通量纯化都只适用一步纯化,涉及到多步纯化并不能减少操作时间,提高效率。所以一个能够整合全工艺多步骤的高通量纯化才是切实可行的自动化纯化方案。当前,以 Bio-Rad 的 CETAC 整合 NGC Tandem 单抗候选筛选平台为代表的整合系统为这一领域的设备开发提供了非常有价值的指引。多种规格和体积的样品上样以及多步骤纯化串联的整合,高效、快速、无人值守地完成大量纯化工作,为纯化操作者提供了前所未有的便利。
 
Fig 2. CETAC 和 NGC 组成高通量大规模自动筛选平台

自动化工艺探索
 
纯化设备对工艺开发者也具有重要意义。过去,一般认为蛋白质的性质尤其是在纯化过程中的性质是不可被预测和控制的,所以除了大规模高强度的试错筛选外很难有更多的其他的办法。随着更多的蛋白质被纯化出来,更多的蛋白质结构被解析,蛋白化学家对蛋白质的了解也越来越深入。对于蛋白质纯化的认知也在发生改变,随着当前实验设计以及统计学的引入,发现了蛋白质的在溶液中以及纯化过程中的性质变化是可以被掌握和预测的。过去由于蛋白纯化人手动操作过多,包括一些不规范的操作、错误操作以及不进行准确严格的过程控制,没有详细的实验操作纪律的等,在整个纯化过程中引入了太多的变量,这些造成了蛋白质纯化不可控的错误印象。实际上,以化学和统计学为基础的蛋白纯化是完全可控的,这也是蛋白设备自动化向智能化过渡的目标。当前,自动化工艺的探索还处在简单统计学实验设计+自动完成设计实验+统计化分析实验结果的阶段。相信随着自动化设备的完善,不久我们就可以看到完整进行智能化工艺探索的设备。
 
Fig3. Scout 进行系统条件筛选
 
自动化、智能化以及基于用户使用习惯和特殊要求的定制化设备成为了未来纯化设备市场仪器发展的方向。自动化所能带来的高度的可靠、记录可追溯、结果可重复;智能化带来的可以工业方法预测,纯化过程自动优化;以及定制化系统能够提供的完美满足用户需求等诸多益处都给将给纯化用户带来了全新的纯化体验。虽然当前科学家、蛋白化学家以及操作者往往还有众多的顾虑。这些顾虑来源于对过去纯化方式的依赖,来源于对新的自动化产品的较少的尝试。但是随着不断的优秀产品的涌现,生物大分子纯化的「自动化」时代不可阻止的正在到来。
 

Fig 4. 高度定制化系统 NGC
 
图片来源:
Fig1. Fig3, 来源于 Bio-Rad Bulletin 6608 Rev A
Fig2, 来源于 Bio-Rad Bulletin 6690
Fig4,来源于 Bio-Rad 网站

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