La purezza delle proteine è un tema cruciale per l’industria farmaceutica: i principi altamente purificati sono necessari per preparazioni che aiutano le persone nella lotto contro le malattie.
Alla facoltà di tecnologia della Technische Universität München sono in corso lavori sull’uso di separatori magnetici per la purificazione delle proteine nel settore dell’industria farmaceutica e alimentare. In questo contesto viene impiegata una soluzione completa per l’analisi dei processi di Endress+Hauser, in grado di fornire dati affidabili per la gestione dei processi downstream e “Quality by Design approved”.
Scopriamo di più su questa tecnica di purificazione.
Indice:
- Purificazione delle proteine: i limiti della cromatografia
- Purificazione delle proteine: la separazione magnetica
- Flussometri e misuratori di analisi per la massima precisione
- Conclusioni sulla tecnica di purificazione delle proteine mediante separazione magnetica
Le proteine rivestono un ruolo importante nell’industria farmaceutica e alimentare. Nell’ambito delle biotecnologie, ad esempio, vengono impiegati principi altamente purificati nella lotta contro le malattie. Nel campo dell’industria alimentare, invece, questi principi vengono utilizzati in prevalenza come ingredienti per gli alimenti dei bambini e degli sportivi. Il presupposto è sempre la precedente purificazione della proteina fino al raggiungimento di elevati gradi di purezza. All’atto pratico, questa purificazione viene effettuata seguendo diversi passaggi successivi. A uno o più filtraggi segue solitamente la cromatografia. Quest’ultima presenta però degli svantaggi, oltre all’elevata selettività. La sostanza contenente le proteine deve essere pre-filtrata e normalmente sono necessari vari passaggi a livello di cromatografia. Inoltre, il metodo per la purificazione di grandi quantità di proteine non è economico a seconda dello scopo d’uso.
La TU München si è concentrata sull’evoluzione di una nuova procedura in grado di isolare prodotti di qualità con un alto grado di purezza, partendo da grandi quantitativi.
La procedura della separazione magnetica come alternativa al filtraggio e alla cromatografia è diventata il tema principale degli studi. In questo contesto è stato preso in considerazione l’utilizzo di microparticelle monodisperse (i cosiddetti “granuli magnetici”) con speciali molecole leganti. Questo metodo non è tuttavia realizzabile su grande scala a causa del costo dei materiali.
Alla TU München si è presto optato per l’impiego di nanoparticelle di ossido di ferro (Fe3O4), che possono legare selettivamente molecole bersaglio da altre miscele a seconda della funzionalizzazione delle superfici.
Oggi la separazione magnetica non è ancora un metodo diffuso su larga scala a livello tecnico.
Su scala pilota sono però già stati isolati anticorpi da colture cellulari o determinate proteine dal siero del latte.
Le proteine da brodi di fermentazione contenenti solidi residui possono quindi essere legate alle particelle di ossido di ferro superparamagnetiche senza una precedente separazione dei solidi ed essere purificate selettivamente in un unico passaggio.
A questo proposito, le soluzioni contenenti proteine con le nanoparticelle vengono spostate e
miscelate fino al raggiungimento di uno stato omogeneo (adsorbimento).
Questa miscela viene poi trasferita nel separatore magnetico attraverso la vera camera di separazione, in cui le nanoparticelle che si legano alle proteine vengono separate dal liquido e da altri solidi grazie al campo magnetico presente.
Se il campo magnetico viene rimosso o se i magneti vengono disattivati, è possibile risospendere le nanoparticelle e continuare a lavorarle.
Seguono fasi di lavaggio ed eluizione per estrarre la proteina in un elevato grado di purezza e rigenerare le particelle ai fini di un riciclaggio per i successivi processi di batch.
Nella nuova soluzione per la gestione dei processi downstream, tre grandezze analitiche vengono registrate dietro la camera di separazione.
Il pH, misurato con sensori ISFET resistenti all’abrasione di tipo Memosens CPS77E, monitora - insieme al sensore di conducibilità Memosens CLS82E - le condizioni di processo corrette per un’eluizione mirata della proteina bersaglio delle nanoparticelle.
I due sensori vengono montati in un’armatura a deflusso compatta CYA680 con tubi di piccolo diametro.
Per il monitoraggio del contenuto di proteine dell’eluizione viene utilizzato un misuratore dell'assorbimento UV di tipo OUSAF44.
Il segnale può inoltre essere utilizzato per individuare una fuoriuscita indesiderata di nanoparticelle nel prodotto, perché queste assorbono fortemente la luce. Già nel processo, il valore misurato serve quindi al controllo della qualità e fornisce le basi per decidere se estrarre la proteina bersaglio purificata o andare avanti con la separazione.
Durante l’eluizione delle nanoparticelle dalla camera, queste vengono riconosciute dal misuratore dell'assorbimento UV.
Il data logger di Endress+Hauser
Prima della camera di separazione è stato installato un misuratore di portata Coriolis Promass F 100, che monitora la portata generata della pompa, consentendo di determinare i tempi di circolazione quando l’impianto funziona in un circuito.
In questo caso è importante anche che la velocità del flusso non sia eccessivamente alta, per evitare la fuoriuscita delle particelle magnetiche legate dalla camera di separazione. Per l’ottimizzazione della gestione dei processi, tutte le grandezze utilizzate del separatore magnetico vengono trasferite a un data logger di tipo Memograph M RSG45, tramite un'interfaccia Profibus digitale.
I primi risultati della separazione magnetica di molecole bersaglio da sostanze biotecnologiche (per esempio, lisati cellulari) mostrano la possibilità di un’alternativa economica alla procedura cromatografica.
Basti pensare in particolare al fatto che, con la separazione magnetica, non è più necessaria una depurazione preliminare tramite filtraggio e le nanoparticelle hanno un costo inferiore rispetto ai prodotti specifici per la cromatografia. Inoltre, a differenza dei prodotti per la cromatografia, le nanoparticelle impiegate non sono porose, quindi il legame proteico può avvenire senza perdita di resa, favorendo così una gestione dei processi più veloce con tempi di batch più brevi.
Nel complesso sono ancora necessari alcuni lavori di ricerca per valutare l’uso su grande scala della separazione magnetica con nanoparticelle di ossido di ferro nell'industria farmaceutica e alimentare. I risultati ottenuti finora sono però molto promettenti e, in futuro, potranno consentire anche la purificazione su grande scala di altre proteine bersaglio.
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