Development of new chromatographic support based on gellan gum for pharmaceutical biomolecules isolation

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, Armanda Isabel Carvalho
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.6/3241
Resumo: Higher separation efficiency and resolution have been of great interest in chromatography and have become increasingly important in recent years mainly driven by the challenges of either more complex samples or high sample quantity. Therefore, for the development of new chromatographic matrices is increasingly important to improve the purification efficiency and to decrease the use of resources. Gellan gum is a polysaccharide polymer with natural anionic nature and ability to form thermoreversible gels, seeming to have potential to be used as a chromatographic matrix. In the presence of cations, the gellan polymer suffers conformational transition accompanied by the formation of a three dimensional network, forming a gel. In this work, it was intended to prepare of a stable gellan gum gel to be used as a chromatographic matrix. In order to increase the stability of the gellan gels, different experimental conditions were tested. Experimental design was used to obtain optimal conditions for the gel stability. Due to negative charge of these gels, it was possible to study the interactions established with three model proteins (bovine seric albumin (BSA), α-chymotrypsin and lysozyme). Gellan gum was able to interact with two of these proteins, being able to elute them with an increase in the ionic strength. In this assays a MES buffer with pH 6.2 was utilized. This pH conferred negative charge to BSA and positive charge to α-chymotrypsin and lysozyme, due to their isoelectric points. Assays of dynamic binding capacity were performed to find more characteristics of this new matrix and comparing with commercial resins. The values of dynamic binding capacity of the gellan gum to 10% and 50% breakthrough were 3,9 mg/ml and 17,4 mg/ml, respectively. These values were similar to commercial resins. These results showed that gellan gum might be an innovative and promising chromatographic matrix due to its versatility to interact with different biomolecules and its gelling ability. Thus, the gellan gum gel could have potential to be applied in different scientific domains (purification of complexes cellular extracts or nucleic acids).
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In order to increase the stability of the gellan gels, different experimental conditions were tested. Experimental design was used to obtain optimal conditions for the gel stability. Due to negative charge of these gels, it was possible to study the interactions established with three model proteins (bovine seric albumin (BSA), α-chymotrypsin and lysozyme). Gellan gum was able to interact with two of these proteins, being able to elute them with an increase in the ionic strength. In this assays a MES buffer with pH 6.2 was utilized. This pH conferred negative charge to BSA and positive charge to α-chymotrypsin and lysozyme, due to their isoelectric points. Assays of dynamic binding capacity were performed to find more characteristics of this new matrix and comparing with commercial resins. The values of dynamic binding capacity of the gellan gum to 10% and 50% breakthrough were 3,9 mg/ml and 17,4 mg/ml, respectively. These values were similar to commercial resins. These results showed that gellan gum might be an innovative and promising chromatographic matrix due to its versatility to interact with different biomolecules and its gelling ability. Thus, the gellan gum gel could have potential to be applied in different scientific domains (purification of complexes cellular extracts or nucleic acids).A cromatografia é uma técnica usada para separação e/ou purificação de diferentes biomoléculas com finalidade analítica ou preparativa. Esta técnica tem sido muito aplicada na área da indústria farmacêutica, para a obtenção de proteínas e ácidos nucleicos, entre outras biomoléculas. Com o passar dos anos, a quantidade de amostras e a pureza necessária aumentaram, tornando esta técnica numa das mais usadas na indústria biotecnológica. O desenvolvimento de novas matrizes cromatográficas tem sido um tema de grande importância, a fim de encontrar uma matriz ideal que reúna características como custos associados, eficiente, estável física e quimicamente, com uma elevada eficiência de transferência de massa e reutilizável. A gelana é um polímero polissacárido natural linear que tem sido aplicado em diversas áreas, como indústria alimentar (agente gelificante e espessante), indústria farmacêutica (entrega direcionada de fármacos), podendo também ser aplicada como um substituinte do agar. Este polímero linear em determinadas condições pode sofrer uma alteração conformacional, formando uma dupla hélice. Na presença de catiões, forma uma rede tridimensional, devido às interações ocorridas entre a gelana, os catiões e as moléculas de água em solução, dando origem a um gel. Tendo em conta estas considerações, o presente trabalho foi realizado com o intuito de formular um gel de gelana estável, a fim de adquirir um comportamento de matriz cromatográfica. A preparação dos géis foi feita de acordo com os seguintes parâmetros: concentração de gelana, concentração de catião (zinco), concentração de DMF, temperatura e tempo de reação. Uma vez que a estabilidade dos géis de gelana é afetada por todos estes parâmetros, foram preparadas várias formulações em que se variou apenas um destes parâmetros para verificar qual o seu efeito na estabilidade do gel. As formulações foram testadas de acordo com as seguintes variações: concentração de gelana (0,75% - 2%), concentração de sulfato de zinco (30 – 120 mM), concentração de DMF (0% - 30%), temperatura (temperatura ambiente – 110ºC) e tempo de reação (0.5 horas – “overnight”). Posteriormente foi aplicada uma estratégia de desenho experimental no sentido de definir as condições ideais para a preparação do gel, e consequentemente obter um gel mais estável. Assim, os melhores resultados quanto à estabilidade do gel foram obtidos quando se usou 0,75% de gelana, 48 mM de sulfato de zinco, 0 % DMF, 25ºC, e 0,5 horas. Adicionalmente e aproveitando a natureza aniónica do polímero de gelana, foi possível explorar diferentes interações com as seguintes proteínas modelo (albumina sérica bovina, αquimotripsina e lisozima). Na presença do tampão MÊS com pH 6,2, a albumina sérica bovina encontrava-se com carga negativa, enquanto que a α-quimotripsina e lisozima se encontravam com carga positiva, tendo em conta os respetivos pontos isoelétricos. Sendo assim, a albumina sérica bovina não interagiu com a matriz, visto que ambas têm carga negativa. Pelo contrário, a α-quimotripsina e lisozima ligaram-se à matriz, devido à oposição de cargas. A separação das três proteínas foi conseguida através da eluição por passos, com o aumento gradual da concentração de NaCl no tampão de eluição. A albumina sérica bovina foi a primeira proteína a eluir após a aplicação da amostra, ainda com a passagem do tampão de eluição sem sal. Posteriormente aumentou-se a concentração de sal promovendo-se a eluição da α-quimotripsina . Por fim, para concentrações de sal mais elevadas, e a lisozima que promoveu uma interação mais forte com a matriz de gelana acabou por eluir também. A fim de melhor caracterizar esta nova matriz, foi determinada também a capacidade dinâmica de ligação utilizando uma estratégia de saturação da coluna com uma solução de lisozima 0,05 mg/mL. Os valores obtidos para a capacidade dinâmica de ligação da gelana a 10% e a 50% foram 3,9 mg/ml e 17,4 mg/ml, respetivamente. Comparando com outras matrizes cromatográficas, os valores de capacidade dinâmica de ligação da matriz de gelana estão dentro do esperado. Estes estudos iniciais permitiram concluir que a gelana interagiu com as proteínas, considerando a diferença de cargas, e que a sua eluição também foi possível com o aumento de sal, o que revela uma provável potencialidade como matriz cromatográfica de troca catiónica. Para poder afirmar e provar que o polímero gelana pode constituir uma matriz cromatográfica, devem ser feitos mais ensaios. Nomeadamente testar a purificação de amostras mais complexas e determinar mais parâmetros (como por exemplo a capacidade iónica e o tipo e tamanho de poros) que permitam a otimização da matriz. No futuro, poderemos vir a ter uma matriz versátil com aplicação em diversos domínios científicos.Passarinha, Luís António PaulinoSousa, Ângela Maria Almeida deuBibliorumGonçalves, Armanda Isabel Carvalho2015-04-13T11:08:10Z2013-0620132013-06-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.6/3241enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-12-15T09:39:35Zoai:ubibliorum.ubi.pt:10400.6/3241Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T00:44:43.111629Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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