在前期的「過濾千問」活動(dòng)中,我們?cè)谖⑿殴娞?hào)、小紅書以及Cytiva實(shí)驗(yàn)室用戶群中,收到了大量來自一線實(shí)驗(yàn)室老師的過濾相關(guān)提問。
本期推文將圍繞大家反復(fù)提到的實(shí)驗(yàn)室過濾經(jīng)典問題進(jìn)行集中解答。整個(gè)答疑內(nèi)容將分為上下兩期呈現(xiàn),本篇主要聚焦于實(shí)驗(yàn)室過濾中使用頻率極高、同時(shí)也最容易產(chǎn)生困惑的一個(gè)應(yīng)用場景——超濾。
Cytiva超濾管
Minimate EVO實(shí)驗(yàn)室切向流系統(tǒng)
在超濾相關(guān)問題中,老師們關(guān)注的產(chǎn)品主要集中在超濾管和超濾膜包兩類。其中,關(guān)于超濾管,大家提出了幾個(gè)高度集中的問題:
30 kD的超濾管,是否真的能夠截留30 kD的蛋白?
是否可以利用30 kD超濾管,實(shí)現(xiàn)10 kD與100 kD蛋白的分離?
超濾過程中,如何減少蛋白在濾膜上的吸附,提高回收率?
要回答這些問題,首先需要從超濾管背后的基本原理講起。
超濾本質(zhì)上是一種基于尺寸差異的物理分離過程。通過濾膜對(duì)目標(biāo)分子的選擇性截留,使小分子透過濾膜進(jìn)入濾出液,從而實(shí)現(xiàn)濃縮或分離。
超濾原理
用于衡量超濾管截留性能的關(guān)鍵指標(biāo)是分子量截留值(MWCO)。標(biāo)稱MWCO的定義是:該濾膜能夠截留≥90%的、具有對(duì)應(yīng)分子量的標(biāo)準(zhǔn)球形蛋白質(zhì)。
例如,100 kD超濾管,指的是可以截留90%的100 kD球形蛋白。
不同MWCO超濾管針對(duì)不同分子量的蛋白分子的截留效率
但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,不同老師使用的蛋白樣品在結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和空間形態(tài)上均存在差異,很難與標(biāo)準(zhǔn)測試蛋白完全一致。因此,MWCO并不是一條絕對(duì)的“分界線”,而更多是一個(gè)指導(dǎo)選型的參考指標(biāo)。
基于這一點(diǎn),在使用Cytiva超濾管進(jìn)行選型時(shí),通常建議:
用目標(biāo)蛋白分子量÷3或÷6,作為MWCO的選型經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。
例如,當(dāng)目標(biāo)蛋白分子量約為30 kD時(shí),可優(yōu)先考慮10 kD或5 kD的超濾管,以降低目標(biāo)分子流穿的風(fēng)險(xiǎn)。選擇5 kD的超濾管,能夠保證更高的回收率;選擇10 kD的超濾管能夠保證更高的流速。
在理解了MWCO的含義之后,很多老師會(huì)進(jìn)一步提出一個(gè)進(jìn)階問題:
是否可以利用30 kD的超濾管,將100 kD的目標(biāo)蛋白保留,同時(shí)讓10 kD的小分子雜質(zhì)透過濾膜?
從理論上來說,這一分離思路是可行的。當(dāng)目標(biāo)分子與雜質(zhì)分子在分子量上存在接近一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的差異時(shí),超濾可以作為一種有效的粗分離手段。
但在實(shí)際操作中,分離效果往往與實(shí)驗(yàn)條件密切相關(guān)。超濾過程中,大分子可能在濾膜表面富集,甚至形成局部堵塞,從而影響小分子的正常透過。
大分子堵塞濾膜示意圖
在這種情況下,可以通過以下兩點(diǎn)來改善分離效率:
適當(dāng)增加洗濾體積
優(yōu)化操作參數(shù)
因此,超濾可以用于分離目標(biāo)分子與小分子雜質(zhì),但需要結(jié)合具體體系,通過實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)理想效果。
在超濾實(shí)驗(yàn)中,樣品回收率偏低通常由兩類原因造成。
第一種情況是樣品流穿:
即濾膜未能對(duì)目標(biāo)分子實(shí)現(xiàn)有效截留。針對(duì)這一問題,建議優(yōu)先回到前述選型原則,重新評(píng)估MWCO是否匹配目標(biāo)分子。
第二種情況是膜吸附:
蛋白在濾膜表面的非特異性吸附,是影響回收率的常見因素。
在操作層面,我們建議:
適當(dāng)降低離心力
采用短時(shí)、多次離心的方式
在每次離心間隙,對(duì)樣品進(jìn)行輕柔吹打重懸
離心力越高,蛋白與濾膜之間的相互作用越強(qiáng),膜吸附往往也越明顯。通過優(yōu)化離心方式,往往可以顯著改善樣品回收情況。
除了超濾管之外,也有老師提到,在使用膜包超濾進(jìn)行濃縮時(shí),蛋白溶液會(huì)出現(xiàn)渾濁甚至沉淀的情況。
需要注意的是,膜包超濾同樣屬于物理分離手段。在濃縮過程中,蛋白并不是唯一被富集的成分,溶液中的鹽和小分子也會(huì)同步升高。這可能導(dǎo)致蛋白在高濃度或接近等電點(diǎn)條件下穩(wěn)定性下降,從而產(chǎn)生沉淀。
因此,這類問題通常與蛋白本身性質(zhì)及緩沖體系密切相關(guān)。更合理的優(yōu)化方向是:
評(píng)估體系的pH條件
調(diào)整離子強(qiáng)度
合理設(shè)定目標(biāo)濃縮倍數(shù)
從溶液穩(wěn)定性的角度進(jìn)行整體評(píng)估,往往比單純更換耗材更為有效。
如果這篇內(nèi)容正好解答了你的一部分疑問,或者引出了新的思考,歡迎在評(píng)論區(qū)繼續(xù)提問和交流。
同時(shí),我們也整理過多篇關(guān)于實(shí)驗(yàn)室過濾的專題推文,覆蓋不同應(yīng)用場景,大家可以通過歷史推文鏈接進(jìn)一步了解。
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