ES2341283T3 - Separacion de analitos mediante masa molecular y carga. - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para la separación de analitos de acuerdo con su peso molecular, que comprende las etapas de: someter un complejo cargado de dichos analitos a un campo eléctrico usando una matriz que comprende un agente de separación cargado, en el que el agente de separación cargado se distribuye a través de la matriz para crear un gradiente de densidad de carga, separándose de este modo dichos analitos de acuerdo con su carga y peso molecular.

Description

Separación de analitos mediante masa molecular y carga.
Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, a la separación de analitos mediante la aplicación de campo eléctrico y, más específicamente, a un procedimiento y aparato novedoso para la separación de analitos de acuerdo con su masa molecular y su carga, usando una matriz modificada con un agente de separación cargado.
Antecedentes de la invención
Las técnicas más ampliamente usadas para la separación e identificación de productos bioquímicos y otros analitos implican electroforesis en gel. Las matrices usadas actualmente para electroforesis en gel incluyen poliacrilamida, agarosa, gelatina u otros geles formados de polímeros reticulados o polímeros de cadena larga. En electroforesis en gel de poliacrilamida (PAGE), las proteínas cargadas se separan en geles de poliacrilamida basándose en su tamaño (masa molecular) en forma nativa y desnaturalizada. Existen diversos tipos de geles de poliacrilamida, que varían en el grado de reticulación y la naturaleza del tensioactivo de desnaturalización incluido en el gel. El tensioactivo que tiene el uso más extendido es dodecilsulfato sódico (SDS).
El principio de SDS-PAGE se basa en el reconocimiento de que la reacción de proteínas de un intervalo de peso molecular amplio con SDS da como resultado la formación de un complejo con una proporción de masa a carga constante (1,4 g de SDS por 1 g de proteína). El complejo de SDS proteína está cargado negativamente. El depósito de una muestra de proteína desnaturalizada de SDS en un gel de poliacrilamida y la aplicación de un voltaje eléctrico provocará que las proteínas se desplacen en el gel y dará como resultado una separación por tamaño molecular debido a la dependencia del tamaño del coeficiente de fricción del complejo de SDS proteína en el gel para proteínas de tamaños diferentes. Esto da como resultado una dependencia logarítmica de la movilidad el complejo de SDS proteína de la masa de la proteína. Se utilizan geles de diferentes densidades para cubrir intervalos de tamaño molecular específicos. El modo de separación preferido mediante SDS-PAGE se realiza en geles de gradiente en los que la densidad de la poliacrilamida se varía desde la parte superior del gel hasta la parte inferior, típicamente del 4-24% de acrilamida incorporada y posibilita la separación en un intervalo de tamaño amplio.
Otro procedimiento de separación electroforético convencional es el enfoque isoeléctrico (IEF), una técnica especial para separar sustancias anfóteras tales como péptidos y proteínas en un campo eléctrico, a través del cual existe tanto un voltaje como un gradiente de pH, ácido en la región del ánodo y alcalino cerca del cátodo. Cada sustancia en la mezcla migrará hasta una posición en la columna de separación en la que el pH circundante corresponde a su punto isoeléctrico. Allí, en forma zwiteriónica sin carga neta, las moléculas de esa sustancia dejan de moverse en el campo eléctrico. De ese modo, diferentes sustancias anfóteras se enfocan en bandas estacionarias estrechas.
Bjellquist y col. en Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 6 (1982), páginas 317-339, describen una combinación de IEF ("primera dimensión") y SDS-PAGE ("segunda dimensión").
Otro procedimiento usado comúnmente para la separación de proteínas basándose en la carga de la proteína es cromatografía de intercambio iónico (IEC). En IEC, las sustancias cargadas se separan a través de materiales de columna que portan una carga opuesta. Los grupos iónicos de columnas intercambiadoras se unen covalentemente a la matriz de gel y se compensan mediante concentraciones pequeñas de contraiones, que están presentes en el tampón. Cuando una muestra se añade a la columna, tiene lugar un intercambio con los contraiones unidos débilmente. El principio de IEC incluye dos enfoques diferentes: intercambio aniónico e intercambio catiónico de acuerdo con la carga de los ligandos en la resina de intercambio iónico.
Un procedimiento adicional para la separación de proteínas mediante el tamaño de la proteína es cromatografía de exclusión por tamaño. Este procedimiento, también conocido como filtración en gel (GPC) o cromatografía de tamiz molecular, se basa en el tamaño y la forma diferentes de las proteínas. Las proteínas de tamaños diferentes penetran en los poros internos de las perlas hasta grados diferentes. La columna retarda las moléculas de proteína pequeñas mientras que las moléculas grandes pasan a través de la misma más rápidamente.
Otros procedimientos para la separación de proteínas incluyen Electroforesis de Zona Capilar y electrocromatografía.
Aunque estas técnicas de separación se aceptan y utilizan de forma universal, las mismas sufren de varias desventajas y limitaciones. Por ejemplo, las desventajas principales de SDS-PAGE son las limitaciones en la separación de proteínas de masa baja y alta (generalmente <10 kD y >200 kD) y la diferenciación de masa muy baja de proteínas pesadas. Además, el uso de geles de gradiente es complicado y requiere mucho trabajo. Este procedimiento también sufre de precisión baja y repetibilidad baja. Finalmente, el uso de geles de densidad alta puede ralentizar significativamente el procedimiento de separación.
Otras biomoléculas tales como ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN, ARN) también se pueden separar mediante electroforesis en gel. Por ejemplo, los ácidos nucleicos se pueden separar usando geles de agarosa. Las técnicas usadas actualmente para separar ácidos nucleicos sufren de muchas de las desventajas y limitaciones de las técnicas usadas para separar proteínas.
Existe una necesidad no satisfecha en la técnica de procedimientos para la separación de productos bioquímicos tales como proteínas, aminoácidos, ADN, ARN y oligonucleótidos que sean eficaces, rentables y que se puedan utilizar para separar analitos de un amplio intervalo de peso molecular, tamaño y longitud y que se puedan adaptar a gran escala (por ejemplo, purificación) y/o automatizarse.
Sumario de la invención
La presente invención se basa en un principio novedoso para separar analitos tales como proteínas, péptidos, aminoácidos, ADN, ARN y oligonucleótidos y otras biomoléculas, controlando la movilidad electroforética de los analitos en una matriz (por ejemplo, un gel polimérico, vidrio poroso, otros medios porosos, perlas poliméricas inmovilizadas en compartimentos mediante membranas porosas y líquidos de viscosidad alta inmovilizados en compartimentos mediante membranas porosas) modificada con un agente de separación cargado. La matriz comprende regiones estables distribuidas espacialmente cargadas ordenadas en un orden monótono que conserva secuencia, preferentemente comenzando con regiones de carga baja y regiones de densidad de carga baja y terminando con regiones de carga elevada. El intervalo de densidad de carga en la matriz se solapa con el de un complejo de analito cargado de forma opuesta (por ejemplo, un complejo de proteína desnaturalizada-SDS o un fragmento de ADN o ARN). Cuando se aplica un campo eléctrico externo a una muestra de la mezcla de complejo cargado depositada en el extremo de carga baja de la matriz, el complejo se moverá a través de las diferentes regiones cargadas y ocurrirá el enfoque (inmovilización mediante neutralización de carga) de analitos diferentes en diferentes regiones de carga.
Por el contrario a las técnicas de separación convencionales tales como geles poliméricos, en los que la separación se basa en la dependencia de la velocidad de migración (movilidad) del tamaño y la fricción, el principio de separación de la presente invención se basa en la carga total del complejo de analito desnaturalizado. Ya que el complejo conserva la proporción de carga a masa, la carga total del complejo es directamente proporcional a su peso. En esta situación, en un medio de fricción baja, los analitos se moverán en un campo eléctrico con movilidad inicialmente sólo débilmente dependiente del tamaño y perderán su movilidad sólo cuando alcancen las regiones en las que se neutraliza su carga.
Este principio de neutralización de carga para atrapar especies cargadas específicamente es el principio de funcionamiento de las columnas de intercambio iónico. La presente invención se basa en el descubrimiento sorprendente de que este concepto se puede aplicar a sistemas de separación convencionales tales como sistemas electroforéticos en gel para generar matrices novedosas para separar proteínas, ADN, ARN y otras biomoléculas basándose en su carga total, que corresponde a su masa molecular. Tales sistemas de separación no se han descrito previamente.
Por tanto, la presente invención proporciona un procedimiento y un sistema para la separación de analitos, sometiendo a un complejo cargado de analitos a un campo eléctrico usando una matriz (preferentemente una matriz de fricción baja) que comprende un agente de separación cargado, en el que los analitos se separan en base a su peso molecular, como se define en las reivindicaciones 1 y 7.
De acuerdo con los procedimientos de la presente invención, las escala de masa del analito (por ejemplo, proteína, péptido, aminoácido, ADN, ARN u oligonucleótido) generada por el gradiente de carga se puede diseñar para cualquier dependencia funcional de masa separada de la distancia (por ejemplo, lineal) en lugar de logarítmica como en los sistemas de separación convencionales tales como SDS-PAGE. Esto proporciona una ventaja significativa sobre SDS-PAGE, ya que el reemplazo de la escala logarítmica por una escala de masa lineal proporciona precisión mejorada de la determinación de masa y permite la extensión del intervalo de masa separada en regiones de masa muy baja y muy alta.
Cuando la matriz es un gel polimérico, los procedimientos de la presente invención pueden usar cualquier tipo de gel conocido en la técnica. De acuerdo con una realización preferida, el gel polimérico es un gel de poliacrilamida. Sin embargo, también se pueden usar otros geles, por ejemplo, geles de agarosa, geles compuestos de poliacrilamida-agarosa, gelatinas y similares. Una de las ventajas de la presente invención es que la misma favorece el uso de geles de densidad baja para minimizar la fricción y posibilita el enfoque de proteínas grandes en un periodo de tiempo relativamente corto. Los geles adecuados para este tipo de separación incluyen, pero sin limitación, geles de poliacrilamida de porcentaje bajo (por ejemplo, igual o menor de aproximadamente el 5%) o geles de acrilamida agarosa compuestos (por ejemplo, aproximadamente del 2%-5% de acrilamida y aproximadamente del 0,5%-1% de agarosa).
Otra propiedad importante del procedimiento de separación propuesto es la comprensión de que la resolución de una banda separada es independiente de la dimensión del paquete inicial y depende únicamente del gradiente de la distribución de carga en el medio de separación (gel). Esta propiedad retira la necesidad de añadir un gel de apilamiento para compresión de banda como se usa generalmente en SDS-PAGE convencional. Los efectos de difusión que influyen de forma marcada en la dimensión final de las bandas separadas en SDS-PAGE convencional, están ausentes en el procedimiento nuevo debido al procedimiento de enfoque.
Los procedimientos de la presente invención se pueden usar para separar una amplia diversidad de biomoléculas y otros analitos incluyendo proteínas, péptidos, aminoácidos, ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN y ARN) y oligonucleótidos.
Cuando los analitos que se tienen que separar son proteínas o péptidos, el complejo de proteína cargado se puede preparar típicamente poniendo en contacto las proteínas con un agente desnaturalizante cargado, de forma de obtener un complejo de proteína desnaturalizada cargado. El agente desnaturalizante puede ser cualquier reactivo cargado (catiónico o aniónico) y preferentemente es un detergente. Un ejemplo preferido de un agente desnaturalizante de este tipo es dodecilsulfato sódico (SDS). Sin embargo, se pueden usar otros agentes aniónicos o catiónicos desnaturalizantes y de formación de complejos. Los detergentes aniónicos incluyen, por ejemplo, dodecilsulfato de Li y dodecilsulfato de amonio. Los detergentes catiónicos que producen un complejo cargado positivamente son, por ejemplo, bromuro de cetil-metil-amonio (CTAB), cloruro de tetradeciltrimetilamonio, cloruro de dodeciltrimetilamonio (DOTMAC) y desoxicolato sódico.
Los procedimientos descritos en el presente documento son aplicables no sólo a separación de proteínas y péptidos, sino también a la separación de ácidos nucleicos y oligonucleótidos. El ADN y otras cadenas de ácido nucleico están cargadas de forma natural y, por consiguiente, los mismos ácidos nucleicos pueden formar el complejo de analito cargado que se separa usando los geles de la presente invención.
En general, el agente de separación cargado (también denominado en el presente documento medio de separación cargado) es un material que está cargado positivamente (catiónico) o negativamente (aniónico) y puede ser típicamente cualquier material que se use comúnmente en las técnicas de separación de intercambio iónico (es decir, resinas de intercambio iónico). Como alternativa, el agente de separación puede ser derivados de acrilamido usados para la preparación de tiras de enfoque isoeléctrico (inmobilinas).
Los geles adecuados para su uso en los procedimientos de la presente invención incluyen, pero sin limitación, geles de placa, geles planos, geles capilares, geles en tubo, geles en canales separados (por ejemplo, un canal de gel en una matriz sólida), columnas de separación o cualquier otra geometría que conserve la distribución de carga de forma que se pueda generar un gradiente de densidad de carga. Esto posibilita un diseño en el que la resolución de masa lineal se puede optimizar para diferentes regiones de masa.
Otros medios o sustratos adecuados para su uso en los procedimientos y sistemas de la presente invención son medios porosos sobre los que se pueden inmovilizar especies aniónicas o catiónicas cargadas (vidrio poroso, etc.) o líquidos de viscosidad alta inmovilizados en compartimentos mediante membranas porosas. Otro medio adecuado puede comprender perlas de polímero porosas que incorporan el agente de separación cargado, por ejemplo, perlas de intercambio iónico y colocadas en compartimentos separados por una membrana porosa.
La cantidad del agente de separación que se tiene que incluir en la matriz variará dependiendo del tipo de analito que se esté separando. Por ejemplo, si el analito tiene un peso molecular elevado, típicamente se usará una concentración más grande de agente de separación para conseguir una densidad de carga más elevada y la separación adecuada. Si el analito tiene un peso molecular bajo, se usarán cantidades y concentraciones de los agentes de separación más bajas. Las cantidades típicas de agentes de separación cargados que se tienen que usar en los geles de la presente invención incluyen desde aproximadamente 0,1 nM hasta aproximadamente 400 mM de agente de separación cargado.
Los procedimientos novedosos de la presente invención eliminan la mayoría de las limitaciones de las técnicas de separación convencionales, tanto prolongado el intervalo de masa a la región de tamaños de analito bajos y altos como mejorando la precisión de la determinación de masa en el intervalo completo. Las ventajas de los procedimientos de la presente invención con respecto a los sistemas de separación convencionales incluyen: 1) reemplazo de la escala logarítmica con una escala de masa prediseñada (por ejemplo, lineal) para precisión mejorada de la determinación de masa; 2) extensión del intervalo de masa en analitos de masa baja y alta (por ejemplo, proteínas, ADN, ARN, etc.); 3) sin efectos de difusión; 4) no hay dependencia de la anchura de banda separada de las dimensiones de paquete iniciales; 5) la densidad de gel usada en esta aplicación es preferentemente muy baja lo que facilita el procedimiento de separación (velocidad de desplazamiento más rápida); 6) no hay necesidad de geles de gradiente; 7) no hay necesidad de gel de apilamiento; 8) rentabilidad y 9) debido a la abundancia enorme de resinas de intercambio iónico y otros medios de separación cargados tales como inmobilinas, los procedimientos de la invención son fáciles de usar y se pueden utilizar para separar una gran variedad de analitos de un amplio intervalo de masa, tamaño o longitud.
Como se ha demostrado en el presente documento, una ventaja significativa de la presente invención es la capacidad de separar proteínas en el intervalo de masa bajo, por ejemplo, entre 1-20 kD. Este intervalo generalmente no se puede conseguir en SDS-PAGE convencional y se está volviendo cada vez más importante debido al interés en los péptidos y proteínas de señalización de masa baja (Peptidome) y en péptidos que se producen como resultado de la digestión de proteínas específicas. Adicionalmente, los procedimientos de la presente invención permiten el fraccionamiento de componente de masa baja a partir de una mezcla de complejo de proteína atrapando selectivamente el componente de masa elevada.
Por tanto, la presente invención proporciona un procedimiento nuevo y versátil y matrices para la separación de analitos usando técnicas de separación tales como electroforesis. Los mismos son adecuados para electroforesis plana capilar en tubo, así como conjuntos de canales múltiples de capilares llenos con geles de gradiente de carga, conjuntos en serie de compartimentos específicos con densidad de carga que solapa un intervalo de masa estrecho, conjuntos en un formato de microplaca (que pueden ser automatizados), conjuntos de enfoque de masa prediseñados para masas de proteína específicas en aplicación para diagnósticos de proteína y de marcador de ADN, dispositivos de inmovilización de compartimentos múltiples para intervalos de masa específicos adecuados para fraccionamiento de masa de muestras de complejo de proteínas o fragmentos de ADN que son susceptibles de aumento de escala (purificación) y otros sistemas de separación que usan otro medio de fricción baja, en condiciones ampliamente diferentes.
Por ejemplo, basándose en la capacidad de inmovilización selectiva (enfoque) de los geles cargados, se puede construir un sistema de compartimentos múltiples que fraccionará una muestra de proteína o ADN compleja en masa (tamaño) inmovilizando las proteínas o fragmentos de ADN en compartimentos específicos de acuerdo con su tamaño (carga).
La disponibilidad de muchos tipos de resinas de intercambio iónico cargadas y otros materiales cargados que se pueden incorporar como medios de separación cargados en geles y otros medios porosos, permite el uso extensivo de sistemas de la invención para separar una gran variedad de analitos. Más importante, la capacidad de generar gradientes de separación prediseñados proporciona una ventaja enorme con respecto a los procedimientos practicados actualmente y posibilita la separación eficaz de analitos a pesos moleculares, tamaños y longitudes muy altos o muy bajos. De estas manera y de otras, los sistemas de la presente invención son superiores a los sistemas de separación convencionales que se usan actualmente.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se comprenderá y apreciará más completamente a partir de la siguiente descripción detallada considerada junto con los dibujos adjuntos:
Figura 1a, b, c: Ejemplos de gradientes de carga que se pueden construir en un medio de separación de acuerdo con la presente invención.
Figura 2: Patrón de separación de masa de marcadores de peso molecular de proteína coloreados en un gel de placa.
Figura 3: Distribución de proteínas por masa. Escala vertical - masa en kilo-Daltons (kD). Escala horizontal - distancia de bandas diferentes en la imagen del gel desde el borde superior en milímetros.
Figura 4: Diseño de un patrón de distribución de carga basado en la Tabla 2a (I) y la Tabla 2b (II) (se conserva el orden pero no es lineal). Los números en la escala vertical corresponden al número de composición en las tablas. La escala horizontal es en kD.
Figura 5: Patrón de separación de una proteína de hasta 250 kD de acuerdo con la distribución de carga de la Figura 4 (marcadores de proteína: 4 kD - insulina, 22 kD mioglobina, 148 kD - fosforilasa, 250 kD - miosina).
Figura 6: Separación de proteínas a 400 kD (colágeno).
Figura 7: Patrón de separación de proteínas en el intervalo de 100-250 kD a partir de una mezcla compleja de extracto de semillas de trigo.
Figura 8: Imagen de marcadores de proteína de masa baja separados en un gel de gradiente de carga.
Figura 9: Patrón de separación de productos de digestión tríptica de mioglobina (Imagen izquierda - gel de gradiente de carga, Imagen derecha - gel de PAGE convencional).
Figura 10: Dibujo esquemático de un gel compuesto (parte superior - sección de inmovilización de poliacrilamida no cargada, parte inferior - gel de gradiente de inmobilina de proteína de masa baja).
Figura 11: Imagen de separación de una mezcla de BSA y productos de tripsinización de BSA en un gel compuesto.
Figura 12: Imagen de separación de mioglobina y b-lactoglobulina en un gel de resolución en comparación con SDS PAGE convencional (a - gel cargado de acuerdo con la presente invención, b - gel convencional).
Figura 13: Dispositivo de fraccionamiento de masa de compartimentos múltiples (dibujo e imagen de separación de marcadores de proteína coloreados).
Figura 14: Dibujo esquemático de un dispositivo de fraccionamiento de masa de compartimentos múltiples basándose en compartimentos de líquido cargado.
Figura 15: Imagen de SDS-PAGE de los resultados de fraccionamiento en un dispositivo de fraccionamiento de dos cámaras.
Figura 16: Dibujo esquemático de un dispositivo de fraccionamiento de masa de compartimentos múltiples basado en inmovilización de masa selectiva en perlas de inmobilina PA.
Figura 17: Dibujo esquemático de un dispositivo de fraccionamiento de masa de compartimentos múltiples en forma de microplaca.
Figura 18: Imagen de separación de productos de digestión tríptica de BSA en una microplaca de fraccionamiento de masa de 70 compartimentos.
Figura 19: Patrón de separación de fragmentos de ADN.
Figura 20: Distribución de fragmentos de ADN a lo largo del gel de separación. Eje vertical - longitud de fragmentos en pb, eje horizontal - distancia en el gel desde el inicio en mm x 1,72.
Descripción detallada de la presente invención
La presente invención se basa en el descubrimiento de una matriz de separación novedosa para separar proteínas, péptidos, aminoácidos, ADN, ARN, oligonucleótidos y otras biomoléculas. La matriz (por ejemplo, una matriz de fricción baja) está compuesta de un medio tal como un gel polimérico u otro medio poroso adecuado tal como vidrio poroso, perlas de polímero porosas inmovilizadas en compartimentos mediante membranas porosas o un líquido viscoso inmovilizado en un compartimento de membrana porosa modificado con un agente de separación cargado, que se distribuye a través de la matriz en regiones cargadas (que pueden ser continuas o separadas) ordenadas en un orden monótono conservando la secuencia, preferentemente comenzando con regiones de carga y densidad de carga baja y finalizando con carga elevada. Un complejo de analito cargado (por ejemplo, un complejo de proteína desnaturalizada-SDS) se carga en la matriz, preferentemente en su extremo de carga baja. Cuando se aplica un campo eléctrico externo, el complejo migra a través de las diferentes regiones cargadas y se producirá el enfoque (inmovilización mediante neutralización de carga) de analitos diferentes en diferentes regiones de carga. El principio de separación de la presente invención se basa en la carga total del complejo de analito, que es directamente proporcional a su peso molecular o tamaño o longitud. Debido a que los analitos de diferentes tamaños poseen diferentes cargas, los mismos migrarán de forma diferente a través de la matriz, consiguiendo de ese modo la separación de acuerdo con el peso molecular, el tamaño o la longitud de los analitos.
De acuerdo con los procedimientos de la presente invención, la escala de masa del analito (por ejemplo, proteína, péptido, aminoácido, ADN, ARN u oligonucleótido) generada por el gradiente de carga tiene una dependencia de la distancia de masa funcional prediseñada (por ejemplo lineal) en lugar de logarítmica como en los sistemas de separación convencionales tales como SDS-PAGE. Los ejemplos no limitantes de la dependencia de masa funcional que se pueden incorporar en una matriz se presentan en las Figuras 1a, 1b y 1c. Esto proporciona una ventaja significativa con respecto a SDS-PAGE, ya que el reemplazo de la escala logarítmica por una escala de masa lineal proporciona precisión mejorada de la determinación de masa y permite la extensión del intervalo de masa separada en proteínas de masa muy baja y muy alta. La dependencia de distancia de masa se puede diseñar para tener diferentes pendientes (para gradientes lineales) en regiones diferentes de la distribución de carga, permitiendo una separación de alta resolución de los analitos en un intervalo de peso molecular deseado o dependencia funcional diferente en regiones diferentes. Esta propiedad es muy importante para la separación mejorada en el análisis de regiones de masa con abundancia elevada de proteínas diferentes.
De acuerdo con una realización preferida, el agente de separación cargado se distribuye a través de la matriz de forma de crear un gradiente de densidad de carga. Preferentemente, el gradiente se crea distribuyendo las regiones cargadas en una secuencia monótona (continua o separada) a través del gel. El término "monótono" se refiere a un aumento o disminución ordenado y gradual en el gradiente de densidad de carga. El gradiente preferentemente comienza con regiones de densidad de carga baja y termina con regiones de densidad de carga alta.
Una realización alternativa de la distribución de carga en una matriz está representada por una distribución constante de las especies cargadas a través de la matriz. Cuando las biomoléculas se mueven electroforéticamente a través de una matriz cargada de este tipo cada biomolécula adquirirá una carga eficaz correspondiente a la diferencia entre su carga específica y la carga de la matriz. La movilidad electroforética resultante se modificará de acuerdo con esa carga eficaz y dará como resultado la redistribución de las bandas de masa en comparación con el patrón en una matriz no cargada. La elección apropiada de la carga constante permite mejorar la resolución espacial de bandas de masa específicas. Una matriz cargada de este tipo se puede usar, por ejemplo, como un gel de resolución cuando se requiere la separación mejorada de bandas próximas entre sí.
Matriz y Agentes de Separación Cargados
Existe una gran cantidad de procedimientos y materiales que posibilitan el diseño de medios de separación cargados con carga distribuida de forma espacial. En general, todos esos procedimientos se basan en la incorporación de resinas de intercambio iónico aniónico o catiónico en concentraciones y composiciones variables. Los solicitantes de la presente invención han descubierto que estas resinas, cuando se incorporan en y/o se inmovilizan en matrices tales como geles, vidrio poroso, perlas o compartimentos de líquido viscoso, crean entornos locales cargados como en los medios de intercambio iónico. El diseño de la concentración local de la especie de intercambio iónico activa de acuerdo con la distribución de carga esperada de los analitos desnaturalizados, por ejemplo, proteínas, proporcionará el medio para separar y segregar los analitos de acuerdo con su tamaño.
La matriz usada en la presente invención preferentemente es una matriz de fricción baja. La movilidad de proteínas o fragmentos de ADN cuando un campo eléctrico los empuja en un medio depende de la carga de la biomolécula y de la fricción en el medio de separación. Por lo tanto, es provechoso minimizar el componente de fricción para alcanzar la posición de enfoque (neutralización de carga) en un tiempo razonable. Una "matriz de fricción baja" como se usa en el presente documento se define como una matriz en la que el coeficiente de fricción es comparable con el coeficiente de fricción en una poliacrilamida al 4% o menor. Los coeficientes de fricción de geles de poliacrilamida se conocen de forma rutinaria por un experto en la materia. Los intervalos de coeficiente de fricción de traslación se pueden obtener a partir de artículos publicados sobre las movilidades y viscosidades de geles de concentración diversa, como se conoce por un experto en la materia. Véase, por ejemplo, Reptation Mechanism in Protein-Sodium-Dodecylsulfate (SDS) Polyacrylamide -Gel Electrohpresis Autores: Xuan-Hui Guo y Sow-Hsin Chen, Physical Review Letters Volumen 64, Número 21 (1990), Páginas 2579-2582 y las referencias citadas en el mismo. Los valores obtenidos de coeficientes de fricción para geles entre el 4%-20% para proteínas entre \sim 20 kD-200 kD están entre aproximadamente 10^{-5}-10^{-3} Newton/cm/s. Las matrices de fricción baja de la presente invención tienen, en realizaciones representativas, coeficientes de fricción que están dentro de este intervalo, preferentemente en el extremo inferior del mismo o coeficientes de fricción que son inferiores a 10^{-5}-10^{-3} Newton/cm/s.
La matriz puede comprender geles sólidos de densidad baja como poliacrilamida o agarosa que pueden incorporar los agentes de separación cargados. Como alternativa, se pueden usar matrices líquidas que son capaces de incorporar las moléculas cargadas. Tales líquidos pueden ser, por ejemplo, poliacrilamida de concentración muy baja (por ejemplo, al 1%) que se puede copolimerizar con inmobilinas. Otra posibilidad son polímeros lineales, los cuales debido a la carencia de reticulación se comportan como un líquido viscoso. Otra realización puede ser mezclas de líquidos no cargados (agua) y perlas de polímero que incorporan el agente de separación cargado (por ejemplo, perlas de intercambio iónico preparadas a medida, perlas de poliacrilamida con inmobilinas, etc.). Ya que la neutralización de carga ocurre únicamente en las perlas su densidad debe ser lo suficientemente alta para detener a todas las biomoléculas que se desplazan a través del medio.
Cuando la matriz cargada es un líquido altamente viscoso o una mezcla de sólido líquido (perlas) existe la necesidad de contener el medio que representa una densidad de carga específica en un compartimento aislado de sus compartimentos vecinos para evitar la mezcla. Esto se consigue colocando el medio cargado entre separadores que comprenden membrana no cargada. Una membrana de este tipo debería permitir el transporte de las biomoléculas cargadas pero evitar la intermezcla del contenido de cada compartimento. El material de la membrana no cargada puede ser una membrana polimérica como agarosa, poliacrilamida, celulosa, etc. El mismo debe ser tan delgado como sea posible para minimizar el tiempo de desplazamiento y aún así soportar el contenido del compartimento. El medio de separación (líquido o mezcla de líquido-perla) preferentemente no se inmoviliza sobre la membrana. La membrana sirve únicamente como un separador físico.
Los ejemplos de tales materiales de intercambio iónico adecuados como los agentes de separación de carga incluyen diversas resinas de intercambio iónico orgánicas compuestas de polielectrólitos de peso molecular elevado. Los ejemplos no limitantes de resinas de intercambio iónico adecuadas son:
1) Resina de Intercambio Aniónico Dowex 66
2) Resina de Intercambio Aniónico Dowex 1-X2 (AG 1-X2)
3) Resina de Intercambio Aniónico Dowex 1-X4 (AG 1-4X)
4) Resina de Intercambio Aniónico Dowex 1-X8 (AG 1-4X)
5) AG MP-1
6) Amberlite^{TM} IRA-401
7) Amberlite^{TM} IRA-402
8) Amberlite^{TM} IRA-400
9) Amberlite^{TM} CG-400
10) Amberlite^{TM} IRA-904
11) DUOLITE® ^{113}
12) DUOLITE® ^{A161}
13) Resina de Intercambio Aniónico Dowex ^{2-X8} ^{(AG2-x8)}
14) Resina de Intercambio Aniónico Dowex ^{2-X10} ^{(AG} ^{2X10)}
15) Amberlite^{TM} IRA-410
16) DUOLITE ^{A116}
17) DUOLITE® ^{A162}
18) Biorex 9
19) Biorex 5
20) DUOLITE ^{A} ^{303}
21) DUOLITE ^{A378}
22) Resina de Intercambio Aniónico Dowex ^{3-X4A} ^{(AG} ^{3-X4A)}
23) Amberlite^{TM} IR-45
24) Amberlit IRA-67
25) Amberlite^{TM} IRA-93
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Otro ejemplo de agentes de separación adecuados son tampones de acrilamido usados para la preparación de Tiras de Enfoque Isoeléctrico (inmobilinas). Las inmobilinas son derivados de acrilamida que son ácidos débiles o bases débiles y tienen la estructura general CH_{2}=CH-CO-NH-R, en la que R contiene un grupo carboxilo o uno amino.
Otra forma de preparar los gradientes de densidad de carga estable en matrices de gel es incorporando (polimerizando, inmovilizando) secuencias polipeptídicas en el gel mediante procedimientos conocidos de electroforesis en gel de afinidad (usando, por ejemplo, hemoglobina, lectinas, etc.).
Para gradientes cargados negativamente, también es posible utilizar fragmentos de ADN inmovilizados.
Se pueden obtener densidades de carga deseadas usando cualquiera de estos reactivos, solos o en cualquier combinación.
Debe ser evidente para un experto en la materia que la presente invención no está limitada al uso de los reactivos descritos anteriormente y que se puede usar cualquier otro reactivo capaz de crear un gradiente de carga estable a través de un gel polimérico u otra matriz porosa en los procedimientos y sistemas de la presente invención.
Los principios de la presente invención diferencian significativamente del principio de cromatografía de intercambio iónico. La cromatografía de intercambio iónico se basa en la propiedad anfótera de proteínas y la carga de proteína específica se determina mediante el pH de la solución tampón que contiene la mezcla de proteína. La columna de intercambio iónico se diseña para atrapar mediante neutralización de carga esa proteína cargada específica mientras que otras proteínas pasan a través de la columna. De acuerdo con la presente invención cuando se aplica a la separación de proteínas, cada proteína adquiere una carga específica mediante la formación de complejo con un agente desnaturalizante tal como SDS y la carga es proporcional a la masa de la proteína. Por lo tanto, de acuerdo con la presente invención, se usa un medio de gradiente de carga y las proteínas se neutralizan por su carga (masa) independiente de los tampones.
La cantidad de agente de separación cargado que se tiene que incluir en la matriz variará dependiendo del tipo del analito que se esté separando. Por ejemplo, si el analito tiene un peso molecular elevado, se usará típicamente una cantidad mayor de agente de separación para conseguir la separación adecuada. Si el analito tiene un peso molecular bajo, se usarán cantidades más bajas de los agentes de separación. En general, para generar un gradiente de densidad de carga inmovilizado en un medio de separación, se tiene que calcular la concentración necesaria de las especies generadoras de carga que se tienen que incorporar en el gel en cada punto del gradiente. La densidad de carga se estima a partir de la concentración y la constante de disociación del compuesto cargador. La Tabla 1 más adelante presenta algunos ejemplos de un diseño de un gradiente de concentración en un gel de poliacrilamida utilizando un agente de separación cargado de inmobilina con pH=9,3. La constante de disociación conocida para esta inmobilina particular es \sim0,1 a temperatura ambiente.
Suponiendo una geometría de banda convencional como en SDS-PAGE, las densidades y volúmenes de carga en esta tabla corresponden a la neutralización de carga de cantidades máximas de 1 microgramo de proteína específica.
La Tabla 1 presenta las composiciones de un gradiente de densidad de carga construido para masas moleculares de desde 0,1 kD hasta 300 kD.
TABLA 1 Concentración de inmobilina para crear un gradiente de densidad de carga en gel
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2
3
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Las Tablas 2A y 2B presentan las composiciones de un gradiente de densidad de carga compuesto a partir de una mezcla de inmobilinas construidas para masas moleculares de hasta 250 kD.
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TABLA 2A y 2B Un gradiente de densidad de carga compuesto a partir de una mezcla de inmobilinas para peso molecular hasta 250 kD TABLA 2A
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TABLA 2B
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La Tabla 3 presenta las composiciones de un gradiente de densidad de carga compuesto a partir de una mezcla de inmobilinas construidas para masas moleculares de hasta 400 D.
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TABLA 3 Composición de inmobilinas para intervalo de masa de 400 kD
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La Tabla 4 presenta composiciones seleccionadas de inmobilinas para enfoque de fragmento de ADN de longitud específica. Los valores de inmobilinas específicas se proporcionan en microlitros.
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TABLA 4 Composición de inmobilinas para fragmentos de ADN específicos
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Complejo de Analito
Los procedimientos de la presente invención se pueden usar para separar una amplia diversidad de biomoléculas y otros analitos incluyendo, pero sin limitación, proteínas, péptidos, aminoácidos, ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN y ARN) y oligonucleótidos. Un complejo cargado del analito se separa usando los sistemas de la presente invención y se consigue la separación de acuerdo con el peso molecular, el tamaño o la longitud del analito.
Cuando los analitos que se tienen que separar son proteínas o péptidos, típicamente se puede preparar un complejo de proteína cargado poniendo en contacto las proteínas con un agente desnaturalizante, de forma de obtener un complejo de proteína desnaturalizada cargada. El agente desnaturalizante puede ser cualquier reactivo que, cuando se pone en contacto con las proteínas, da como resultado un complejo de proteína cargado. Típicamente el agente de desnaturalización es un detergente y está cargado positivamente o negativamente. Un ejemplo preferido de un agente desnaturalizante de este tipo es dodecilsulfato sódico (SDS). Sin embargo, es evidente para un experto en la materia que el complejo SDS-proteína es únicamente un ejemplo de complejos desnaturalizados cargados de proteínas conocidos en la técnica y que se pueden usar otros reactivos desnaturalizantes y de formación de complejo en los procedimientos de la presente invención. Por ejemplo, los detergentes aniónicos son por ejemplo dodecilsulfato de Li y dodecilsulfato de amonio. Los detergentes catiónicos que producen un complejo cargado (cargado positivamente) son, por ejemplo, bromuro de cetil-metil-amonio (CTAB), cloruro de tetradeciltrimetilamonio, cloruro de dodeciltrimetilamonio (DOTMAC) y desoxicolato de sodio. Los procedimientos de la invención son aplicables para la separación de complejos de proteína-detergente como se han enumerado anteriormente.
Los procedimientos descritos en el presente documento son aplicables no sólo a separación de proteína y péptidos, sino también a la separación de ácidos nucleicos y oligonucleótidos (por ejemplo, fragmentos de ADN). A diferencia del caso de complejos de proteínas desnaturalizadas en el que el complejo se carga debido a la presencia del agente desnaturalizante cargado, el ADN y otras cadenas de ácido nucleico están cargados de forma natural. Por consiguiente, cuando los analitos que se tienen que separar son ácidos nucleicos, los mismos ácidos nucleicos pueden formar el complejo de analito cargado que después se separa usando los sistemas de matriz porosa de la presente invención. Ya que la carga total del ADN es proporcional a su masa, mediante el uso de los procedimientos de la presente invención, se puede obtener enfoque de cargas diferentes (longitudes) para fragmentos de ADN en una escala lineal, mejorando de ese modo la diferenciación y resolución. Esto es opuesto a los procedimientos de separación convencionales para ADN, que se caracterizan por movilidades que dependen logarítmicamente de la longitud del
fragmento.
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Sistemas de Matriz
En una realización, la presente invención proporciona sistemas que se pueden usar para separar analitos basándose en el peso molecular de los analitos. En una realización actualmente preferida, la matriz es un gel polimérico. De acuerdo con esta realización preferida, los geles de la presente invención son geles poliméricos que se han modificado para incluir un agente de separación cargado. Los geles contienen regiones cargadas que dan como resultado un gradiente de densidad, que puede ser continuo o separado, distribuido a través del gel. Preferentemente, el gradiente de carga se crea desde una carga baja hasta una carga alta.
Se puede usar cualquier tipo de gel polimérico conocido en la técnica en los procedimientos y sistemas de la presente invención. De acuerdo con una realización preferida, el gel polimérico es un gel de poliacrilamida. Sin embargo, también se pueden usar otros geles, por ejemplo geles de agarosa, geles de poliacrilamida-agarosa compuestos, gelatina y similares.
Otra matriz adecuada para la presente invención son líquidos viscosos como, por ejemplo, poliacrilamida de muy baja densidad u otras matrices en las que se pueden incorporar los agentes de separación cargados.
Una de las desventajas de los sistemas de gel convencionales tales como SDS-PAGE es la necesidad de usar geles de gradiente con densidades de polímero variables para abarcar intervalos de masa más grandes. La conducción de la separación con geles densos puede ralentizar el procedimiento de separación debido a una velocidad de desplazamiento lenta. Los procedimientos de la invención utilizan geles de densidad baja o líquidos densos para minimizar la fricción y posibilitar el enfoque rápido de proteínas grandes en un tiempo corto. Los geles adecuados para este tipo de separación incluyen, pero sin limitación, poliacrilamida de porcentaje bajo (por ejemplo, aproximadamente el 5% o menos) o geles de acrilamida agarosa compuestos (aproximadamente del 2%-5% de acrilamida y aproximadamente del 0,5%-1% de agarosa). El sistema de gel anterior permite el uso de poliacrilamida de porcentaje muy bajo como la matriz y sustrato de tamizado para especies cargadas enlazadas covalentemente mientras que la agarosa proporciona soporte mecánico.
Los geles adecuados para su uso en los procedimientos de la presente invención incluyen, pero sin limitación, geles de placa, geles planos, geles capilares, geles en tubo, carriles de gel específicos en canales, columnas de separación o cualquier otra geometría que conserve la distribución de carga. Esto posibilitará un diseño en el que la resolución de masa lineal se puede optimizar para diferentes regiones de masa.
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Para preparar los geles modificados de la presente invención, el agente de separación cargado se mezcla típicamente con el resto de los constituyentes del gel y se lleva a cabo la polimerización y el moldeado del gel como lo conoce un experto en la materia para cada sistema de gel.
En el caso de un gel de poliacrilamida, el procedimiento o preparación de un gel de placa con un gradiente de carga incorporado se puede preparar mediante un procedimiento convencional de moldeado de geles análogo a la preparación de tiras de Gradiente de pH Inmovilizado (IPG) con las cantidades apropiadamente diseñadas de resina de intercambio iónico o inmobilina. La preparación de bandas de IPG se ha descrito en, por ejemplo: ELECTROPHORESIS IN PRACTICE por Reiner Westermeier, Segunda Edición, VCH, 1997.
En el caso de un formato de gel de placa los procedimientos de la presente invención pueden reemplazar todos los procedimientos convencionales de SDS-PAGE. En este caso las proteínas desnaturalizadas de SDS se someten a un procedimiento electroforético en una forma equivalente al procedimiento usado actualmente y usando el mismo equipo que se usa convencionalmente en la técnica.
Las matrices de la presente invención pueden estar en forma de un gel de película plana delgada o gruesa, que tiene típicamente un espesor que varía de 0,5 mm a 3 mm y las dimensiones de típicamente 2 cm x 13 cm hasta 18 cm x 20 cm, las mismas se pueden llenar en un capilar o tubos que tienen típicamente un espesor de aproximadamente 50-500 mm, por ejemplo, 100 mm, 75 mm y 50 mm o pueden estar en forma de un canal único o canales múltiples con sección transversal de 100 micrómetros x 100 micrómetros o 1 mm x 1 mm y una longitud de 1 cm hasta 20 cm.
Provechosamente, las matrices de la presente invención se pueden aplicar y extender a sistemas de conjuntos múltiples tales como conjuntos en serie de compartimentos específicos con densidad de carga que se solapa con un intervalo de masa específico unido por un medio de fricción baja, conjuntos en un formato de microplaca, conjuntos de enfoque de masa prediseñados para masas de proteína específicas en aplicación para diagnósticos de proteína y de marcador de ADN, dispositivos de inmovilización de compartimentos múltiples para intervalos de masa específicos adecuados para fraccionamiento de masa de muestras complejas de proteínas o fragmentos de ADN y susceptibles de aumento de escala (purificación) y otros sistemas de separación que usan otros medios de fricción baja, en condiciones ampliamente diferentes. Por ejemplo, basándose en la capacidad de inmovilización selectiva (enfoque) de los geles cargados, se puede construir un sistema de compartimentos múltiples que fraccionará una muestra de proteína o ADN compleja por masa (tamaño) inmovilizando las proteínas o fragmentos de ADN en compartimentos específicos de acuerdo a su tamaño (carga).
Los procedimientos de la invención reemplazan todos los procedimientos de separación de SDS-PAGE y se pueden usar para la detección de cantidades muy pequeñas de proteínas en un compartimento específico con una carga específica. Una aplicación importante de la tecnología se refiere a la capacidad de la separación de proteínas por masa con una resolución predeterminada (0,5-1 kD) en un formato y tamaño conveniente de 1 ó 2 dimensiones.
El dispositivo similar a microplaca, en una realización, comprende canales específicos (píxeles de masa) de geles cargados, poseyendo cada píxel una densidad de carga para enfocar una masa específica. Los píxeles específicos se pueden interconectar en serie con un puente de un gel no cargado de fricción baja (por ejemplo, agarosa) o con interconexiones líquidas. El dispositivo de microplaca puede ser automático usando técnicas de automatización conocidas comúnmente en el campo.
Tal conjunto lineal interconectado cubrirá un intervalo de masa específico con la resolución de masa predeterminada. Los conjuntos lineales colocados en paralelo, correspondiendo cada uno a un intervalo de masa diferente darán como resultado un conjunto 2D que cubre un intervalo de masa deseado desde péptidos de masa muy baja hasta proteínas de masa elevada. Por ejemplo, las dimensiones totales de una microplaca de 2D con una resolución de 1 kD en el intervalo de 1-500 kD puede tener típicamente dimensiones de aproximadamente 7x7 cm.
Usando la misma configuración es posible diseñar una microplaca que enfoque únicamente proteínas predeterminadas con propósitos de diagnóstico. Si se emplea con marcadores de color fluorescentes o marcadores radiomarcados, una microplaca de este tipo posibilitará la lectura rápida para la detección de marcadores de proteína específicos.
La invención también se puede usar para enfocar complejos de proteína-anticuerpo en compartimentos prediseñados para aplicaciones de diagnóstico, así como para la separación de resolución alta de fragmentos de ADN.
Además de los geles poliméricos (por ejemplo, geles de poliacrilamida, geles de agarosa y geles de composición de poliacrilamida-agarosa), otros medios o sustratos adecuados para su uso en los procedimientos de la presente invención son medios en los que se pueden inmovilizar especies aniónicas o catiónicas cargadas, tales como vidrio poroso, polímeros líquidos de viscosidad alta, perlas poliméricas etc.
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Sección de detalles experimentales Ejemplo 1 Separación de Proteínas
Un gel de placa de poliacrilamida al 10% de gradiente de carga de 8 cm de largo y 0,7 cm de ancho se preparó apilando y polimerizando capas de 40 x 2 mm de alto de solución de poliacrilamida mezclada con diversas concentraciones de inmobilina pH 9,3 de acuerdo con la Tabla 1. Esto dio como resultado un gel con un gradiente de carga incorporado que comenzaba desde una carga y densidad de carga muy baja y terminaba en una carga alta. El gradiente de carga se calculó que era lineal hasta un grado apreciable.
Después de la polimerización, se depositó una muestra de marcadores de peso de masa de proteína coloreada desnaturalizada de SDS (solución de SDS al 0,14% incubada con solución de marcador al 0,1% en DDW compuesto de alfa y beta insulina, aprotinina, lisozima, inhibidor de tripsina, anhidrasa carbónica y ovoalbúmina) mediante procedimientos convencionales en el gel de placa y se sometió a un campo eléctrico de 100 V durante 2 horas en un tampón de DDW.
En la Figura 2 se muestra un patrón de separación de masa obtenido mediante el procedimiento de separación. Como se muestra, se obtuvo un patrón de separación de alta calidad de marcadores de masa en el intervalo de masa de 2,5 kD y hasta 45 kD. Los resultados demuestran la aplicabilidad del procedimiento para la separación de proteínas por masa.
La distribución de masa de las proteínas en el gel ha mostrado ser hasta un grado alto lineal en distancia. La Figura 3 es un gráfico que muestra la distribución de las proteínas en masa. La escala vertical representa la masa en kilo Daltons (kD) y la escala horizontal representa la distancia en milímetros de bandas diferentes en la imagen de gel desde el borde superior. El reemplazo de la escala logarítmica de sistemas electroforéticos convencionales con la escala lineal proporciona ventajas significativas, tales como precisión mejorada de la determinación de masa y la capacidad de optimizar la separación para diferentes regiones de masa, incluyendo intervalos de peso molecular muy bajo y muy alto.
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Ejemplo 2 Separación de Proteínas de Peso Molecular Elevado y Separación de una Mezcla de Complejo
Este Ejemplo demuestra la flexibilidad de diseño de los gradientes de densidad de carga de la presente invención. Un gradiente de carga que se extiende a masa de proteína elevada se diseñó de acuerdo con la Tabla 2, que se basa en una combinación de varias inmobilinas con diferentes pH. Basándose en este gradiente, un gel de placa de poliacrilamida al 4% con dimensiones de 8 cm de largo, 2 cm de ancho y 0,5 mm de espesor se polimerizó a partir de capas apiladas de 2 mm de acuerdo con los valores expuestos en la Tabla 2 en una secuencia como se presenta en la Figura 4. Una muestra de proteínas constituida por: insulina (4 kD), mioglobina (22 kD), Fosforilasa (148 kD) y Miosina se separó mediante los procedimientos de la invención. El tiempo de separación fue 3 h a 150 V en un tampón de DDW. En la Figura 5 se proporciona un patrón de separación de masa obtenido por el procedimiento de separación. Como se muestra, se consiguió un patrón de separación de alta calidad de una proteína con un peso molecular de 250 kD.
Los resultados demuestran la aplicabilidad del procedimiento para la separación de proteínas de pesos moleculares elevados y la capacidad de procedimiento para diseñar geles para regiones de masa específicas.
Los procedimientos de la presente invención también se pueden usar para separar proteínas de pesos moleculares incluso más altos. La Figura 6 muestra la extensión del intervalo de proteínas hasta 400 kD, usando un gel de gradiente basado en la Tabla 3.
Además, se preparó un gel de gradiente de carga lineal basándose en la Tabla 2a y 2b por el procedimiento descrito anteriormente. Una muestra desnaturalizada constituida por un extracto de semillas de trigo se separó usando el procedimiento como se ha expuesto en el Ejemplo 2. La Figura 7 representa el patrón de separación de proteínas por encima de 100 kD.
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Ejemplo 3 Separación de Proteínas de Masa Baja
Este ejemplo demuestra la aplicabilidad de la invención para separar proteínas en el intervalo de masa baja entre 1-20 kD. Este intervalo generalmente no se consigue en SDS-PAGE convencional y se ha vuelto más y más importante debido al interés en péptidos y proteínas de señalización de masa baja (Peptidome) y en péptidos que se producen como resultado de la digestión de proteínas específicas.
Las proteínas usadas en este ejemplo eran marcadores de masa molecular (intervalo de PM 2.512-16.949) (Amersham - GE, Código N 80-1129-83). El gel de gradiente de inmobilina PA al 4% usado en este ejemplo se preparó con tampón de inmobilina pKa 10,3 (Nº de cat. 01741, Fluka). Se prepararon las siguientes soluciones de monómero de partida:
Solución de Inmobilina de concentración elevada (H-IMB)
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Solución de Inmobilina de concentración baja
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Las soluciones anteriores se usaron para moldear y polimerizar minigeles de gradiente de 0,75 mm de espesor (0-18 mM de Inmobilina) empleando un mezclador de gradiente comercial (Amersham).
La composición del Tampón de Gel (Tris/Acetato 0,48 M pH 6,4) era la siguiente:
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Materiales de partida:
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La separación de proteínas se desarrolló en un sistema horizontal Multiphor II (Amersham) con un tampón de ánodo y de cátodo de la manera siguiente:
Tampón de electrodo de cátodo (Tris 0,1 M, Tricina 0,1 M y SDS al 0,1%)
Tampón de electrodo de ánodo (Tris 0,1 M, Acetato 0,1 M y SDS al 0,1%).
Condiciones de desarrollo:
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La imagen de la separación de los marcadores de masa baja se muestra en la Figura 8. La Figura 9 presenta una imagen de separación obtenida a partir de la electroforesis de productos de una digestión tríptica de mioglobina separada en el gel de gradiente de inmobilina descrito anteriormente (izquierda) junto con el resultado de separación obtenido en una SDS-PAGE convencional (derecha).
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Ejemplo 4 Fraccionamiento Selectivo y Separación en Gel de Proteínas de Masa Baja
Este ejemplo demuestra la aplicabilidad del procedimiento de la invención para el fraccionamiento de componente de masa baja a partir de una mezcla de proteínas compleja inmovilizando selectivamente el componente de masa elevada. Para ese propósito se preparó un gel de poliacrilamida como se presenta en la Figura 10. El gel estaba constituido por dos partes: la capa superior de PAAG al 15% (15 mm de longitud, 85 de anchura) sirvió como la capa de inmovilización para el BSA de masa elevada no tratado y un gel de gradiente de inmobilina de PAAG al 4% (77 mm de longitud; 85 mm de anchura) para la separación de péptidos en el intervalo de hasta 20 kD.
El gel de gradiente de inmobilina (PA al 4%, concentración de inmobilina 0-25 mM) se preparó mediante el siguiente procedimiento: se usó tampón de inmobilina pKa 10,3 (nº de Cat 01741, Fluka) para la creación de gradientes de inmobilina.
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Soluciones de monómeros
Solución de Inmobilina de concentración alta
15
Solución de Inmobilina de concentración baja
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Las soluciones anteriores se usaron para moldear y polimerizar minigeles de gradiente de 0,75 mm de espesor (0-25 mM de Inmobilina) empleando un mezclador de gradiente comercial (Amersham).
La composición del Tampón de Gel era:
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Los materiales de partida fueron:
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La separación de proteínas se desarrolló en un sistema horizontal Multiphor II (Amersham) con un tampón de ánodo y de cátodo de la forma siguiente:
Tampón de electrodo de cátodo (Tris 0,1 M, Tricina 0,1 M y SDS al 0,1%)
Tampón de electrodo de ánodo (Tris 0,1 M, Acetato 0,1 M y SDS al 0,1%).
Las condiciones de desarrollo para la electroforesis fueron:
100 V (corriente \sim3,0 mA; consumo de energía – 0,3 W) duración – 25 min
300 V (corriente <10 mA; consumo de energía <3W) duración – 5 h
La imagen de gel resultante obtenida en este ejemplo se muestra en la Figura 11.
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Ejemplo 5 Gel de Resolución
El siguiente ejemplo demuestra las capacidades de resolución de un gel con una densidad constante de inmobilinas.
Se polimerizó un gel de poliacrilamida al 7% que incorporaba 5 mM de inmobilinas de pK 12. Una muestra que comprendía una mezcla de dos proteínas con una diferencia de masa de \sim1 kD (\beta-lactoglobulina y mioglobina) se separó electroforéticamente en el gel cargado en un sistema de Leamly convencional.
El patrón resultante en la Figura 12a muestra una separación grande de esas dos fracciones. La Figura 12b muestra el patrón correspondiente obtenido en un sistema de Leamly convencional en un gel de poliacrilamida al 7% no cargado en el que casi no se observa separación de las dos bandas.
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Ejemplo 6 Dispositivo de Fraccionamiento Multicompartimento de Gel
El siguiente ejemplo demuestra una aplicación importante de los procedimientos de la invención. Basándose en la capacidad de inmovilización selectiva (enfoque) de los geles cargados, se puede construir un sistema multicompartimento que fraccionará una muestra compleja de proteína o ADN por masa (tamaño) inmovilizando las proteínas o fragmentos de ADN en compartimentos específicos de acuerdo con su tamaño (carga).
El dispositivo se construye como un sistema en serie de membrana de gel de inmobilina en orden creciente de concentración de inmobilina, estando cada membrana separada de su vecina por un tabique de división de gel de agarosa de baja densidad. Para este ejemplo se preparó un dispositivo con 25 compartimentos de inmobilina de poliacrilamida al 4% de 1,5 mm de grosor, dispuestos en un gradiente por etapas de concentración de inmobilina e intercalados con una membrana de agarosa al 1% de 0,2 mm de espesor. El gradiente de inmobilina en gel por etapas se preparó vertiendo y polimerizando las soluciones de gel de PA en formas creadas por las membranas de agarosa. Las composiciones y procedimientos de polimerización fueron como se ha mostrado en los ejemplos anteriores.
Para la separación electroforética se depositaron marcadores de complejos de proteína-SDS en un compartimento de tampón en el lado de baja concentración de inmobilina y se desplazaron a través del sistema mediante un campo eléctrico aplicado.
Se emplearon tampones como en los ejemplos 3 y 4. La muestra de proteína estaba constituida por tres proteínas coloreadas - insulina (2,5 kD), aprotinina (6,3 kD) e inhibidor de tripsina (14.3).
Las condiciones de desarrollo fueron:
Voltaje - 500 V. Tiempo de desarrollo - 2 horas
El resultado del experimento muestra una localización de las proteínas coloreadas en sus compartimentos apropiados.
La Figura 13 presenta una imagen del resultado y un dibujo esquemático del dispositivo.
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Ejemplo 7 Dispositivo de Fraccionamiento de Masa Multicompartimento Líquido
Este ejemplo demuestra el comportamiento de un dispositivo de fraccionamiento multicompartimento en el que el medio de neutralización de carga está constituido por un líquido viscoso en la forma de una poliacrilamida al 1% con inmobilinas y se usa para el fraccionamiento de una mezcla compleja de proteínas en fracciones abarcando intervalos de masa diferentes.
El dispositivo se construyó como se presenta en la Figura 14a y 14b con los siguientes materiales:
Pared del compartimento - un PAAG al 15% (0,75 mm de espesor);
Material del compartimento: poliacrilamida al 15 con inmobilinas.
Los materiales de partida fueron:
Acrilamida (Nº de Cat. 161-0108 BioRad); Inmobilina (tampón de Inmobilina pKa 10,3 (Nº de Cat. 01741, Fluka)); TEMED (Nº de Cat. 161-0800, Bio-Rad);
Persulfato de Amonio (Nº de Cat. 161-0501, Bio-Rad); dodecilsulfato sódico (Nº de Cat. L3771, Sigma).
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La composición de la poliacrilamida al 1% fue la siguiente:
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A objeto del presente ejemplo se preparó un dispositivo de dos compartimentos. En la cámara de muestra del dispositivo se depositó una muestra constituida por una mezcla de BSA y productos de digestión tríptica de BSA. Se empleó un sistema de dos tampones como en los ejemplos anteriores. El dispositivo se hizo funcionar a 100 V durante 10 horas. A continuación del experimento, el contenido de cada compartimento se colocó en una cavidad de un gel de SDS-PAGE convencional y se separó electroforéticamente junto con una muestra de marcador de proteína para el intervalo de masas de hasta 45 kD.
El patrón de separación resultante se presenta en la Figura 15. Como se puede observar, cada compartimento contenía inmovilizada una fracción de masa diferente - la imagen de la izquierda abarca la masa grande, la imagen central la masa ligera y la línea derecha representa la muestra de marcador de masa comercial.
En la Figura 16 se muestra otra configuración que muestra una realización alternativa del sistema multicompartimento.
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Ejemplo 8 Microplaca de Fraccionamiento de Masa Multicompartimento
Este ejemplo demuestra el concepto de la microplaca multicompartimento que representa una aplicación importante de los procedimientos de la invención. Se preparó una microplaca multicompartimento de acuerdo con el diseño como se muestra en la Figura 17. En una placa de PMMA se realizaron con máquina 70 orificios 1 mm de diámetro y 1 mm de longitud. Cada orificio se llenó con una solución de poliacrilamida al 4% e inmobilina para crear un gradiente por etapas en serie de concentración de inmobilina (0-35 mM). Los lechos cortos de PA inmobilina resultantes se interconectaron mediante uniones de agarosa al 1%. Se usó tampón de inmobilina pKa 10.3 (Nº de Cat. 01741, Fluka) para la creación de los gradiente de inmobilina. Las soluciones de gradiente de inmobilina se prepararon como en los ejemplos anteriores.
Una muestra de digestión tríptica de BSA se depositó en el compartimento de la muestra y se desplazó electroforéticamente a lo largo del gradiente de inmobilina.
Las condiciones de desarrollo fueron las siguientes:
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100
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A continuación de la separación, la microplaca se tiñó mediante Azul de Commassie y se visualizaron las proteínas acumuladas en diferentes compartimentos. La imagen resultante se muestra en la Figura 18.
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Ejemplo 9 Separación de Fragmentos de ADN
Se polimerizó una escalera discreta de mezclas de inmobilina en un gel de poliacrilamida al 4% para preparar una banda de 7 cm de largo.
Se separó una mezcla de fragmentos de ADN en el intervalo de 100 pb a 1100 pb en esa banda mediante electroforesis. El voltaje aplicado fue 200 V y el tiempo de desarrollo fue 3,5 horas.
La Figura 19 presenta el patrón obtenido. Los número romanos corresponden a fragmentos diferentes. La distribución de los fragmentos a lo largo de la banda de gel es lineal hasta un grado elevado como se muestra en la Figura 20.

Claims (13)

1. Un procedimiento para la separación de analitos de acuerdo con su peso molecular, que comprende las etapas de:
someter un complejo cargado de dichos analitos a un campo eléctrico usando una matriz que comprende un agente de separación cargado,
en el que el agente de separación cargado se distribuye a través de la matriz para crear un gradiente de densidad de carga, separándose de este modo dichos analitos de acuerdo con su carga y peso molecular.
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2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que
la matriz es una matriz porosa; o
dichos analitos se separan mediante electroforesis; o
la dependencia de la movilidad del complejo cargado del peso molecular de los analitos está predeterminada; o
el gradiente de carga es desde una densidad de carga baja hasta una densidad de carga alta; o
el agente de separación de carga está distribuido uniformemente a través de la matriz; o
el agente de separación y el complejo de analito tienen cargas opuestas; o
dicho agente de separación está cargado positivamente; o
dicho agente de separación está cargado negativamente; o
dicho agente de separación es una resina de intercambio iónico; o
dicho agente de separación es una inmobilina; o
dichos analitos se seleccionan entre el grupo constituido por aminoácidos, polipéptidos, proteínas, péptidos, ácidos nucleicos tales como ADN, ARN y oligonucleótidos; o
dicha matriz se selecciona entre el grupo constituido por un gel de placa, un gel plano, un gel en un tubo, un gel capilar, un canal de gel en una matriz sólida, series capilares de canales múltiples que comprenden geles de gradiente de carga, conjuntos en serie de compartimentos discretos que comprenden geles de densidad de carga, conjuntos en un formato de microplaca, series de enfoque de masa para masas de proteína preseleccionadas y dispositivos de inmovilización multicompartimento para intervalos de masas preseleccionados.
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3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la matriz se selecciona entre el grupo constituido por un gel polimérico, vidrio poroso, líquido de viscosidad alta y perlas poliméricas.
4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que
el líquido de viscosidad alta y las perlas poliméricas se separan en compartimentos mediante una membrana porosa; o
el gel polimérico es un gel de poliacrilamida.
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5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho complejo de analito cargado se forma poniendo en contacto dichos analitos con un agente desnaturalizante cargado.
6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que
dicho agente desnaturalizante es un detergente; o
dicho agente desnaturalizante está cargado negativamente, preferentemente en el que dicho agente desnaturalizante se selecciona entre el grupo constituido por dodecilsulfato sódico (SDS), dodecilsulfato de litio y dodecilsulfato de amonio; o
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dicho agente desnaturalizante está cargado positivamente, en el que preferentemente dicho agente desnaturalizante se selecciona entre el grupo constituido por bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB), cloruro de tetradeciltrimetilamonio, cloruro de dodeciltrimetilamonio (DOTMAC) y desoxicolato de sodio.
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7. Un sistema para la separación de analitos de acuerdo con su peso molecular, que comprende:
un complejo cargado de dichos analitos; y
una matriz que comprende un agente de separación cargado, en la que el agente de separación cargado se distribuye a través de toda la matriz para crear un gradiente de densidad de carga.
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8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7,
en el que la matriz es una matriz porosa; o
en el que la dependencia de la movilidad del complejo cargado del peso molecular del analito está predeterminada; o
en el que el gradiente de carga es desde una densidad de carga baja hasta una densidad de carga alta; o
en el que el agente de separación de carga está distribuido uniformemente a través de la matriz; o
en el que dicha matriz se selecciona entre el grupo constituido por un gel de placa, un gel plano, un gel en tubo, un gel capilar, un canal de gel en una matriz sólida, series capilares de canales múltiples que comprenden geles de gradiente de carga, conjuntos en serie de compartimentos discretos que comprenden geles de densidad de carga, conjuntos en un formato de microplaca, series de enfoque de masas para masas de proteína preseleccionadas y dispositivos de inmovilización multicompartimento de intervalos de masa preseleccionados; o
en la forma de una serie de canales múltiples de capilares; o
en la forma de una microplaca que comprende una pluralidad de compartimentos, comprendiendo cada compartimento una matriz que comprende un agente de separación cargado.
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9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la matriz se selecciona entre el grupo constituido por un gel polimérico, vidrio poroso de poro abierto, líquido de viscosidad alta, perlas de polímero porosas y gel polimérico poroso.
10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el líquido de viscosidad alta y las perlas de polímero porosas están separados en compartimentos por una membrana porosa.
11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el gel polimérico es un gel de poliacrilamida.
12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichos analitos se separan mediante electroforesis.
13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos analitos se seleccionan entre el grupo constituido por aminoácidos, polipéptidos, proteínas, péptidos, ácidos nucleicos tales como ADN, ARN y oligonucleótidos.
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