Purification of protein therapeutics via high-affinity supramolecular host–guest interactions

Jaeyeon An, Sungwan Kim, Annadka Shrinidhi, Junghyun Kim, Hasanul Banna, Gihyun Sung, Kyeng Min Park* & Kimoon Kim*

 

화학과 김기문 교수, 기초과학연구원(IBS) 박경민 박사 공동연구진은 인공분자를 이용한 분자 끈끈이 원리를 적용해 세포에서 발현된 다양한 종류의 단백질의약품을 고효율, 고순도로 정제하는 범용성 단백질의약품 정제 기술을 개발하는데 성공했다. 기술 개발의 핵심 요소인 분자 끈끈이 원리는 연구단에서 세계 최초로 발견한 호박 모양의 인공 합성분자인 쿠커비투릴과 아다만탄이라는 분자 사이의 초강력 분자 인지 특징을 이용한 인공 분자 결합쌍 기술이다. 연구진은 이러한 분자끈끈이 원리를 이용한 새로운 정제 기술을 분자량이 작은 항바이러스제, 인터페론 알파는 물론이고 블록버스터급 항암제, 허셉틴에도 적용해 고효율, 고순도로 단백질의약품을 성공적으로 정제했다. 특히, 작고 안정적인 인공분자를 적용해, 정제 재료의 제조 용이성, 멸균성과 재사용성을 안정적으로 확보할 수 있었을 뿐 아니라, 정제된 단백질의약품의 순도와 생산성을 높일 수 있었다. 또한, 유전공학적 조절과 효소 처리를 통해 필요한 단백질에 아다만탄을 도입하면 단백질의약품의 크기나 종류에 상관없이 정제하는데 성공함으로 이 기술의 범용성도 확인하였다. 연구 결과는 Nature Biomedical Engineering에 게재되었다.

 

Efficient purification is crucial to providing large quantities of recombinant therapeutic proteins, such as monoclonal antibodies and cytokines. However, affinity techniques for manufacturing protein therapeutics that use biomolecule-conjugated agarose beads that harness specific biomolecular interactions suffer from issues related to protein denaturation, contamination and the need to maintain biomolecule-specific conditions for efficient protein capture. Here, we report a versatile and scalable method for the purification of recombinant protein therapeutics. The method exploits the high-affinity and controllable host–guest interactions between cucurbit[7]uril (CB[7]) and selected guests such as adamantylammonium. We show that the Herceptin (the brand name of trastuzumab, a monoclonal antibody drug used to treat breast cancer) and the much smaller cytokine interferon α-2a can be purified by site-specifically tagging them with adamantylammonium using the enzyme sortase A, followed by high-affinity binding with CB[7]-conjugated agarose beads and the recovery of the protein using a guest with a stronger affinity for CB[7]. The thermal and chemical stability of CB[7] beads and their scalability, recyclability and low cost may also make them advantageous for the manufacturing of biosimilars.

 

https://www.nature.com/articles/s41551-020-0589-7