THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna...

74
THERAPEUTIC THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi Edited by Sudjadi

Transcript of THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna...

Page 1: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

THERAPEUTIC THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS PROTEIN ANALYSIS

Edited by SudjadiEdited by Sudjadi

Page 2: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

BiofarmaseutikalBiofarmaseutikal

merupakan biomolekul yang berguna merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern: bioteknologi modern: – ProteinProtein– Asam nukleat Asam nukleat

Page 3: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Protein FarmasetikProtein Farmasetik

Protein obatProtein obat– InsulinInsulin

Protein yang digunakan untuk mensintesis Protein yang digunakan untuk mensintesis obatobat– Penisilin asilasePenisilin asilase

Page 4: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

• Very large (mostly) and unstable molecules

• Structure is held together by weak non-covalent

forces

• Easily destroyed by relatively mild storage

conditions

• Easily destroyed/eliminated by the body

• Hard to obtain in large quantities

The Problem with Proteins

Page 5: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Elimination by B and T cells (antibodies)

Proteolysis by endo/exo peptidases

Small proteins (<30 kD) filtered out by the

kidneys very quickly

Unwanted allergic reactions may develop (even

toxicity)

Loss due to insolubility/adsorption

The Problem with Proteins

(in vivo - in the body)

Page 6: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Noncovalent Covalent

• Denaturation Deamidation

• Aggregation Oxidation

• Precipitation Disulfide

exchange

• Adsorption Proteolysis/

hydrolysis

The Problem with Proteins(in vitro - in the bottle)

Page 7: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Noncovalent

Page 8: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Noncovalent Covalent

• Denaturation Deamination

• Aggregation Oxidation

• Precipitation Disulfide

exchange

• Adsorption Proteolysis/

hydrolysis

The Problem with Proteins(in vitro - in the bottle)

Page 9: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

At elevated temperature and extreme pH

Page 10: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Under air or potent oxidantsReplace by inert gas or antioxidant

oxidation

Page 11: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Disulphide exchange can result in aggregation

Disulphide exchange

Page 12: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Proteolytic degradation

Proteases belong to:

1.Serine proteases I or II2.Cysteine proteases3.Aspartic proteases4.Metalloproteases I or II

Protein with tight packing ~ less susceptible to protease attack

ExopeptidaseEndopeptidase

Page 13: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Analysis of final product

1.Protein-based contaminants- other proteins- viral particles- pyrogenic substances- DNA fragment- microorganism

2.Removal of altered form of protein interested3.Product potency

- bioassays

Page 14: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Diabetes - Insulin

Discovered in 1921 by Banting and BestDiscovered in 1921 by Banting and Best

Consist of Consist of AA & & BB chains linked by 2 disulfide chains linked by 2 disulfide bonds (plus additional disulfide in A)bonds (plus additional disulfide in A)

~ ~ ~ ~

A = 21 amino acids B = 30 amino acids

Page 15: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Comparison of Human Comparison of Human Insulins/AnalogsInsulins/Analogs

Insulin Onset of Duration ofPreparations Action Peak Action

Regular 30-60 min 2-4 h 6-10 h

NPH/lente 1-2 h 4-8 h 10-20 h

Ultralente 2-4 h Unpredictable 16-20 h

Lispro/aspart 5-15 min 1-2 h 4-6 h

Glargine 1-2 h Flat ~24 h

Page 16: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Gly ThrGlu Phe Tyr Pro Lys Thr

Gly ThrGlu Phe Tyr Asp Lys Thr

23 24 25 26 27 28 29 30

Insulin

Aspart

Primary Structure of Primary Structure of Asp(B28)-InsulinAsp(B28)-Insulin

Page 17: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

ThrPhe Tyr Pro Lys Thr

25 26 27 28 29 30

InsulinB-chain

Glargine ThrPhe Tyr Pro Lys Thr Arg Arg

AsnLeu Glu Tyr Cys Gly

AsnLeu Glu Tyr Cys Asn

16 17 18 19 20 21

InsulinA-chain

Glargine

Primary Structure of Primary Structure of Gly(A21), Arg(B31), Arg(B32)-InsulinGly(A21), Arg(B31), Arg(B32)-Insulin

Page 18: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Gly ThrGlu Phe Tyr Pro Lys Thr

Gly ThrGlu Phe Tyr Pro Lys Thr

23 24 25 26 27 28 29 30

Insulin

Detemir

(CH(CH22))44

NHNH

COCO

RR

Primary Structure of Lys(B29)-N-Primary Structure of Lys(B29)-N---Tetradecanoyl, Des(B30)-InsulinTetradecanoyl, Des(B30)-Insulin

Page 19: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Amino acids essentialfor receptor binding

ala gly cys lys asn phe phe

cys ser thr phe thr

lys

trp

Dphe cys phe

throl

cys thr

lys

Dtrp

OctreotideHuman somatostatin

Somatostatin and Octreotide:Molecular Characteristics

Harris AG. Drug Invest. 1992;4(suppl 3):1-54.

Page 20: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Shelf Life of Recombinant Protein DrugsShelf Life of Recombinant Protein Drugs

NameName ProteinProtein Physical Physical FormForm Expiration Dating PeriodExpiration Dating Period

HumulinHumulin HIHI liquidliquid 2 years (2-8 C)2 years (2-8 C)

OrthocloneOrthocloneOKT3OKT3 MuMAbMuMAb liquidliquid 1 year (2-8 C)1 year (2-8 C)

Roferon-ARoferon-A IFN-a2aIFN-a2a solidsolid 3 years (2-8 C)3 years (2-8 C)

Intron AIntron A IFN-a2bIFN-a2b solidsolid 3 years (2-8 C)3 years (2-8 C)

ActivaseActivase TPATPA solidsolid 2.5 years (2-8 C)2.5 years (2-8 C)

ProtropinProtropin hGHhGH solidsolid 2 years (2-8 C)2 years (2-8 C)

Page 21: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Use Life of Reconstituted SolutionsUse Life of Reconstituted Solutions

NameName ProteinProtein Maximum Hold Maximum Hold TimeTime BacteriostatBacteriostat

Roferon-ARoferon-A IFN-IFN-2a2a 1 month at 2-8 C1 month at 2-8 C phenol (0.3 %)phenol (0.3 %)

Intron AIntron A IFN-IFN-2b2b 1 month at 2-8 C1 month at 2-8 C benzyl alcohol (0.9)%benzyl alcohol (0.9)%

ActivaseActivase TPATPA 14 days at 2-8 C14 days at 2-8 C m-cresol (0.3%)m-cresol (0.3%)

ProtropinProtropin22 hGHhGH 7 days at 2-8 C7 days at 2-8 C benzyl alcohol (0.9)%benzyl alcohol (0.9)%

HumatropHumatropee

hGHhGH 8 hours at 2-30 C8 hours at 2-30 C nonenone

Page 22: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Stability-Indicating Test Methods for Stability-Indicating Test Methods for Recombinant ProteinsRecombinant Proteins

MethodMethod Change that can be detectedChange that can be detected Example of UseExample of Use

SDS PageSDS Page fragmentationfragmentation IFN-IFN-

crosslinkingcrosslinking hGHhGH

oligomerizationoligomerization IFN-IFN-

RP-HPLCRP-HPLC deamidationdeamidation InsulinInsulin

crosslinkingcrosslinking InsulinInsulin

methionine oxidationmethionine oxidation IL-2IL-2

disulfide scramblingdisulfide scrambling IL-2IL-2

IEFIEF deamidationdeamidation IL-1IL-1

Potency DeterminationPotency Determination disulfide scramblingdisulfide scrambling IFN-IFN-

Page 23: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Stability of Recombinant TNF (Liquid Stability of Recombinant TNF (Liquid Formulation) Stored Under RefrigerationFormulation) Stored Under Refrigeration

(2-8°C)(2-8°C)

Time in Storage (months)Time in Storage (months) PotencyPotency Protein Purity by SDS PageProtein Purity by SDS Page

00 100 %100 % 100 %100 %

33 100 %100 % 100 %100 %

66 70 %70 % 100 %100 %

99 60 %60 % 100 %100 %

1212 50 %50 % 99 %99 %

Mengapa berbeda antara potensi dan SDS-PAGE?

Page 24: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

ExampleExample

Haemoglobin Haemoglobin

Quaternary structure of 2 Quaternary structure of 2 and 2 and 2 monomers (monomers (each about 16 kDaeach about 16 kDa))

Gel-filtrationGel-filtration kDakDa

SDS-PAGESDS-PAGE kDakDa

(no difference if reduced)(no difference if reduced)

Page 25: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Detection of altered forms of protein:1. Denaturing (SDS) gel electrophoresis2. Non-denaturing gel electrophoresis3. 2D electrophoresis4. Isoelectric focusing5. Peptide mapping6. Amino acid Analysis7. Capilary Electrophoresis8. Sequencing9. HPLC10. GC-MS11. Potency and Immunology assay

Page 26: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:
Page 27: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

AA are ampholyte

Anion, when at high pH

zwitterion, when at isoelectric point (pI)

Cation, when at low pH

NH2 CH COO-

RH

+

OH- NH3

+CH COO

-

RH

+

OH-

RCHCO2H

NH2

RCHCO2-

N+H3

H

NaOH

HCL

NOTE: peptide or protein also have both acid and base properties. They share the same property of being positively charged at low pH and negatively charged at high pH.

Page 28: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Isolectric Point (pI) of AAs

Anion in

basic

sol’n.

RCHCO2H

NH2

RCHCO2-

N+H3

H+

RCHCO2H

N+H3

HO-

RCHCO2-

NH2

+++++++++

----

-

-

-

-

--

Zwitterion in pI sol’n. No move to either of Electrode. And with Lowest solubility

Cation in acidic sol’n.

pH<pIpH>pI

anode cathode

Page 29: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Steps in 2D GESteps in 2D GE

Sample preparationSample preparation

Isoelectric focusing (first dimension)Isoelectric focusing (first dimension)

SDS-PAGE (second dimension)SDS-PAGE (second dimension)

Visualization of proteins spotsVisualization of proteins spots

Identification of protein spotsIdentification of protein spots

Spot pattern evaluation/annotationSpot pattern evaluation/annotation

Page 30: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Isoelectric Focusing relies on the migration of charged proteins in

an electric field

Page 31: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:
Page 32: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

IPG StripsIPG Strips

Strip Length 7.9 cm 11.8 cm 17.8 cm

Gel Length 7.3 cm 11.0 cm 17.1 cm

Strip Width 3.3 mm 3.3 mm 3.3 mm

Gel Thickness 0.5 mm 0.5 mm 0.5 mm

pH Gradients

Standard 3-10,4-7 3-10,4-7 3-10,4-7

Overlapping 3-6,5-8 3-6,5-8 3-6,5-8

R = weakly acidic or basic buffering group

CH2=CH-C-NH-R ||O

Acrylamido buffer

Page 33: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Narrow-Range IPG StripsNarrow-Range IPG StripspH 4 pH 5

pH 5 pH 6

pH 4 pH 9

Page 34: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

IEF Phase of 2D GEIEF Phase of 2D GE

Rehydrate IPGstrip & apply

protein sample

Place IPG stripin IEF apparatus

and apply current

Page 35: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Steps in 2D GESteps in 2D GE

Sample preparationSample preparation

Isoelectric focusing (first dimension)Isoelectric focusing (first dimension)

SDS-PAGE (second dimension)SDS-PAGE (second dimension)

Visualization of proteins spotsVisualization of proteins spots

Identification of protein spotsIdentification of protein spots

Spot pattern evaluation/annotationSpot pattern evaluation/annotation

Page 36: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

SDS PAGESDS PAGE ToolsTools

Page 37: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

SDS-PAGE for 2D GESDS-PAGE for 2D GE

equilibration SDS-PAGE

Page 38: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Steps in 2D GESteps in 2D GE

Sample preparationSample preparation

Isoelectric focusing (first dimension)Isoelectric focusing (first dimension)

SDS-PAGE (second dimension)SDS-PAGE (second dimension)

Visualization of proteins spotsVisualization of proteins spots

Identification of protein spotsIdentification of protein spots

Spot pattern evaluation/annotationSpot pattern evaluation/annotation

Page 39: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Uses of SDS-PAGEUses of SDS-PAGE

Determine protein sizeDetermine protein size

Identify proteinIdentify protein

Determine sample purityDetermine sample purity

Identify existence of disulfide bondsIdentify existence of disulfide bonds

Quantify amounts of proteinQuantify amounts of protein

Page 40: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Stability-Indicating Test Methods for Stability-Indicating Test Methods for Recombinant ProteinsRecombinant Proteins

MethodMethod Change that can be Change that can be detecteddetected Example of UseExample of Use

SDS PAGESDS PAGE fragmentationfragmentation IFN-IFN-

crosslinkingcrosslinking hGHhGH

oligomerizationoligomerization IFN-IFN-

Page 41: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Polyacrylamide gel electrophoresis can occur under both denaturing and

reducing conditions

Page 42: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Gel Stains - SummaryGel Stains - Summary

Stain Sensitivity (ng/spot) Advantages

Coomassie R-250 50-100 Simple, fast, consistent

Colloidal Coomassie 5-10 Simple, fast

Silver stain 1-4 Very sensitive, awkward

Copper stain 5-15 Reversible, 1 reagent

negative stain

Zinc stain 5-15 Reversible, simple, fast

high contrast neg. stain

SYPRO ruby 1-10 Very sensitive, fluorescent

Page 43: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Electrophoresis based on MW: SDS-PAGERun under denaturing

conditions:

1. Proteins are mixed with SDS & -ME-containing buffer and boiled.

2. SDS-coated proteins migrate based solely on their MW.

Fig. 3-20

Page 44: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

HPLCHPLC

Edited by SudjadiEdited by Sudjadi

Page 45: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Chromatographic ModeChromatographic Mode AcronyAcronymm Separation PrincipleSeparation Principle

Non-interactive modes of liquid chromatographyNon-interactive modes of liquid chromatographySize-exclusion Size-exclusion chromatographychromatography SECSEC Differences in molecular Differences in molecular

sizesize

--

Interactive modes of liquid chromatographyInteractive modes of liquid chromatographyIon-exchange Ion-exchange chromatographychromatography IECIEC Electrostatic interactionsElectrostatic interactions

Normal-phase Normal-phase chromatographychromatography NPCNPC Polar interactionsPolar interactions

Reversed-phase Reversed-phase chromtographychromtography RPCRPC Dispersive interactionsDispersive interactions

Hydrophobic interaction Hydrophobic interaction chromatographychromatography HICHIC Dispersive interactionsDispersive interactions

Affinity chromatographyAffinity chromatography ACAC Biospecific interactionBiospecific interaction

Chromatographic Modes of Protein Purification

(Christian G. Huber, Biopolymer Chromatography, Encylcopedia in analytical chemistry, 2000)

Page 46: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Stabilize SampleStabilize Sample

Control pHControl pH– Use appropriate bufferUse appropriate buffer

Control temperatureControl temperature– Keep samples on ice or work in cold roomKeep samples on ice or work in cold room– Prechill instrumentsPrechill instruments

Prevent frothing/foamingPrevent frothing/foaming– Handle gently.Handle gently.

Maintain concentrated sampleMaintain concentrated sample

Page 47: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Monitoring PurityMonitoring Purity

Total protein (mg)Total protein (mg)– Quantity of protein present in fractionQuantity of protein present in fraction

Total activity (units of activity)Total activity (units of activity)– Use a portion of sample to determine activity.Use a portion of sample to determine activity.

– Multiply activity by total volume to determine Multiply activity by total volume to determine total activity.total activity.

Page 48: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Monitoring Progress of Purification Monitoring Progress of Purification ProtocolProtocol

Specific activity (Specific activity (units of activity/mgunits of activity/mg))Total activityTotal activityTotal proteinTotal protein

% yield:% yield: measure of activity retained after each measure of activity retained after each step in procedure.step in procedure.

S.A. =

% yield = Total activity at particular stepTotal activity of initial extract

Page 49: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

USP 36 Monograph for InsulinRAW MATERIAL FINISHED PRODUCT

Insulin Insulin Injection

Insulin Human Insulin Human Injection

Insulin Lispro Insulin Lispro Injection

Isophane Insulin Suspension

Prompt Insulin Zinc Suspension

Isophane Insulin Human Suspension

Extended Insulin Zinc Suspension

Human Insulin Isophane Suspension and Human Insulin Injection

Insulin Human Zinc Suspension

Insulin Zinc Suspension

Extended Insulin Human Zinc Suspension

4949

Page 50: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Insulin InjectionInsulin Injection

Insulin injection is an isotonic, sterile Insulin injection is an isotonic, sterile solution of insulin. It has a potency of not solution of insulin. It has a potency of not less than 95.0% and not more than less than 95.0% and not more than 105.0% of the potency stated on the label, 105.0% of the potency stated on the label, expressed in USP Insulin Units.expressed in USP Insulin Units.

5050

Page 51: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Insulin Injection SpecificationParameter Specification

Identification Positive (+)

Bacterial Endotoxin NMT 80 USP EU for each 100 USP IU

Sterility Sterile

pH 7.0 – 7.8

Particulate Matter Conform

Zinc Content 10 – 40 μg for each 100 USP IU

Limit of High Molecular Weight Protein NMT 2.0%

Assay 95.0 – 105.0 %

5151

Page 52: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Chromatographic system: Parameter Specification

Mode LC

Detector UV 276 nm

Column 7.8 mm x 30 cm, Packing L-20

Flow rate 0.5 mL/min

Injection volume 100 μL

Mobile phase Solution A, Acetronitrile, and Glacial Acetic Acid (65:20:15)Solution A: 1 mg/mL of L-arginine

5252

Page 53: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

PRINCIPLE OF THE ELISA ASSAY

PROCESS 5353

Page 54: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Selection of Hydrophobic Interaction Selection of Hydrophobic Interaction ChromatographyChromatography

Fig. 2. Comparison of the hydrophobicities of BLA () and rHLA () in buffers containing different concentrations of ammonium sulfate in the presence of 100mM EDTA. Protein concentrations were 0.2 mg/ml. Excitation wavelength was set as 380nm (slit=5nm). Scan was executed at 20 nm/s speed and room temperature (25 ◦C).

Irma Antasionasti

Page 55: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Selection of Hydrophobic Interaction Selection of Hydrophobic Interaction ChromatographyChromatography

Fig. 3. Comparison of the hydrophobicities of BLA () and HLA () in buffers containing different concentrations of ammonium sulfate in the absence of EDTA. Protein concentrations were 0.2 mg/ml. Excitation wavelength was set as 380nm (slit=5nm). Scan was executed at 20 nm/s speed and room temperature (25 ◦C).

Irma Antasionasti

26

Page 56: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Optimization of Hydrophobic Interaction Optimization of Hydrophobic Interaction ChromatographyChromatography

Irma Antasionasti

27

Page 57: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Optimization of Hydrophobic Interaction Optimization of Hydrophobic Interaction ChromatographyChromatography

Fig. 4. Elution profile in hydrophobic interaction chromatography. Conditions: Column: Butyl Sepharose 4 FF (60mm×10mmi.d., CV=5ml). Sample: 10 ml recombinant whey containing 0.8Mammonium sulfate (protein concentration: 3mg/ml). System: ÄKTA explorer 100. Elution buffer: Buffer D (20mMsodium phosphate, pH 7.0).

Irma Antasionasti

28

Page 58: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Fig. 7. Fig. 7. HPRPC chromatograms of whey protein standards (A–B), HPRPC chromatograms of whey protein standards (A–B), acid whey (C) andacid whey (C) and purified rHLA product (D). Injection volume was purified rHLA product (D). Injection volume was 30l, protein concentrations were30l, protein concentrations were 1 mg/ml (BLA, HLA) or 3mg/ml 1 mg/ml (BLA, HLA) or 3mg/ml (acid whey) or 0.5 mg/ml (purified rHLA). Other(acid whey) or 0.5 mg/ml (purified rHLA). Other conditions for conditions for HPRPC were as described in Section 2 of the text.HPRPC were as described in Section 2 of the text.

Purification Process

Irma Antasionasti

31

Page 59: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Ion Exchange Chromatography

Page 60: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Ion Exchange Chromatography

– Ion exchange chromatography – binding Ion exchange chromatography – binding and separation of proteins based on and separation of proteins based on charge-charge interactionscharge-charge interactions

– Proteins bind at low ionic strength, and are Proteins bind at low ionic strength, and are eluted at high ionic strengtheluted at high ionic strength

++

+

+

++

+ ++

+

-

- -

-

++

+

+

+

++

+

+

+-

- -+

Positively charged(anionic) ion

exchange matrix

Net negatively charged (cationic)

protein at selected pHProtein binds to matrix

Page 61: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

1. BAGAIMANA PROTEIN DAPAT TERPISAH ?2. BILA DIGUNAKAN CM, PROTEIN yang mana?

Page 62: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Ion Exchange ChromatographyIon Exchange Chromatography

Low salt High salt

Page 63: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Ion Exchange (IEX) Chromatography

Page 64: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Affinity chromatography chromatography

Page 65: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Affinity chromatographyAffinity chromatography

Binding of a protein to a matrix via a Binding of a protein to a matrix via a protein-specific ligandprotein-specific ligand– Substrate or product analogueSubstrate or product analogue– AntibodyAntibody– Inhibitor analogueInhibitor analogue– Cofactor/coenzymeCofactor/coenzyme

Specific protein is eluted by adding Specific protein is eluted by adding reagent which competes with bindingreagent which competes with binding

Page 66: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Affinity chromatographyAffinity chromatography

Matrix Spacer arm

Affinity ligand

+

Active-site-bound enzyme

1. Substrate analogue affinity chromatography

Matrix Spacer arm

Antibody ligand

+

Antibody-bound enzyme

2. Immunoaffinity chromatography

Protein epitope

Enzyme

Page 67: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Affinity Chromatography

Page 68: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Gel Filtration Chromatography

Page 69: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Gel permeation chromatography Gel permeation chromatography (GPC)(GPC)

Also known as Also known as ‘‘size exclusion chromatographysize exclusion chromatography’’ and and ‘‘gel filtration chromatographygel filtration chromatography’’

Separates molecules on the basis of molecular sizeSeparates molecules on the basis of molecular size

Separation is based on the use of a porous matrix. Separation is based on the use of a porous matrix. Small molecules penetrate into the matrix more, and Small molecules penetrate into the matrix more, and their path length of elution is longer.their path length of elution is longer.

Large molecules appear first, smaller molecules laterLarge molecules appear first, smaller molecules later

Page 70: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

GEL FILTRASI/GEL EKSKLUSI

Page 71: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Gel Filtration (GF) Chromatography

Page 72: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Stability-Indicating Test Methods for Stability-Indicating Test Methods for Recombinant ProteinsRecombinant Proteins

Method Change that can be detected Example of Use

SDS Page fragmentation IFN-

crosslinking hGH

oligomerization IFN-

RP-HPLC deamidation Insulin

crosslinking Insulin

methionine oxidation IL-2

disulfide scrambling IL-2

IEF deamidation IL-1

Potency Determination disulfide scrambling IFN-

Page 73: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern:

Stability of Recombinant TNF (Liquid Stability of Recombinant TNF (Liquid Formulation) Stored Under RefrigerationFormulation) Stored Under Refrigeration

(2-8°C)(2-8°C)

Time in Storage (months) Potency Protein Purity by SDS Page

0 100 % 100 %

3 100 % 100 %

6 70 % 100 %

9 60 % 100 %

12 50 % 99 %

Page 74: THERAPEUTIC PROTEIN ANALYSIS Edited by Sudjadi. Biofarmaseutikal merupakan biomolekul yang berguna sebagai obat dan dibuat dengan bioteknologi modern: