Dennis Karthaus Dennis Karthaus
Dennis Karthaus
蛋白质产品与分析总监
Dennis Karthaus 硕士毕业于德国不来梅哈芬应用科技大学,研究课题围绕蛋白纯化平台的分析研究与细胞系的开发等项目。在 2012 年,Dennis Karthaus 加入了 IBA Lifesciences,目前他带领蛋白质产品与分析部门,从事蛋白表达,纯化与分析的产品和技术研发相关工作。
1. 新型冠状病毒(COVID19)的大流行对全球公共卫生造成了重大威胁,对于此病毒结构的研究,机理,药物的设计以及疫苗的开发迫在眉睫。请问,IBA Lifesciences 的 Strep-tag® 技术在此扮演什么样的角色?
Dennis Karthaus: 当科研人员致力于进行 SARS-CoV-2 相关研究时,首先,病毒蛋白是必不可少的,但在获得病毒蛋白的这个过程,却不应耗费研究人员太多时间和精力。在这方面 Strep-tag® 技术可以尽其所能,借助从纯化到检测分析的一套优化后的流程,尽可能帮助他们争分夺秒。

目前,在许多的 SARS-CoV-2 相关研究,包括像来自 nature 等杂志的,已出版的文献中,都不难发现 Strep-tag® 技术的应用。对于 Strep-tag® 技术能在 SARS-CoV-2 的研究有所贡献,我们感到很自豪和欣慰。

在从中大部分的研究项目中,Strep-tag® 技术被用来进行高纯度的 SARS-CoV-2 蛋白亲和纯化。还有的一部分,像 ELISA 免疫测定,将 Strep 标签蛋白固定在 Strep-Tactin®XT 包被板上,或者是通过荧光偶联的 Strep-Tactin®XT 进行研究。Nature 杂志上发表的一篇来自 Gordon 等人的文章,他们表达了带 Strep-tag 标签的 SARS-CoV-2 蛋白,并且在细胞破碎后将其固定在了 IBA 的 MagStrep 「type3」 beads 磁珠上。而后对病毒蛋白和人类蛋白的相互作用或是潜在的通路进行鉴定,用以筛选出潜在的药物。

另外还有一个完全不同的领域,也来自 IBA,建立在 Strep-tag® 技术基础之上的,通过 TACS 技术进行 T 细胞和 B 细胞的分选技术。可以帮助科研人员特异性的分选到需要的免疫细胞,但无需使用磁珠和抗体,因此细胞上不会有任何的残留。并且选后的细胞可以使用 Strep-Tactin® 染色试剂进行进一步的分析。此技术在细胞水平的免疫应答研究中可以发挥极大作用。同时,我们还提供 SARS-CoV-2 肽用于 T 细胞的刺激实验。
2. 您刚提及的这些研究领域中,Strep-tag® 技术有何特色?
Dennis Karthaus: Twin-Strep-tag®/Strep-Tactin®XT 技术是在标签基础上的商业化技术,可以被用于有效的用于两个领域:纯化和固定化分析。

于纯化而言,此系统的解离速率须尽可能足够高,从而有效地将蛋白质从树脂上洗脱下来。但于固定化分析,此系统的解离速率又须非常低,才能将蛋白质强有力的固定在界面上。这些需求其实互相并不很兼容,但我们的技术在未向其中加入生物素(Biotin)时,可以提供在 pM 范围内的亲和力。一旦生物素加入后,标签就可以从 Strep-Tactin® 配体上释放下来。

Strep-tag® 对于 Strep-Tactin® 这种特异性的结合,和加入生物素后特异性的洗脱,可以帮助研究人员获得高纯度的蛋白。针对一些特殊的纯化需求,如在保证蛋白质结构和功能的情况下进行纯化时,Strep-tag® 系统因其提供的生理条件下的纯化,和可以耐受多种的缓冲液的特性而广受青睐。Strep-tag® 标签很小(8-30 aa),不影响蛋白的功能和折叠,同样也成为其特色之一。因此,在大多数情况下,是不用移除标签的。而且,此系统使用同样的缓冲液和纯化 protocol 就可以兼容多种表达宿主,如细菌,哺乳动物细胞,昆虫细胞,酵母等。

另一方面,由于纯化的有效性,保证了高强度的固定化作用,从而省去了整个过程中的生物素化的步骤。这种高结合亲和力,使得我们的客户可利用此进行相互作用的研究。如 ELISA,对蛋白质以定向固定,即可增强信号强度;或使用其他方法固定蛋白质的时,可以使用荧光偶联的 Step-Tactin®XT 进行检测。

以上这些特色都为 SARS-CoV-2 的研究中简易的实验流程而提供基础和支持。
3. 我们知道,由于不同的蛋白质性质的差异,很难摸索纯化条件,因此多种纯化标签应运而生。而 IBA Lifesciences 是 Strep-Tactin® 的源头企业,您可否和我们介绍一下,在多种标签存在的情况下,研发 Strep-Tactin® 系统有怎样的初衷?
Dennis Karthaus: 虽然目前有多种纯化标签,但仍然还存有一些缺陷。为了满足一些纯化的需求,必须研发一种可选择的合适的系统。例如,被大家熟知并且广泛使用的 His-tag 系统,却无法用于金属蛋白的纯化,并且此系统的纯度通常也不尽人意。由于供应商,样品和表达宿主的不同,镍柱的表现也会有所差别。而且,此系统的亲和力在 nM 的级别,对于有些实验则不能满足需求。而对于其他的标签,像是 myc-tag 或 FLAG-tag 等,结合载量较低而填料价格则较高。因此对于蛋白纯化,选择的局限性是很多的。

Strep-Tactin®XT 的上市则扭转了这一局面。高亲和力使得此基于标签的技术弥补了 His-tag 技术的缺陷,并且高纯度的纯化结果不会随着样品的变化而改变。对于来自不同宿主,如细菌,哺乳动物细胞或是昆虫细胞的样品,结合同样很牢固,不需要进行一些优化(如确定适合样品的最佳咪唑浓度)。因此,使用上是非常直截了当的。相较于 myc-tag 或 FLAG-tag,树脂的结合能力得以提高,是一种经济实惠的纯化方法。
4. 自过去 20 多年间,Strep-tag® 系统有怎样的发展历程?
Dennis Karthaus: 起初,Strep-tag I 可以和链霉亲和素(Streptavidin)上的生物素(biotin)结合位点而结合。而后此系统升级为 Strep-tag® II,可以在蛋白不同的末端进行修饰,更加灵活。对链霉亲和素(Streptavidin)也加以改进后,有了 Strep-Tactin®,对于 Strep-tag II® 有更高的亲和力。利用此标签蛋白纯化系统,可以获得高纯度的蛋白。但由于亲和力在 µM 范围内,当纯化低浓度的样品时,仍然有局限。而后,当 Twin-strep-tag® 研发出来后,此亲和力就被提高至了 nM 的级别。Twin-strep-tag® 是两个串联的 Strep-tag II® 标签,中间有 linker 加以相连。此标签可以结合 Strep-Tactin® 的两个结合位点,在解离速率减缓的基础上,亲和力得以增加。在此之后,Strep-tag 系统就可以用于低浓度样品的纯化和 ELISA 技术之中了。为了进一步增强亲和力,使得 Strep-tag® 系统可以用于 SPR 等实验研究中,Strep-Tactin® 进一步改进为 Strep-Tactin®XT,对于 Strep-tag II® 的亲和力范围在 nM,Twin-Strep-tag® 在 pM 范围。进行了这些改进后,Strep-tag® 系统就成为了目前为众人所熟知的,可同时应用于纯化和检测分析的全方位的系统。

当然,在完善纯化和检测系统的同时,我们将此技术也应用到了细胞领域之中。根据细胞表面标记或抗原特异性,可以对细胞进行特异性的分离。将低亲和力 Fab 片段,或 MHC I 分子肽段通过 Twin-Strep-tag®,即可与 Strep-Tactin® 固定。在我们的 Streptamer 技术中,Strep-Tactin® 多聚体提供了足够的亲和力,从而可以实现通过磁珠或荧光标记物有效检测和分离细胞。我们的 Fab-TACS 技术通过细胞表面特异性标记,或外泌体表面特异性标记,可以实现无需磁珠的免疫亲和层析分离。两种技术的主要优势在于,一旦生物素破坏了 Twin-Strep-tag®/Strep-Tactin® 的结合,带有 Strep 标签 Fab 片段或 MHC I 复合物就会与靶细胞完全分离。

因此,我们不仅除了蛋白的纯化与检测分析系统外,还提供完全 label-free 的细胞和外泌体分离,用于各种研究应用之中。
5. 您提到研发的最新一代 Strep-tag® 系统的技术优势,您期望通过 Strep-tag® 技术对该行业以及业内科研工作者带来怎样的变化?
Dennis Karthaus: 在纯化领域,Strep-Tactin®XT 的使用较 Strep-Tactin® 的结合载量更大,同时其优惠的定价也使得其成为了更经济的一种选择。加大的结合载量可以使我们的客户在进行大体积纯化的同时,减少样品的损失,可以为客户节省更多的经费。当高耐受性与多种试剂结合起来时,简单的纯化步骤就可以更有效的使用多种洗杂策略。比如说,当我们在中国的一个实验室进行演示实验的时候,当时项目组人员需要得到高纯度的蛋白,但无法找到合适的标签。当使用了 Strep-Tactin®XT high capacity 高载量树脂进行纯化,并且使用了高强度洗杂液。当我们之后再与客户交流时,客户给我们展示的 SDS-PAGE 凝胶,其纯度有了显著提高,满足了客户的需求。

将此高亲和力的技术应用于检测分析时,仅将 Strep-Tactin®XT 偶联在 SPR 或 BLI 生物感受器的芯片,捕获 Twin-strep-tag® 后,即可测定蛋白之间的相互作用和结合动力学,可以在低 nM 的级别测定强相互作用的动力学。在其他的检测应用中,Strep-Tactin®XT 还较 Strep-Tactin® 显著的提高了信号强度。
6. Strep-Tactin®XT 和 Twin-strep-tag® 间极高的亲和力,可否请您分享下近些年在科研市场的主要成绩?未来的发展规划是怎样的?
Dennis Karthaus: 我们非常有兴趣和其他技术公司以及科研机构合作,将 Strep-Tactin®XT 和 Twin-Strep-tag®拓展至更多的应用之中。在过去的几年中,有很多的科研人员,利用了此技术实现了很多的突破。例如,瑞典公司 Mabtech 开发了 FluoroSpot 测定法,用于分析 Corep-19 恢复期患者的 B 细胞抗体分泌,其中 Strep-Tactin®XT 发挥了关键作用。

美国公司 IMCS 将纯化树脂装填进带滤芯的移液器吸头之中,可以利用自动化的移液设备,进行小批量的高通量纯化。他们在近期已将 Strep-Tactin®XT 树脂预装入了移液吸头中,客户可以利用此系统,进行简便的,高通量的程序。

其他的项目,比如科研人员巧妙地利用了在细胞器表面的 Strep-tag® 融合蛋白。通过使用 Strep-Tactin® 进行了细胞器的纯化。

同时,我们也希望可以将 Strep-Tactin®XT 的应用拓展至更多的研究领域之中。我们非常期待可以和其他的科研项目组,科研机构与技术公司进行合作,共同推进科研技术的发展。例如,我们与赛多利斯进行了技术流程上的结合,共同撰写了细胞清除和蛋白纯化的应用实例。

此外,我们希望在中国进一步推广 Strep-tag®技术。我们在中国的独家代理商达科为非常专业,在拥有此优秀的合作伙伴的基础上,我非常希望能再一次去中国,与对我们技术有兴趣的研究人员一起讨论,并且测试我们的技术,为 IBA 在中国建立新的合作。
关于 IBA Lifesciences
IBA Lifesciences 公司成立于 1996 年,总部位于德国,致力于生命科学研究,以提供高质量的产品及服务为使命。二十多年来,以其杰出的专利技术 Strep-tag® 系统为基础,IBA 发展出完整的产品组合:涵盖重组蛋白的表达、纯化与检测,以及将特定细胞从全血或相关体液中分离的技术,被广泛的应用于学术研究与商业研发领域中。目前为止,IBA 已在全球有超过 40 多家代理商。专业的产品开发部门及技术支持服务让我们与客户紧密合作,共同促进生命科学研究的发展。

Strep-tag® 系统是 IBA 专利的全方位蛋白质纯化,检测和分析平台,基于 Strep-tag® 与 Strep-Tactin® 的高特异性相互作用,提供极高纯度的蛋白质,是最广泛使用的亲和纯化系统之一。近来,借助新型 Strep-Tactin®XT 和 Twin-Strep-tag®,Strep-tag® 系统现可应用于需高亲和力研究中,助力检测开发和筛选领域。

Fab-TACS® 技术中,带有 Strep 标签的 Fab 片段(Fab-Streps),在分选中可逆捕获和释放目的细胞。选后细胞适用于所有下游免疫学或细胞生物学研究,包括基于细胞的诊断或测定。利用 Fab-TACS® 重力柱,可以进行手动细胞分选。除此之外,如需 T 细胞的活化与扩增,IBA 还提供一系列的新型可逆试剂,利用 Streptamers®,让您的细胞研究简便灵活。2020 年,Fab-TACS® 技术的应用领域拓宽至外泌体的分离纯化,用以在短时间内,无需其他设备,获得具完整功能与活性的外泌体。

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