[생명공학 실험] 이온 크로마토그래피 (Ion Exchange Chromatography) 원리

안녕하세요. 끄적이는 생명시간입니다:)

오늘은 지난번에 이어 이온크로마토그래피에 대해 포스팅하고자 합니다.

 

이온 크로마토그래피는 정제 공정 개발뿐 아니라 연구 중점의

실험실에서도 자주 사용되는 정제 방법입니다. 

 

이온 크로마토그래피는 다룰 내용이 많아 원리와, 정제 방법 둘로 나누어 포스팅하겠습니다.

 

*끄적이는 생명시간은 PC버전을 기준으로 작성되었습니다*

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이온 크로마토그래피(Ion Exchange Chromatography, IEX) 원리

이온 크로마토그래피는 단백질의 'Net surface charge'를 이용하여 분리하는 크로마토그래피입니다. 이온 크로마토그래피의 원리를 정확하게 파악하기 위해서는 표면 전하(Surface charge)와 등전점 (pI, Isoelectric point)에 대해 알아야 합니다.

 

1. 단백질 표면 전하, Protein Surface Charge

단백질의 표면 전하란, 말 그대로 단백질 표면에서 생기는 전하를 의미합니다.

단백질은 주로 용액 내에 존재하게 되고 용액 내 이온들과 상호작용을 하는데, 이를 이용해서 물질을 분리하는 방법이 바로 이온 크로마토그래피입니다.

단백질의 경우, 단백질을 구성하는 아미노산들은 약한 산성 기와 염기성기를 가지는데 이러한 서로 다른 아미노산들은 환경의 변화에 따라 pH를 점차적으로 변화하게 만듭니다. 즉, 단백질은 산과 염기, 두 가지 성질을 가진 'amphoteric' 물질인 것이지요.

따라서, 단백질은 둘러싸고 있는 용액의 조건에 따라 양전하와 음전하로 표면 전하가 달라지기 때문에 가역적인 상호작용을 하고 있다고 할 수 있겠지요.
> 이는 이온 크로마토그래피의 전략으로 사용할 수 있는 특징이기도 합니다! 그 부분에 대해서는 아래에서 자세히 설명하도록 하겠습니다.

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일반적으로 단백질은 pH와 net charge간의 상호 관계가 존재하는 고유의 적정 곡선(titration)을 가지게 됩니다. 이 적정 곡선을 이용하여 단백질을 둘러싸는 용액의 pH에 따른 표면 전하를 알 수 있습니다.

출처: cytiva

위의 그림에서 보다시피, 단백질마다 다른 적정 곡선의 범위를 띠고, 같은 pH에서도 서로 다른 surface charge를 가지게 됩니다.

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2. 등전점 (pI, Isoelectric point)

등전점은 단백질의 표면 전하가 0이 되는 pH 지점을 의미합니다. 즉, 위의 그림에서 적정 곡선이 surface charge가 0이 되는 지점과 만나는 pH가 되겠지요.

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그렇다면, 등전점을 왜 알아야 할까요?

 

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단백질이 담겨있는 용액의 pH가 pI 값보다 낮으면 단백질의 표면 전하는 양전하(positively charge)를 띠게 되고, pH가 pI보다 높으면 음전하(negatively charge)를 띠게 됩니다.

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단백질이 양전하를 띨 때에는 음전하를 가진 물질(cation exchanger)과 결합할 수 있고, 음전하를 띨 때에는 양전하를 가진 물질(anion exchanger)과 결합할 수 있습니다. 이러한 성질들에 의하여 단백질이 어떤 전하를 띠느냐에 따라 이온 크로마토그래피의 종류가 달라지게 됩니다.

 

출처: Waters

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