A enzima L-asparaginase (ASNase) de Escherichia coli é amplamente utilizada para tratar a leucemia linfoblástica aguda (LLA). No entanto, a enzima nativa pode ativar o sistema imune do hospedeiro causando reações alérgicas. A forma peguilada da enzima (PEG-ASNase) não só reduz o efeito imunológico, mas também possui a vantagem de aumentar sua meia-vida plasmática devido à menor degradação por proteases. Não obstante, a conjugação de PEG à ASNase é de forma aleatória e resulta em elevado grau de polidispersão. Nesse trabalho, um protocolo de peguilação N-terminal sítio-específica para a enzima ASNase foi desenvolvido, empregando-se metoxi-polietilenoglicol carboximetil N-hidroxisuccinimidil ester (mPEG-NHS, MW = 10 kDa). Os parâmetros de reação investigados foram a força iônica do tampão, o pH e o tempo de reação para otimizar o rendimento e minimizar a polidispersão. Os resultados confirmaram a ocorrência da reação de peguilação e baixa polidispersão. A força iônica do tampão favoreceu a conjugação N-terminal em 100 mM de tampão fosfato salino (PBS). Também observamos que o aumento do pH e tempo de reação estão diretamente relacionados com o aumento de formas polipeguiladas. O maior rendimento de monoPEG-ASNase, 42%, correspondeu à condição de reação de pH 7,5, tempo de reação de 30 min e razão PEG:enzima de 25:1. A monoPEG-ASNase foi purificada em coluna aniônica forte com gradiente linear de NaCl até 170 mM e a fração monopeguilada foi eluída em NaCl 78 mM com grau de pureza de 70% (rendimento de 55%). A cromatografia de exclusão por tamanho aumentou a pureza da monoPEG-ASNase para 99% (rendimento final de 45%). A monoPEG-ASNase, 190 ± 10 kDa, manteve sua atividade específica por 21 dias à 4ºC, enquanto que a enzima não peguilada (controle), 146 ± 6 kDa, teve uma queda de aproximadamente 52% na atividade específica em 7 dias à 4ºC. Um estudo de cinética enzimática foi realizado e obtivemos valores de kM semelhantes para as formas da enzima nativa e monopeguilada, 20 µM e 35 µM respectivamente. A monoPEG-ASNase apresentou-se mais resistente às proteases plasmáticas asparagina endopeptidase e catepsina B, por 84 h à 37 °C e apresentou ser citotóxica para células leucêmicas (MOLT-4 e Reh). Portanto, a peguilação N-terminal sítio-específica resultou em uma nova variante da ASNase que reteve grande parte de seu poder catalítico e pode ser considerada promissora para o emprego no tratamento da LLA. / The enzyme L-asparaginase (ASNase) from Escherichia coli is widely used to treat acute lymphoblastic leukemia (LLA). However, it can activate the host causing allergic reactions. Hence, the pegylated form of the enzyme (PEG-ASNase) not only reduces the immune effect but also increases plasma half-life. Nonetheless, the available PEG-ASNase is randomly pegylated and, consequently, with high degree of polydispersity. In this work we developed a site-specific N-terminus pegylation protocol for ASNase using methoxy-polyethylene glycol carboxymethyl N-hydroxysuccinimidyl ester (mPEG-NHS, MW = 10 kDa). Reaction parameters investigated were ionic strength, pH and reaction time to optimize yield and minimize polydispersity. Results confirmed pegylation and low polydispersity. Buffer ionic strength favored N-terminal conjugation at 100 mM phosphate buffer saline (PBS). Additionally, pH and reaction time were found to increase polyPEGylated species. The highest yield of monoPEG-ASNase, 42%, corresponded to reaction conditions of pH 7.5, reaction time of 30 min and PEG:ASNase ratio of 25:1. The monoPEG-ASNase was purified in a strong anionic column with NaCl linear gradient up to 170 mM and monoPEG-ASNase was eluted with 78 mM NaCl, 70% pure (55% yield). Size exclusion chromatography was further performed and increased monoPEG-ASNase purity to 99% (45% final yield). The monoPEG-ASNase, 190 ± 10 kDa was stable for 21 days at 4ºC while nonpegylated ASNase (control), 146 ± 6 kDa, lost 52% of its activity within 7 days at 4ºC. Enzyme kinetics were studied and similar kM values were obtained for both native and monoPEG-ASNase, 20 µM and 35 µM respectively. The monoPEG-ASNase demonstrated to be resistant to the plasma proteases asparaginyl endopeptidase and cathepsin B, 84 h at 37 °C and also was cytotoxic to leukemic cells (MOLT-4 and Reh). Therefore, site-specific N-terminus pegylation of ASNase resulted in a novel enzyme variant with preserved catalytic activity and, therefore, promising for the treatment of LLA.

A enzima L-asparaginase (ASNase) de Escherichia coli é amplamente utilizada para tratar a leucemia linfoblástica aguda (LLA). No entanto, a enzima nativa pode ativar o sistema imune do hospedeiro causando reações alérgicas. A forma peguilada da enzima (PEG-ASNase) não só reduz o efeito imunológico, mas também possui a vantagem de aumentar sua meia-vida plasmática devido à menor degradação por proteases. Não obstante, a conjugação de PEG à ASNase é de forma aleatória e resulta em elevado grau de polidispersão. Nesse trabalho, um protocolo de peguilação N-terminal sítio-específica para a enzima ASNase foi desenvolvido, empregando-se metoxi-polietilenoglicol carboximetil N-hidroxisuccinimidil ester (mPEG-NHS, MW = 10 kDa). Os parâmetros de reação investigados foram a força iônica do tampão, o pH e o tempo de reação para otimizar o rendimento e minimizar a polidispersão. Os resultados confirmaram a ocorrência da reação de peguilação e baixa polidispersão. A força iônica do tampão favoreceu a conjugação N-terminal em 100 mM de tampão fosfato salino (PBS). Também observamos que o aumento do pH e tempo de reação estão diretamente relacionados com o aumento de formas polipeguiladas. O maior rendimento de monoPEG-ASNase, 42%, correspondeu à condição de reação de pH 7,5, tempo de reação de 30 min e razão PEG:enzima de 25:1. A monoPEG-ASNase foi purificada em coluna aniônica forte com gradiente linear de NaCl até 170 mM e a fração monopeguilada foi eluída em NaCl 78 mM com grau de pureza de 70% (rendimento de 55%). A cromatografia de exclusão por tamanho aumentou a pureza da monoPEG-ASNase para 99% (rendimento final de 45%). A monoPEG-ASNase, 190 ± 10 kDa, manteve sua atividade específica por 21 dias à 4ºC, enquanto que a enzima não peguilada (controle), 146 ± 6 kDa, teve uma queda de aproximadamente 52% na atividade específica em 7 dias à 4ºC. Um estudo de cinética enzimática foi realizado e obtivemos valores de kM semelhantes para as formas da enzima nativa e monopeguilada, 20 µM e 35 µM respectivamente. A monoPEG-ASNase apresentou-se mais resistente às proteases plasmáticas asparagina endopeptidase e catepsina B, por 84 h à 37 °C e apresentou ser citotóxica para células leucêmicas (MOLT-4 e Reh). Portanto, a peguilação N-terminal sítio-específica resultou em uma nova variante da ASNase que reteve grande parte de seu poder catalítico e pode ser considerada promissora para o emprego no tratamento da LLA. / The enzyme L-asparaginase (ASNase) from Escherichia coli is widely used to treat acute lymphoblastic leukemia (LLA). However, it can activate the host causing allergic reactions. Hence, the pegylated form of the enzyme (PEG-ASNase) not only reduces the immune effect but also increases plasma half-life. Nonetheless, the available PEG-ASNase is randomly pegylated and, consequently, with high degree of polydispersity. In this work we developed a site-specific N-terminus pegylation protocol for ASNase using methoxy-polyethylene glycol carboxymethyl N-hydroxysuccinimidyl ester (mPEG-NHS, MW = 10 kDa). Reaction parameters investigated were ionic strength, pH and reaction time to optimize yield and minimize polydispersity. Results confirmed pegylation and low polydispersity. Buffer ionic strength favored N-terminal conjugation at 100 mM phosphate buffer saline (PBS). Additionally, pH and reaction time were found to increase polyPEGylated species. The highest yield of monoPEG-ASNase, 42%, corresponded to reaction conditions of pH 7.5, reaction time of 30 min and PEG:ASNase ratio of 25:1. The monoPEG-ASNase was purified in a strong anionic column with NaCl linear gradient up to 170 mM and monoPEG-ASNase was eluted with 78 mM NaCl, 70% pure (55% yield). Size exclusion chromatography was further performed and increased monoPEG-ASNase purity to 99% (45% final yield). The monoPEG-ASNase, 190 ± 10 kDa was stable for 21 days at 4ºC while nonpegylated ASNase (control), 146 ± 6 kDa, lost 52% of its activity within 7 days at 4ºC. Enzyme kinetics were studied and similar kM values were obtained for both native and monoPEG-ASNase, 20 µM and 35 µM respectively. The monoPEG-ASNase demonstrated to be resistant to the plasma proteases asparaginyl endopeptidase and cathepsin B, 84 h at 37 °C and also was cytotoxic to leukemic cells (MOLT-4 and Reh). Therefore, site-specific N-terminus pegylation of ASNase resulted in a novel enzyme variant with preserved catalytic activity and, therefore, promising for the treatment of LLA.