不忘初“芯”,巧制多肽交联的蛋白分子印迹聚



南开大学张拥军课题组利用多肽交联剂取代普通交联剂制备多肽交联的蛋白印迹聚合物,调节pH,印迹聚合物发生溶胀去除模板蛋白;调回pH,印迹聚合物去溶胀,恢复原来的大小和形状。不仅实现了在温和条件下的模板蛋白的去除,而且印迹效果大幅提高。

不忘初“芯”,巧制多肽交联的蛋白分子印迹聚

不忘初“芯”,巧制多肽交联的蛋白分子印迹聚

生物体系精确的分子识别令人叹为观止。例如酶能选择性地识别底物,抗体能选择性地识别抗原等。为了模仿这种能力,人们提出了“分子印迹”这一非常巧妙的策略。首先在模板分子存在下,单体与交联剂聚合得到分子印迹聚合物(MIP)。移除模板后,MIP中将留有与模板分子在大小、形状和官能团的方向上互补的印迹空腔,因此能选择性识别目标分子。人工合成的MIP拥有众多优于天然受体的优势,例如机械/化学稳定性高、易于生产、可重用性、低成本等,在分离、催化、传感、药物释放等领域有广泛的应用。
虽然这一策略制备的小分子印迹聚合物已非常成功,但是制备分子量大、结构复杂的蛋白质等大分子的分子印迹聚合物仍是巨大挑战。蛋白的高分子量严重阻碍了它们在致密聚合物网络中的扩散,造成“模板去除难”的问题。同时蛋白结构复杂且只能在水相中进行分子印迹等因素又导致“印迹效果不佳”的问题。这两大瓶颈问题严重制约了蛋白印迹领域的发展。
南开大学张拥军教授和关英副教授课题组提出可用多肽交联剂取代普通交联剂制备多肽交联的蛋白印迹聚合物,利用多肽的helix-coil转变同时解决这两个难题。在pH刺激下多肽链段由helix结构转变为伸展的coil结构,印迹聚合物发生溶胀,使模板蛋白易于去除。将pH调回,多肽链段由伸展的coil结构重新折叠回到helix结构,印迹聚合物去溶胀,恢复原来的尺寸。由于多肽折叠的高度精确性,不仅印迹空腔的大小可以恢复,其形状也能恢复,因此可选择性识别目标蛋白:

不忘初“芯”,巧制多肽交联的蛋白分子印迹聚

根据这一思路作者合成了以lysozyme为模板蛋白的印迹聚合物,实现了在温和条件下的模板蛋白的去除:在37 ℃下以添加154 mM NaCl的20mM pH7.4 磷酸缓冲溶液进行模板蛋白洗脱,一次洗脱率即达92.7%,三次洗脱率为97.8%。更重要的是实现了印迹效果的大幅提高,印迹因子IF高达10.0,与普通交联剂BIS交联的印迹聚合物相比,印迹效果增加了约10倍:

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由于是在温和条件下进行模板蛋白的洗脱,洗脱下来的蛋白的二级和三级结构几乎不变,因此活性变化很小。此外,该印迹聚合物的吸附容量高达679.6mg/g,远高于此前报道的印迹聚合物,而且也具有很高的选择性:

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利用这一聚合物从鸡蛋清中直接提取溶菌酶,只需简单的吸附-洗脱的操作,就能选择性地将溶菌酶从100多种蛋白质中几乎完全提取出来,回收率达96.3%,纯度达93.4%,活性达92%:

不忘初“芯”,巧制多肽交联的蛋白分子印迹聚

本文得到国家杰出青年基金、国家自然科学基金面上基金以及国家科技重大专项的资助。该工作以research article的形式发表在CCS Chemistry第五期。通讯作者为南开大学关英副教授和张拥军教授。第一作者为博士研究生许荣。
文章详情:
Peptide-Cross-Linked Protein-Imprinted Polymers: Easy Template Removal and Excellent Imprinting Effect
Rong Xu , Jiafeng Tian , Ying Guan & Yongjun Zhang
Cite this: CCS Chem. 2019, 1, 544–552

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原标题:《CCS Chemistry|不忘初“芯”,巧制多肽交联的蛋白分子印迹聚合物》




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