近日，學(xué)院杜開峰教授課題組在蛋白質(zhì)親和配基的設(shè)計(jì)與合成方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果“Reversible Concanavalin A (Con A) ligands immobilization on metal chelated macroporous cellulose monolith and its selective adsorption for glycoproteins”發(fā)表在在國際知名分離科學(xué)雜志Journal of Chromatography A（2017年影響因子4.008）。該論文的第一作者為研究生但順民，責(zé)任作者為杜開峰教授。研究以大孔纖維素整體柱為色譜基質(zhì)，開發(fā)一種具有配基可逆修飾特性的親和色譜介質(zhì)，進(jìn)一步提高親和色譜介質(zhì)的分離性能，為高效生物分離提供新的介質(zhì)選擇。
對于蛋白質(zhì)分離，親和色譜具有選擇性高的分離特性，一直以來是蛋白質(zhì)藥物制備的重要手段，而親和色譜的核心技術(shù)之一就是高效親和配基的設(shè)計(jì)與開發(fā)，這也是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的在生物分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。蛋白質(zhì)親和色譜已經(jīng)發(fā)展較為成熟，在當(dāng)前生物高效分離中扮演重要角色，但仍然飽受容量低、成本高、重復(fù)利用率差等問題的困擾。因此，積極尋求解決這一問題的新方法，發(fā)展新型高效的親和配基具有重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義。
相較于傳統(tǒng)的親和色譜介質(zhì)，課題組的研究人員在親和配基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上獨(dú)辟蹊徑，構(gòu)想了一種具有可逆配基修飾的親和配基。這一新型配基具有獨(dú)特的“三明治結(jié)構(gòu)”，解決了特異性吸附過程中因配體與色譜載體之間的不可逆結(jié)合而引發(fā)的配體失活及載體再利用的關(guān)鍵性問題。同時(shí)，這種配基修飾方式，優(yōu)化了配基的空間構(gòu)型并提高了配基修飾密度，從而對目標(biāo)蛋白質(zhì)的選擇性和吸附容量都有了顯著提高。
杜開峰教授課題組在充分研究配基、載體和目標(biāo)產(chǎn)物之間相互作用的基礎(chǔ)上，針對實(shí)際物系分離過程，設(shè)計(jì)了一條具有三明治結(jié)構(gòu)的新型親和配基的合成策略。該課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)，伴刀豆球蛋白A（Con A）表面具有特殊位點(diǎn)，可以選擇性的吸附糖蛋白。另外，伴刀豆球蛋白A分子表面帶有12個(gè)組氨酸殘基，使其可以與金屬離子通過螯合作用緊密結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而通過分子模擬手段和實(shí)際研究驗(yàn)證，伴刀豆球蛋白A、糖蛋白和金屬離子之間的作用力恰好互補(bǔ)，這就為可逆親和配基的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。受這一點(diǎn)啟發(fā)，課題組利用銅離子為可逆結(jié)合點(diǎn)，通過螯合作用同時(shí)連接帶有羧基修飾的載體和親和配基Con A，合成了具有三明治結(jié)構(gòu)的具有可逆配基修飾特性的親和色譜介質(zhì)。
可逆蛋白質(zhì)配基修飾親和色譜介質(zhì)（Con A-Cu（II）-IDA-MCM）的合成策略如圖一所示。
Fig. 1 Schematic representation of chemical reactions toward Con A-Cu(II)-IDA-MCM
為了驗(yàn)證新型親和色譜介質(zhì)在分離能力，我們利用葡萄糖氧化酶作為糖蛋白的模型分子，通過間歇式吸附實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，測定了親和色譜介質(zhì)對葡萄糖氧化酶的吸附性能。結(jié)果顯示，色譜介質(zhì)Con A-Cu（II）-IDA-MCM對目標(biāo)蛋白的靜態(tài)平衡吸附容量和動(dòng)態(tài)吸附容量，分別可以達(dá)到17.4mg/mL和12.3mg/mL，超過了傳統(tǒng)商業(yè)的Con A修飾的吸附劑。同時(shí)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明，采用課題組開發(fā)的親和配基修飾手段獲得親和介質(zhì)非特異性吸附小。通過構(gòu)效關(guān)系研究，新型親和介質(zhì)優(yōu)異分離性能得益于親和配基Con A以一種更為合理的方式修飾在了載體表面，使其配基修飾密度提高，且以更好的構(gòu)型與目標(biāo)蛋白接觸。
為了進(jìn)一步證實(shí)新型親和介質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用性能，課題組研究人員通過從稀釋的雞蛋清中富集糖蛋白卵清蛋白（OVA）來評估Con A-Cu（II）-IDA-MCM的吸附能力（圖2），結(jié)果顯示新型介質(zhì)能夠直接從復(fù)雜生物體系內(nèi)純化目標(biāo)糖蛋白，產(chǎn)品回收率和純度均達(dá)到90%以上。由于親和配基是通過銅離子螯合修飾到色譜載體上，因此可以通過物理手段使配基從載體上解離，并進(jìn)行配基更換，從而實(shí)現(xiàn)昂貴色譜載體的回收利用，大大擴(kuò)展了分離材料的分離應(yīng)用范圍，進(jìn)而降低分離使用成本。
Fig. 2 The enrichment of glycoprotein (ovlbumin) from chromatogram of diluted chicken egg white on Con A-Cu(II)-IDA-MCM
杜開峰教授課題組長期致力于生物分離工程和高性能分離配基的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，獲得多個(gè)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和企業(yè)項(xiàng)目支持（21676170、21476144、21206097、12H0487），在生物大分子的特異性分離、金屬離子的捕獲富集等方向進(jìn)行了廣泛深入的研究并取得了具有國際影響力的研究成果，相關(guān)成果先后發(fā)表在《INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH》、《JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A》和《CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE》等國外知名期刊上。
艾浩 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
beat365
2018年6月7日
該研究方向部分成果如下：
[1] Du K, Dan S. Reversible Concanavalin A (Con A) ligands immobilization on metal chelated macroporous cellulose monolith and its selective adsorption for glycoproteins[J]. Journal of Chromatography A, 2018, 1548: 37-43.
[2] Zhang Q, Dan S, Du K. Fabrication and Characterization of Magnetic Hydroxyapatite Entrapped Agarose Composite Beads with High Adsorption Capacity for Heavy Metal Removal[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, 56(30): 8705-8712.
[3] Du K. Ionic liquid-regenerated macroporous cellulose monolith: Fabrication, characterization and its protein chromatography[J]. Journal of Chromatography A, 2017, 1494: 40-45.
[4] Du K, Zhang Q, Dan S, et al. Fabrication and characterization of aligned macroporous monolith for high-performance protein chromatography[J]. Journal of Chromatography A, 2016, 1443: 111-117.
[5] Du K, Yang M, Zhang Q, et al. Highly Porous Polymer Monolith Immobilized with Aptamer (RNA) Anchored Grafted Tentacles and Its Potential for the Purification of Lysozyme[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(2): 499-504.
[6] Du K, Zhang Q. Facile fabrication of sulfur entrapped carbonized material as a cathode for high-performance lithium batteries[J]. RSC Advances, 2016, 6(90): 87690-87695.
[7] Du K. Peptide immobilized monolith containing tentacle-type functionalized polymer chains for high-capacity binding of immunoglobulin G[J]. Journal of Chromatography A, 2014, 1374: 164-170.
