近日，學院杜開峰教授課題組在蛋白質親和配基的設計與合成方面取得重要進展，相關研究成果“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，開發(fā)一種具有配基可逆修飾特性的親和色譜介質，進一步提高親和色譜介質的分離性能，為高效生物分離提供新的介質選擇。
對于蛋白質分離，親和色譜具有選擇性高的分離特性，一直以來是蛋白質藥物制備的重要手段，而親和色譜的核心技術之一就是高效親和配基的設計與開發(fā)，這也是產業(yè)界和學術界的在生物分離領域的研究熱點。蛋白質親和色譜已經發(fā)展較為成熟，在當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用價值和科學意義。
相較于傳統(tǒng)的親和色譜介質，課題組的研究人員在親和配基結構設計上獨辟蹊徑，構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特的“三明治結構”，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合而引發(fā)的配體失活及載體再利用的關鍵性問題。同時，這種配基修飾方式，優(yōu)化了配基的空間構型并提高了配基修飾密度，從而對目標蛋白質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、載體和目標產物之間相互作用的基礎上，針對實際物系分離過程，設計了一條具有三明治結構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，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個組氨酸殘基，使其可以與金屬離子通過螯合作用緊密結合形成穩(wěn)定結構。而通過分子模擬手段和實際研究驗證，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，這就為可逆親和配基的設計提供了理論基礎。受這一點啟發(fā)，課題組利用銅離子為可逆結合點，通過螯合作用同時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構的具有可逆配基修飾特性的親和色譜介質。
可逆蛋白質配基修飾親和色譜介質（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
為了驗證新型親和色譜介質在分離能力，我們利用葡萄糖氧化酶作為糖蛋白的模型分子，通過間歇式吸附實驗和動態(tài)吸附實驗，測定了親和色譜介質對葡萄糖氧化酶的吸附性能。結果顯示，色譜介質Con A-Cu（II）-IDA-MCM對目標蛋白的靜態(tài)平衡吸附容量和動態(tài)吸附容量，分別可以達到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，進一步的實驗證明，采用課題組開發(fā)的親和配基修飾手段獲得親和介質非特異性吸附小。通過構效關系研究，新型親和介質優(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，且以更好的構型與目標蛋白接觸。
為了進一步證實新型親和介質的實際應用性能，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），結果顯示新型介質能夠直接從復雜生物體系內純化目標糖蛋白，產品回收率和純度均達到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，并進行配基更換，從而實現(xiàn)昂貴色譜載體的回收利用，大大擴展了分離材料的分離應用范圍，進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計開發(fā)工作，獲得多個國家自然科學基金項目和企業(yè)項目支持（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.
