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近日，学院杜开峰教授课题组在蛋白质亲和配基的设计与合成方面取得重要进展，相关研究成果“Reversible Concanavalin A (Con A) ligands immobilization on metal chelated macroporous cellulose monolith and its selective adsorption for glycoproteins”发表在在国际知名分离科学杂志Journal of Chromatography A（2017年影响因子4.008）。该论文的第一作者为研究生但顺民，责任作者为杜开峰教授。研究以大孔纤维素整体柱为色谱基质，开发一种具有配基可逆修饰特性的亲和色谱介质，进一步提高亲和色谱介质的分离性能，为高效生物分离提供新的介质选择。
对于蛋白质分离，亲和色谱具有选择性高的分离特性，一直以来是蛋白质药物制备的重要手段，而亲和色谱的核心技术之一就是高效亲和配基的设计与开发，这也是产业界和学术界的在生物分离领域的研究热点。蛋白质亲和色谱已经发展较为成熟，在当前生物高效分离中扮演重要角色，但仍然饱受容量低、成本高、重复利用率差等问题的困扰。因此，积极寻求解决这一问题的新方法，发展新型高效的亲和配基具有重要的实用价值和科学意义。
相较于传统的亲和色谱介质，课题组的研究人员在亲和配基结构设计上独辟蹊径，构想了一种具有可逆配基修饰的亲和配基。这一新型配基具有独特的“三明治结构”，解决了特异性吸附过程中因配体与色谱载体之间的不可逆结合而引发的配体失活及载体再利用的关键性问题。同时，这种配基修饰方式，优化了配基的空间构型并提高了配基修饰密度，从而对目标蛋白质的选择性和吸附容量都有了显著提高。
杜开峰教授课题组在充分研究配基、载体和目标产物之间相互作用的基础上，针对实际物系分离过程，设计了一条具有三明治结构的新型亲和配基的合成策略。该课题组在前期研究中发现，伴刀豆球蛋白A（Con A）表面具有特殊位点，可以选择性的吸附糖蛋白。另外，伴刀豆球蛋白A分子表面带有12个组氨酸残基，使其可以与金属离子通过螯合作用紧密结合形成稳定结构。而通过分子模拟手段和实际研究验证，伴刀豆球蛋白A、糖蛋白和金属离子之间的作用力恰好互补，这就为可逆亲和配基的设计提供了理论基础。受这一点启发，课题组利用铜离子为可逆结合点，通过螯合作用同时连接带有羧基修饰的载体和亲和配基Con A，合成了具有三明治结构的具有可逆配基修饰特性的亲和色谱介质。
可逆蛋白质配基修饰亲和色谱介质（Con A-Cu（II）-IDA-MCM）的合成策略如下图所示。
为了验证新型亲和色谱介质的分离能力，研究人员利用葡萄糖氧化酶作为糖蛋白的模型分子，通过间歇式吸附实验和动态吸附实验，测定了亲和色谱介质对葡萄糖氧化酶的吸附性能。结果显示，色谱介质Con A-Cu（II）-IDA-MCM对目标蛋白的静态平衡吸附容量和动态吸附容量，分别可以达到17.4mg/mL和12.3mg/mL，超过了传统商业的Con A修饰的吸附剂。同时，进一步的实验证明，采用课题组开发的亲和配基修饰手段获得亲和介质非特异性吸附小。通过构效关系研究，新型亲和介质优异分离性能得益于亲和配基Con A以一种更为合理的方式修饰在了载体表面，使其配基修饰密度提高，且以更好的构型与目标蛋白接触。
为了进一步证实新型亲和介质的实际应用性能，课题组研究人员通过从稀释的鸡蛋清中富集糖蛋白卵清蛋白（OVA）来评估Con A-Cu（II）-IDA-MCM的吸附能力（图2），结果显示新型介质能够直接从复杂生物体系内纯化目标糖蛋白，产品回收率和纯度均达到90%以上。由于亲和配基是通过铜离子螯合修饰到色谱载体上，因此可以通过物理手段使配基从载体上解离，并进行配基更换，从而实现昂贵色谱载体的回收利用，大大扩展了分离材料的分离应用范围，进而降低分离使用成本。
杜开峰教授课题组长期致力于生物分离工程和高性能分离配基的设计开发工作，获得多个国家自然科学基金项目和企业项目支持（21676170、21476144、21206097、12H0487），在生物大分子的特异性分离、金属离子的捕获富集等方向进行了广泛深入的研究并取得了具有国际影响力的研究成果，相关成果先后发表在《INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH》、《JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A》和《CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE》等国外知名期刊上。
该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.
文稿提供：艾浩
编辑：枫枫
审核：高敏
川大化工
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