RAFT聚合法制备两性聚电解质刷及其对蛋白的吸附分离研究

Protein separation and purification play a critical role both in industrial application and scientific research. However, there are some shortcomings for conventional separation techniques. Our previous work found that polyelectrolyte brushes could adsorb a mass of proteins physically based on electrostatic force, and adsorbed proteins also could be released after changing the environmental conditions, based on which “electrostatic selectivity” theory was put forward. In order to achieve the goal that multiple proteins adsorption and release could be controlled by polyelectrolyte brushes under mild conditions, structure controlled zwitterionic polyelectrolyte brushes containing magnetic core will be prepared via surface initiated-RAFT polymerization in this project. Conformation changes of polyelectrolyte brushes with different structures in solution will be investigated by combination of high-resolution turbidimeter and dynamic light scattering. Selective protein adsorption and release by polyelectrolyte brushes under various pH and salt concentrations will also be studied based on protein surface electrostatic potential simulation. The implementation of this project will not only extend a new structure of polyelectrolyte brushes with controlled adsorption to proteins, but also provide new ideas to establish a protein separation and purification method with mild environment, simple operation, low price, fast separation, and high throughput, etc.

蛋白质的分离纯化无论是在工业应用还是科学研究中都起着关键性作用，但是已有的分离技术都存在各自的不足。我们的前期工作发现，聚电解质刷可以基于静电力的物理方式吸附大量蛋白，亦可以通过改变环境条件释放被吸附的蛋白，据此提出静电选择性的理论。为了实现聚电解质刷在温和条件下对多种蛋白的可控吸附与释放，本项目拟采用表面引发RAFT聚合法，制备结构可控的含磁核两性聚电解质刷。利用高分辨浊度仪、动态光散射等光学设备，探索不同结构聚电解质刷在溶液中的构象变化问题。在此基础上，结合蛋白表面电势能模拟结果，研究利用聚电解质刷在不同pH与盐浓度环境下，对蛋白的选择性吸附与释放规律。本项目的实施不仅拓展了新结构聚电解质刷，揭示其与蛋白的相互作用规律，也为建立一种具有环境温和、操作简单、成本低廉、分离快速、处理量高等优势的蛋白分离纯化方法提供新思路。

蛋白质的分离纯化无论是在工业应用还是科学研究中都起着关键性作用，但是已有的分离技术都存在各自的不足。我们的前期工作发现，聚电解质刷可以基于静电力的物理方式吸附大量蛋白，亦可以通过改变环境条件释放被吸附的蛋白。为了实现聚电解质刷在温和条件下对多种蛋白的可控吸附与释放，我们主要做了以下几方面的研究：（1）利用RAFT可控聚合法设计并合成具有混合电荷的硅球聚合物刷，系统研究了其在溶液中的特殊行为，并且分析了其对蛋白可控吸附的规律；（2）利用photoiniferter技术设计并合成了对pH和温度双重相应的核壳型聚合物刷，系统研究了其在水相中的溶液行为和刺激响应性能；（3）合成并表征了具有抗蛋白吸附性能的新型聚合物刷PS@PHEAA。结果发现，利用多种可控聚合方法成功制备了多种不同结构的聚合物刷，分析和研究了其在不同介质中的特殊行为。合成的混合型聚合物刷可以实现在温和条件下对蛋白质的可控吸附和固定化，制备得着的双重响应性聚合物刷在水相中具有疏水力、氢键、静电力等多种因素协同作用的效应，可以利用其特殊的水相效应实现对生物分子的选择性吸附与分离；抗蛋白吸附的聚合物刷在对模型蛋白和胎牛血清的抗吸附方面的性能表面优异。不同结构的聚合物刷的特性为设计新型的功能性聚合物刷提供了理论支持，也为将来其在生物分子选择性吸附和蛋白质分离纯化方面的应用奠定了基础。本项目的成功实施不仅拓展了聚合物刷的新结构，揭示其与蛋白的相互作用规律，也为建立一种具有环境温和、操作简单、成本低廉、分离快速、处理量高等优势的蛋白分离纯化方法提供新思路，为其工业化进程铺平道路。