蛋白质色谱过程界面分子行为的解析和应用

Chromatography is the key technology in bioseparations. Taking the scientific development and technological innovation of adsorption chromatography as the objectives, this project is proposed to systematically study the multi-scale interfacial phenomena of protein chromatography. It will be carried out theoretically and experimentally by comprehensively using multiple experimentations and instrumental analyses, quantum chemistry/molecular mechanics analyses, molecular docking and multi-scale molecular dynamics simulations. More specifically, the molecular interactions between protein and its ligand as well as protein-protein in the self-assembly of proteins (e.g., virus-like particles, VLP) will be investigated at the molecular interfaces. The effects of solution environments on the affinity interactions will then be studied to find the regulation mechanisms of solution conditions. Finally, the affinity interactions and molecular transport phenomena at adsorbent surfaces with immobilized ligands will be extensively examined. Through the comprehensive studies, it is expected to acquire novel scientific insights into the interfacial phenomena of protein molecules and the micro-scale mechanisms of molecular transport at ligand surfaces. The new knowledge and findings would lead to the establishment of a biomimetic design methods for affinity ligands of proteins such as antibody, capsomere and VLP, as well as the ligand surfaces that could offer high-performance mass transport of bound proteins, resulting in the development of high-performance affinity chromatography of proteins for antibody and VLP. Hence, this project has proposed to realize technological innovation of protein chromatography via fundamental studies focusing on the multi-scale interfacial phenomena. The outcomes of the research would greatly contribute to the development of bioseparation science and technology.

以蛋白质色谱的科学发展和技术创新为目标，以多尺度界面分子行为的科学研究为主线，运用多维实验检测、量子化学/分子力学分析、分子对接和多尺度分子动力学模拟方法，进行系统的理论和实验研究。内容包括：在分子-分子界面解析蛋白质-亲和配基以及蛋白质自组装体（病毒样颗粒）中蛋白质分子间的相互作用；在分子-溶剂界面解析蛋白质-配基和蛋白质-蛋白质的结合作用及其溶液调控机制；在分子-固液界面解析蛋白质与表面配基的相互作用和蛋白质分子传递行为。籍此获得蛋白质的界面分子行为的完整科学描述和微观机理解析，建立亲和配基的仿生设计方法以及高效传质表面的理性设计方法，开发新型高效的蛋白质色谱分离技术，实现抗体和病毒样颗粒等重要蛋白质和蛋白质自组装体的高选择性、高柱效、高容量和高速度色谱分离纯化。该项目提出了从基础科学问题的解析到技术创新和应用的完整研究构想，对促进生物分离科学和技术的发展具有重要理论意义和应用价值。

以蛋白质色谱的科学发展和技术创新为目标，系统研究了蛋白质亲和配基设计和色谱高效化的理论和方法，取得重要研究成果：（1）基于分子水平上蛋白质与其天然配基分子间相互作用的认识，建立了蛋白质肽配基的仿生设计方法。该设计方法包括关键氨基酸残基鉴定、肽配基模型建立、氨基酸定位、虚拟筛选、分子动力学分析和实验验证等步骤。该方法已成功应用于抗体、病毒样颗粒和胶原蛋白等三种蛋白质亲和配基的设计，分别获得5个抗体配基，1个鼠多瘤病毒衣壳粒（Cap）配基和1个胶原蛋白配基，实现了抗体和Cap的高选择性亲和色谱纯化。胶原蛋白配基可高效抑制血小板粘附，体外和体内实验均证明具有明显的血栓抑制作用，为该方法的应用扩展奠定了基础；（2）利用聚乙烯亚胺（PEI）接枝凝胶介质系统研究了蛋白质吸附平衡和动力学行为，发现PEI接枝介质存在临界离子交换容量（cIC）。在cIC之上蛋白质吸附速率随离子交换容量快速上升，增长幅度达到6倍。此外，以IC>cIC的介质为基质，通过中和修饰降低PEI接枝链的电荷密度，吸附速率可再提升2倍。在深入系统研究的基础上，提出了聚合物链吸附蛋白质的“链传递”理论，利用分子模拟方法分析了链传递现象的微观机理，确定表面配基属性包括链长、密度、带电量对链传递发生至关重要，并通过实验验证了表面配基对聚合物链吸附蛋白质分子传递的贡献，为接枝型介质的设计开发奠定了理论基础；（3）基于上述聚合物链吸附蛋白质的“链传递”和三维空间吸附理论，研究开发了多种高容量色谱介质，包括PEI、聚丙烯胺和海藻酸钠等聚合物接枝型色谱介质、原位反应接枝型微球介质、晶胶型色谱介质以及聚合物接枝型混合模式吸附介质，适用于不同条件下的蛋白质高效吸附分离。研究成果已发表SCI收录学术论文74篇，获授权发明专利5项（其中美国专利1项），申报发明专利10项（其中PCT途径国际专利2项）。