高识别性蛋白印迹材料的设计、构筑及其识别机制研究

Molecularly imprinted technology becomes an important way to produce low cost, reliable and reusable recognition materials. However, the protein imprinted polymers (PIP) are difficult to further develop and apply in related fields due to their relative low recognition ability. In order to simultaneously regulate the three major factors that affect the recognition ability of PIP, “the structural mutability of template protein during the preparation of PIP”, “the strong nonspecific interactions between PIP and protein”, and “the restricted mass transfer of template protein in the cross-linked polymer matrix”, in this project, a block copolymer macromolecular chains (BCMC) containing zwitterionic functional groups is designed and used as functional monomer and cross-linkers to prepare PIP with high recognition ability via living polymerization based surface imprinting strategy. The influence of BCMC structure, molecular weight and zwitterionic functional groups content on template protein is investigated to explore the imprinting mechanism. Based on the above research results and the influence of the thickness of imprinting layer on the PIP recognition ability, we further explore their recognition mechanism. The completion of this project will provide the basic theoretical guidance and experimental evidence for the preparation of high-recognition PIP and the establishment of regulatory mechanism.

分子印迹技术是一种制备廉价、稳定以及可反复使用的蛋白识别材料的重要方法。然而，限制蛋白印迹材料在其相关领域进一步发展和应用的瓶颈问题是它较低的识别性。为了同时调控影响蛋白印迹材料识别性的三个主要因素，“印迹过程中模板蛋白结构稳定性弱”、“印迹材料对蛋白的非特异性作用强”、“模板蛋白在印迹材料中传质困难”，本项目基于前期研究基础，拟设计含两性离子官能团的嵌段共聚大分子链，作为稳定蛋白结构的大分子功能单体和交联剂，采用基于活性聚合的可控表面印迹法，实现具有高识别性的蛋白印迹材料的协同构筑。系统研究嵌段共聚大分子链结构、分子量和两性离子官能团含量对蛋白作用力及结构稳定的影响规律，探索印迹过程中蛋白的稳定和印迹机理；利用上述研究结果以及印迹层厚度对材料识别性的影响规律，进一步揭示蛋白印迹材料的识别机理。本项目的完成，将为高识别性蛋白印迹材料构筑方法和调控机制的建立提供基础性理论指导和试验依据。

本项目以构筑高性能蛋白印迹材料作为研究目标，针对模板蛋白分子体积巨大、结构易变等难点，分别设计、合成了新型嵌段大分子单体（MFM）、两性离子聚合物链（PVSP）、金属有机框架（MOF）复合材料，并将其用于高识别性和吸附量的蛋白印迹材料的构筑，主要内容如下：.（1）首次通过可逆加成-断裂链转移聚合，合成了具有“功能能力”和“交联能力”片段的MFM，并通过表面印迹策略制备了牛血清白蛋白印迹微球(SiO2@MPS@MIPs-MFM)。圆二色光谱实验表明，MFM可以保持蛋白的天然形态，而其相应的小分子单体则对蛋白破坏严重。SiO2@MPS@MIPs-MFM的最大吸附容量和印迹因子分别达到314.9 mg g-1和4.02，明显优于小分子制备的印迹材料。此外，“交联”嵌段中设计抗蛋白结合组分，极大地增强了印迹材料的识别性。因而，嵌段MFM的提出，丰富了蛋白质印迹技术中单体的可选性和可设计性，为开发高性能蛋白质印迹材料奠定了基础。.（2）以富含羧基的生物质碳基微球为固定化载体，并将抗蛋白结合的PVSP作为印迹层功能单体组，通过表面印迹技术与模板固定化策略，制备了溶菌酶印迹微球。研究结果表明，通过调节碳球表面羧基含量、印迹层厚度以及PVSP用量，能有效地增强蛋白的固定负载率以及印迹微球的识别性。此外，印迹微球亦可在二元蛋白混合溶液中高效地分离溶菌酶，证明了其在蛋白分离、富集和识别中的应用潜力。.（3）首次通过表面印迹技术和模板固定化策略，制备了一种类树莓状细胞色素 C 印迹材料。特别是，以MOF/碳纳米粒子复合材料作为固定化载体，具有MOF单分散性良好和固载蛋白效果优异等优势。因此，所制备蛋白印迹材料展现极高的识别能力（印迹因子= 6.10)和极大的吸附容量（815 mg g-1）。因而，本研究结果说明，通过设计制备先进纳米载体亦是构筑高性能印迹材料的有效手段。