南开大学赵汉英教授课题组提出一种在温和条件下利用二氧化硅分子刷分离纯化响应性聚合物-蛋白质生物缀合物的方法
环境刺激响应性聚合物-蛋白质缀合物结合了响应性高分子的特性和天然蛋白质的生物功能性，是一类具有广泛应用前景的生物材料。制备响应性聚合物-蛋白质生物缀合物主要有“grafting to”和“grafting from”两种方法，由于大分子位阻的影响，制备生物缀合物的过程中不可避免的会存在游离蛋白质。热沉淀法是一种用于分离温敏聚合物-蛋白质缀合物的常用方法，通常需要在高浓度和高转速离心下将缀合物在LCST以上沉淀下来，产率较低。1特别对于一些微量或者低浓度的反应体系，如何分离出高纯度的生物缀合物是一个难点。
先前的研究表明聚苯乙烯-b-聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯（PS-b-PDMAEMA）嵌段共聚物可以在选择溶剂和二氧化硅表面聚苯乙烯分子刷（SiO2-PS）共组装形成尺寸及形态结构可调控的表面胶束。2基于这项研究，近期南开大学化学学院聚合物分子刷赵汉英教授课题组提出一种在温和条件下利用二氧化硅分子刷分离纯化响应性聚合物-蛋白质生物缀合物的方法。在本研究中，将天然牛血清白蛋白（BSA）和一端修饰有吡啶基二硫基团的三硫酯反应，通过Ellman试剂检测得知有43%的BSA含有游离的巯基并接枝上三硫酯，并以接有三硫酯的BSA为链转移剂进行N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）的RAFT聚合，得到了BSA-PNIPAM和BSA的混合物。同时，在二氧化硅表面接枝了均聚物PNIPAM，得到PNIPAM分子刷（SiO2-PNIPAM）。将BSA/BSA-PNIPAM和SiO2-PNIPAM在冰水浴条件下分散在0.3M的Na2SO4溶液中，此条件下PNIPAM的LCST降至17.5 °C，将温度逐渐升至25 °C并保温10分钟，离心（9500rpm, 1-2min）得到固体，将此固体在LCST以下重新分散在溶液中，可以释放出在分子刷表面共组装的BSA-PNIPAM，以此达到纯化和分离聚合物-蛋白质缀合物的目的，流程如图1 所示。3
图1 BSA/BSA-PNIPAM 和SiO2-PNIPAM共组装以及BSA-PNIPAM的分离纯化示意图
为了证明这种方法的有效性，作者做了SiO2-PNIPAM和一系列浓度的BSA-PNIPAM的共组装分离实验，发现在低浓度下（小于2 mg/mL），SiO2-PNIPAM可以高效地分离纯化BSA-PNIPAM；在高浓度下（大于10 mg/mL），可以通过多次和SiO2-PNIPAM的共组装分离纯化BSA-PNIPAM。作者通过水相GPC和SDS-PAGE表征了BSA-PNIPAM的分离效果，如图2所示，结果表明通过二氧化硅分子刷的共组装分离方法，可以完全除去游离的BSA。
图2 (a) BSA(曲线1)，BSA-CTA(曲线2)，未纯化的BSA/BSA-PNIPAM94k(曲线3)，未纯化的BSA/BSA-PNIPAM182k(曲线4)，通过分子刷纯化后的BSA-PNIPAM94k(曲线5) ，通过分子刷纯化后的BSA-PNIPAM182k(曲线6)的GPC曲线。(b) SDS-PAGE图，通道1：marker(还原型)；通道2：BSA；通道3：BSA-CTA；通道4：被分子刷纯化后的上层清液中游离BSA；通道5：通过分子刷纯化后的BSA-PNIPAM94k；通道6：未纯化的BSA/BSA- PNIPAM94k；通道7：通过分子刷纯化后的BSA-PNIPAM182k；通道8：未纯化的BSA/BSA- PNIPAM182k。
这项研究中，作者提出了一种利用聚合物分子刷在温和条件下对温敏聚合物-蛋白质生物缀合物进行高效分离纯化的方法。利用这种共组装的方法，有望对其他环境响应性，例如光响应性，pH响应性等聚合物-蛋白质生物缀合物进行分离和纯化。以上研究在线发表在Biomacromolecules（DOI: 10.1021/acs.biomac.8b01355）论文第一作者是化学学院博士二年级学生侯王蒙，通讯作者是化学学院赵汉英教授和刘丽副教授。
参考文献：
【1】 Priyadarsi De, Ming Li, Sudershan R. Gondi, and Brent S. Sumerlin*. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11288–11289
【2】 Wangmeng Hou, Yuan Feng, Baohui Li, and Hanying Zhao. Macromolecules. 2018, 51, 1894−1904
【3】 Wangmeng Hou, Lin Wei, Li Liu,* and Hanying Zhao*. Biomacromolecules. DOI: 10.1021/acs.biomac.8b01355
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facs.biomac.8b01355
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