聚合物接枝离子交换层析介质的可控制备及在蛋白质层析中的应用基础研究

In this proposal, an innovative approach is put forward to overcome the low-binding-capacity bottleneck of the adsorbents in the development of high-efficient chromatographic process for protein purification based on multiscale understanding the relationship of adsorbent structure and performance. With the help of mutliscale analysis plateform, two inportant scientific issues, polymer-protein interaction and structure-performance relationship in the adsobent, will be expounded to guide the design and preparation of the adsorbent. Then, molecular design of polymer chain is developed and the novel technique in the preparation of polymer-grafted ion-exchange adsorbent is explored. After the regulation technology of super-pore size is improved, the final product, polymer-grafted ion-exchange adsorbent with higher binding capacity is obtained for the development of chromatographic process. Moreover, the theories of protein adsorption in polymer brush and chromatographic process are also established to describe the protein adsorption in polymer-grafted adsorbent and mass transfer in protein chromatography. Finally, the protein purification is carried out in the chromatographic column packed with novel prepared ion-exchange adsorbent, and process parameters are optimized in order to achieve higher binding capacity. The research work provided powerful fundamental of scientific and technique in the preparation of high-binding-capacity adsorbent and the development of high-efficient chromatographic process.

针对当前蛋白质层析过程高效化中层析介质的"瓶颈"问题，本项目提出了基于层析介质"结构-性能"关系的多尺度认知开发新型聚合物接枝离子交换层析介质的创新研究思路。利用共聚焦扫描显微镜、BIACore X100生物大分子相互作用分析仪、NTEGRA Spectra多功能扫描探针显微镜等构建的多尺度研究平台，深入地阐述层析介质"结构-性能"关系和聚合物与蛋白质分子相互作用两个关键的科学问题。在此基础上，建立接枝聚合物的分子设计新方法，探索聚合物接枝离子交换层析介质合成新工艺，完善层析介质孔道结构的调控技术，合成孔道尺寸可控、高容量的聚合物接枝离子交换层析介质；建立聚合物接枝离子交换层析介质内蛋白质吸附理论以及蛋白质层析过程模型；开发蛋白质层析纯化工艺，进而通过工艺优化实现蛋白质层析过程高效化。本项目的研究工作将为高效离子交换层析介质的研发和蛋白质层析技术的发展奠定强有力的科学和技术基础。

本项目针对蛋白质离子交换层析过程高效化的主要“瓶颈”问题，提出了开发高蛋白质结合容量的聚合物接枝离子交换层析介质的研究目标。在深化层析介质“结构-性能”关系和聚合物与蛋白质分子相互作用两个关键科学问题认知的基础上，合成具有高饱和吸附容量的聚合物接枝离子交换层析介质，显著地改善了层析介质的蛋白质吸附性能，实现蛋白质层析处理能力的飞跃。本项目开发的聚合物接枝离子交换层析介质的溶菌酶和抗体吸附容量分别达到了450 mg/mL和313 mg/mL，已近Sepharose FF介质对上述两种蛋白吸附容量的极限。研究工作系统地阐述了蛋白质在不同孔道结构层析介质内的吸附和传质行为，解析了蛋白质分子间的相互作用及其调控机制，为从孔道尺度深入理解层析材料结构与层析介质性能关系提供了很好例证。借助于DNA折纸技术的帮助，课题组从单分子水平观察了蛋白质分子间相互作用及分子尺寸的影响，从而为高容量蛋白质层析材料的设计奠定了分子基础。本项目建立了聚合物分子与蛋白质相互作用的研究平台，探索了蛋白质与聚合物分子链的相互作用，揭示了聚合物接枝离子交换层析介质内蛋白质吸附机制。本项目建立了聚合物分子链上偶联蛋白A层析配基的方法，深入探讨了蛋白A配基与聚合物分子链的相互作用，开发了高效的聚合物接枝蛋白A层析介质。本项目开发的海藻酸钠接枝Sepharose FF介质偶联抗体结合域Z合成的蛋白A层析介质抗体吸附容量达到了140 mg/g 介质，相较于非接枝的蛋白A层析介质的抗体吸附容量提高了80%以上。本项目的研究为高效离子交换层析介质的研发和蛋白质层析技术的发展奠定强有力的科学和技术基础。