蛋白质/聚合物的靶向耦联及其自组装行为研究

Using polymer-protein conjugates as building blocks for hollow proteinosomes self-assembly structure has aroused general concern in recent decades because of its potential for protocell simulation, micro-reactor and drug delivery. However, the building block polymer-protein conjugates are synthesized by chemical modification, thus the polymer chains scattered on the surface of proteins, which restricts the manipulation of its self-assembly pattern and the effect of polymer on membrane permeability to a certain extent. This project proposes site specific incorporation of unnatural azido amino acid onto diverse positions of protein surface by genetic engineering, and then targeted anchoring onto alkynyl terminal polymer by click chemistry. The manipulation of the hydrophobicity-hydrophilicity of the polymer-protein conjugates by adjusting the molecular weight of the polymer, and the accurate manipulation of polymer on specific site of protein surface, makes the intensive study of proteinosomes mechanism feasible, which includes the influence on proteinosomes size and membrane permeability as well. We also attempt to work on its stimulation of protocell.

近年来，利用聚合物蛋白质耦合体为构筑基元自组装成空心蛋白质胶囊结构，由于其在原细胞模拟、微反应器及药物输送等方面的应用，引起了研究者们广泛关注。但是其构筑基元——聚合物蛋白质耦合体是通过化学耦联方法合成的，即聚合物链统计分布于蛋白质表面，从而一定程度上限定了对其自组装形貌的调控及对聚合物在膜通透性调控中贡献的研究。在此，本项目拟用基因工程的方法分别靶向引入含叠氮基非天然氨基酸于蛋白质表面不同位置，利用“点击化学”的方法实现与端基含有炔基的聚合物靶向耦联。继而通过对聚合物分子量的调控实现对聚合物蛋白质耦合体的亲疏水性的调节及聚合物在蛋白质表面靶向位置精确调控，从而详细研究其自组装蛋白质胶囊的机制，也包括其对胶囊的尺寸及膜通透性的影响。最后也将尝试设计其在人工细胞器官模拟等方面的应用。

采用超分子自组装的策略，设计两亲性聚合物为构筑基元，构建空心聚合物胶囊结构是近二十年来高分子科学中一直比较热门的领域之一，比如聚合物囊泡，树枝状大分子囊泡等展现了在微反应器及药物输送等方面的应用。近来，我们利用聚合物蛋白质耦合体为构筑基元自组装成空心蛋白质微胶囊结构，由于其独特的由蛋白质组装的膜结构及在原细胞模拟等方面的应用，引起了研究者们广泛关注。但是针对蛋白质聚合物构筑基元的结构设计出发探究其对组装蛋白质微胶囊形貌及膜通透性的调控研究仍鲜有报道。基于此，本项目成功利用扩展遗传密码子的大肠杆菌表达体系靶向引入含叠氮基非天然氨基酸于蛋白质表面，利用可逆加成-断裂链转移（RAFT）自由基聚合方法合成端基含有炔基的聚合物，结合“点击化学”的方法实现聚合物与蛋白质表面不同位点的靶向耦联并实现了蛋白质微胶囊的构筑；基于原位聚合诱导自组装的方法探究了聚合物的分子量、基元浓度等对组装体形貌的影响；基于蛋白质聚合物耦合体构筑基元的设计实现了对所组装的蛋白质微胶囊膜通透性在不同刺激响应下的连续调节或基于分子印迹策略的靶向调控；拓展研究了该蛋白质微胶囊在调控酶催化活性及不同装载物的程序化释放等方面的应用。该系列工作的成功完成，为该蛋白质胶囊体系进一步朝向人工细胞模型的设计构筑奠定了基础。