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生物分子间的特异性相互作用是影响生命体系中生物分子活性的重要因素,也是许多生命现象与生命过程的基础。生物分子间相互作用的研究有助于阐明生物反应的机理,揭示生命现象的本质。蛋白质等生物大分子或小分子间的特异性相互作用在酶和底物的识别和催化、生物体内信号转导等许多生命现象中发挥着关键作用。高效、准确的获取蛋白质与小分子之间特异性与非特异性的相互作用,以及对其作用过程进行动态监测,定性定量评价相互作用的类型和强弱,都有助于在分子水平上理解诸多生命活动的结构基础和作用机制,在医学、药学、化学及生物学等领域均具有重要的意义。
本论文在调研了大量文献的基础上,阐述了分子间相互作用主要形式和生理意义,指出分子间相互作用过程的检测、表征及其他相关研究已成为当前公认的化学理论和应用技术热点课题。通过对检测分子间相互作用的常用仪器方法进行综合评价和比较,指出石英晶体微天平(QCM)生物传感器作为质量型传感器的一种,不但应用范围广、免标记、特异性好、灵敏度高,能够实时监测动力学过程并提供相关定量信息,更具有可进行多参数测量、仪器价格较低等优势,但目前QCM生物传感器在分子间弱相互作用的研究中的应用尚未开展。提出了建立QCM生物传感器研究蛋白质与小分子间弱相互作用方法的研究目的。此外,在综述了亲和色谱的基本原理和技术的基础上,提出以蛋白质与小分子的相互作用的检测为基础,对亲和色谱配基筛选进行指导的研究思路。
本论文的主要研究内容和创新之处如下:
建立了石英晶体微天平(QCM)生物传感器研究蛋白质与小分子间弱相互作用的方法,并首次报道了常用缓冲溶液溶质分子三羟甲基甲胺(Tris)与溶菌酶(LZM)间的相互作用。利用QCM对固定化的Tris和多种蛋白质之间的相互作用进行筛选,获取了Tris和LZM之间特异性的相互作用,并以亲和色谱上的前沿色谱法定量测定了这一相互作用的解离常数。同时,用表面等离子共振(SPR)方法确证了基于QCM生物传感器研究生物分子间弱相互作用的方法的可靠性。这一方法简便、快速、适用范围广,有望用于其他种类的大分子-小分子弱相互作用的筛选和研究。
在此基础上,进一步考察了LZM和Tris分子相互作用的机理以及对LZM生物学性质的影响。用分子模拟的方法研究了这一相互作用可能的结合位点并从理论上计算了此作用位点与Tris间相互作用能力的强弱。计算所得解离常数与实际检测结果能很好吻合,表明了基于分子模拟得到的结合位点是准确可靠的。利用生物化学的方法,系统考察了Tris-HCl缓冲溶液对LZM各酶促反应动力学常数的影响。基于以上分子模拟的结果和酶反应动力学实验现象,讨论了这一相互作用的发现对Tris-HCl缓冲溶液的使用的指导意义。
在此研究基础上,制备和评价了用于分离纯化LZM的新型亲和色谱柱。以Tris为配基、大孔硅胶为基质制备了亲和色谱柱,用人工样品评价了此亲和色谱柱的特异性、稳定性和重现性,并利用此亲和色谱柱从实际样品中分离得到了高纯度的LZM,并很好的保持了LZM的活性。Tris为配基的新型亲和色谱柱在价格和稳定性上表现出明显的优势,在LZM的分离纯化中显示了良好的商品化前景。
基于QCM生物传感器筛选,制备了阿米卡星(AMK)和Tris双配基的新型亲和色谱柱,用于同时分离鸡IgG(CIgG)和LZM两种共存蛋白。首先,利用QCM生物传感器筛选了阿米卡星(AMK)和CIgG之间的特异性相互作用,并利用结合过程的动力学曲线拟合计算了表观解离常数,根据其表观解离常数判断这一相互作用适用于亲和色谱分离。采用AMK为配基,Tris为封闭剂合成了双配基的亲和色谱填料,制备成新型的亲和色谱柱。此亲和色谱柱对CIgG和LZM表现出强度不同的亲和能力,使这两种共存蛋白在亲和色谱柱上具有不同的保留时间,显示了同时分离两种共存蛋白的潜力。该方法突破了传统的亲和色谱On/Off模式,开拓了亲和色谱技术发展的新方向,有望应用于复杂样品的多组分分离。