【95周年專刊】綜述：蛋白質色譜界面行為的分子模擬

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171214

文章來源：《化工學報》2018年第69卷

第1期：156-165

蛋白質色譜界面行為的分子模擬

張麟，孫彥

（天津大學化工學院生物化工系，天津 300072）

摘要

蛋白質色譜界面行為解析對做到以高吸附容量、高活性收率和高傳質速率為特徵的高效色譜具有重要意義。利用分子模擬技術在微觀過程展示方面的獨特優勢解析色譜界面過程已經廣泛開展。本文綜述色譜界面上蛋白質的取向、構象轉換以及傳質過程的分子模擬研究工作。首先，概述色譜界面上蛋白質取向研究，總結取向的成因和調控因素，探討通過蛋白質取向調控做到高吸附容量。其次，概述色譜界面上蛋白質構象轉換，尤其是變性現象的分子模擬研究，以通過色譜條件優化獲得高活性收率。最後，闡述色譜介質表面傳質過程研究及現存問題。本文以高吸附容量、高活性收率和高傳質速率為目標，總結其對應微觀過程的分子模擬解析，服務於色譜表面優化設計以做到高效色譜。

引言

吸附色譜是利用蛋白質在色譜界面的吸附和解吸做到蛋白質分離純化的重要技術，而做到以高吸附容量、高活性收率和高傳質速率為特徵的高效色譜一直是世界產學界的追求目標。蛋白質色譜界面行為是該過程的關鍵，涉及氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用、范德華力、配位鍵、共價鍵、構象熵等微觀相互作用。然而，通過實驗方法解析蛋白質色譜界面行為及其微觀相互作用依然是一個挑戰。而分子模擬方法，通過計算機構建模擬對象的分子模型以研究其微觀狀態和變化過程，已廣泛應用於蛋白質相關研究，成為與理論模型和實驗研究並行互補的研究手段。

因此，本文綜述蛋白質色譜界面行為的分子模擬研究進展，以高吸附容量、高活性收率和高傳質速率的做到為主線，概述色譜界面上蛋白質的取向、構象轉換以及傳質行為研究及其對色譜表面設計優化的啟示（圖1），以通過蛋白質色譜界面行為調控做到高效色譜研發。

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圖1 蛋白質色譜界面行為研究

結論與展望

蛋白質色譜界面行為研究是改善吸附容量、活性收率以及傳質速率以做到色譜高效化的關鍵，展示其涉及的微觀過程並解析其分子機理具有重要意義。分子模擬方法，因其在微觀過程解析方面的優勢，已廣泛用於蛋白質色譜界面行為研究，包括蛋白質的吸附取向、構象變化，以及傳質行為等研究。

蛋白質和色譜表面相互作用的研究相對而言難度較低，模型構建及參數化比較完備，研究方法和分析手段比較成熟。所以現有分子模擬研究對該部分較為深入，結論也比較統一，研究更多地專注於通過蛋白質和色譜表面間相互作用的調控，包括蛋白質自身改變，色譜表面改變，以及蛋白質和色譜表面之間，確切地說是流動相性質的改變，來調控蛋白質的吸附行為。

而對蛋白質構象轉換及其調控研究，相比於蛋白質復性的從無序到有序、從大量構象到單一構象的過程而言，蛋白質變性過程，是從有序到無序、從單一構象到大量構象的過程，研究難度大幅降低，因而也更受青睞。蛋白質構象變化的研究，不僅限於色譜表面上的研究，包括其他蛋白質溶液態折疊等研究中，都可以看出蛋白質構象的分子模擬研究多集中於蛋白質變性過程。具體到色譜表面上蛋白質構象變化也一樣，現有研究主要針對變性過程，而對復性過程，主要是實驗研究，其分子模擬研究還受到模型構建、模擬計算能力、復性過程的複雜驅動等多方面因素制約，尚需深入發展。

傳質方面的研究，基本上是實驗先行的研究局面。實驗研究中發現的一些現象或存在的爭論，例如表面傳質的鏈傳遞機理，還亟需分子模擬的投入以從微觀確證其分子機理。然而，分子模擬研究尺度，包括空間尺度和時間尺度較小，這是其優點，但同時也是其缺點，導致其對大體系或長時間過程無能為力。近年來不斷有各種模型構建方法或者模擬方法的改進，試圖在保持分子模擬的小尺度研究優勢的同時，拓展其研究和應用範圍，包括各種粗粒化模型的提出，REMD等加速算法的提出等，還需要繼續深入研究和發展。鑒於蛋白質自身結構的複雜性，以及傳質體系的複雜性，現有研究多針對色譜表面小分子傳質行為開展。隨著模擬技術發展，有望開展更大尺度的模擬研究以解析傳質行為及其調控因素。例如針對聚合物鏈形態和電荷密度對表面傳質（鏈傳遞）的影響開展表面傳質問題的分子模擬研究，基於此指導聚合物鏈的設計做到高容量和高傳質速度的目標。同時，基於配基的親疏水性來設計聚合物鏈，即對疏水性較高的配基，解決做到鏈傳遞的問題等。以上述研究為基礎，將可針對性設計色譜表面，推動色譜高效化及其工藝革新。

色譜界面上蛋白質吸附取向研究

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