“Grafting from”法制备高载量大孔弱阳离子交换层析介质

doi:10.7503/cjcu20230487

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 20230487.doi: 10.7503/cjcu20230487

“Grafting from”法制备高载量大孔弱阳离子交换层析介质

郭旺¹, 姜泽平¹, 马磊¹, 乔娟¹, 莫文清¹, 靳海波¹, 何广湘¹, 黄永东², 张荣月¹()

^1.北京石油化工学院新材料与化工学院，燃料清洁化及高效催化减排技术北京市重点实验室, 北京 102617
^2.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100190

收稿日期:2023-11-28 出版日期:2024-03-10 发布日期:2023-12-25
通讯作者: 张荣月 E-mail:zhangrongyue@bipt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22074148);国家重点研发计划项目(2021YFC2103401)

Preparation of Macroporous Weak Cation Exchange Chromatography Medium with High Capacity through “Grafting from” Method

GUO Wang¹, JIANG Zeping¹, MA Lei¹, QIAO Juan¹, MO Wenqing¹, JIN Haibo¹, HE Guangxiang¹, HUANG Yongdong², ZHANG Rongyue¹()

^1.Beijing Key Laboratory of Clean Fuel and Efficient Catalytic Emission Reduction Technology，College of New Materials and Chemical Engineering，Beijing University of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China
^2.State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

Received:2023-11-28 Online:2024-03-10 Published:2023-12-25
Contact: ZHANG Rongyue E-mail:zhangrongyue@bipt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22074148);the National Key Technologies Research and Development Program of China(2021YFC2103401)

摘要/Abstract

摘要：

针对大孔聚合物层析介质孔径大、比表面积低而导致的蛋白结合容量低的问题, 采用“grafting from”策略, 以大孔聚丙烯酸酯微球为基质, 通过氧化还原引发甲基丙烯酸在微球表面接枝聚合, 制备了高载量弱阳离子交换层析介质. 研究了单体浓度、过硫酸钾浓度及反应温度等因素对蛋白结合容量的影响. 所得介质的蛋白静态结合容量和动态结合容量分别达到252.21和157.25 mg/mL; 同时发现具有一定离子交换容量的该类介质能够在0.2 mol/L NaCl缓冲液中保持100 mg/mL的蛋白结合容量. 将该层析介质用于鸡卵清中溶菌酶的纯化, 获得了较高的纯化效率.

关键词: 弱阳离子交换层析介质, 大孔聚合物, 蛋白结合容量, Grafting from法, 分离纯化

Abstract:

Macroporous polymer chromatography medium has a low protein binding capacity due to its large pore size and low surface area. To solve this problem， the weak cation exchange chromatography medium with high capacity was prepared through the grafting polymerization of methacrylic acid on the macroporous polyacrylate microspheres， which was initiated by redox reaction. The reaction factors were evaluated and the general rules between these factors and proteins binding capacity were obtained， including monomer concentration， potassium persulfate concentration and reaction temperature. The static binding capacity and dynamic binding capacity of the obtained medium reached 252.21 and 157.25 mg/mL， respectively. It was also found that the medium with a certain ion exchange capacity could maintain 100 mg/mL protein binding capacity in 0.2 mol/L NaCl buffer. The chromatographic medium was used for the purification of lysozyme in egg white， and high purification efficiency was obtained.

Key words: Weak cation exchange chromatography medium, Macroporous polymer, Protein binding capacity, Grafting from method, Separation and purification

中图分类号:

O658.1

TrendMD:

郭旺, 姜泽平, 马磊, 乔娟, 莫文清, 靳海波, 何广湘, 黄永东, 张荣月. “Grafting from”法制备高载量大孔弱阳离子交换层析介质. 高等学校化学学报, 2024, 45(3): 20230487.

GUO Wang, JIANG Zeping, MA Lei, QIAO Juan, MO Wenqing, JIN Haibo, HE Guangxiang, HUANG Yongdong, ZHANG Rongyue. Preparation of Macroporous Weak Cation Exchange Chromatography Medium with High Capacity through “Grafting from” Method. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(3): 20230487.

图/表 15

Fig.1 Preparation of weak cation exchange chromatography medium

Fig.2 Effect of monomer concentration on QSBC (cKPS=36.8 mmol/L, T=35 ℃)

Fig.3 Effect of KPS concentration on QSBC(cMAA=0.5 mol/L, T=35 ℃)

Fig.4 Effect of reaction temperature on QSBC

Fig.5 FTIR spectra of microspheres before and after methacrylic acid grafting

Fig.6 Microsphere morphologies before(A—C) and after(D—F) grafting methacrylic acid

Fig.7 Distribution of pore size of medium before(a)and after(b) grafting

Fig.8 Effects of QIC on QSBC

Fig.9 Effects of QIC on QDBC

Fig.10 Comparison of QDBC between CM Sepharose FF and FastSep⁃PMAA⁃0.461

Fig.11 Effects of salt concentrations on QSBC

Table 1 Recoveries of Lys by different media

Medium	FastSep⁃ PMAA⁃0.429	FastSep⁃ PMAA⁃0.436	FastSep⁃ PMAA⁃0.443	FastSep⁃ PMAA⁃0.451	FastSep⁃ PMAA⁃0.461	CM Sepharose FF
Recovery（%）	96.5±1.0	97.1±1.4	98.3±0.8	96.1±3.1	97.5±2.2	95.1±3.2

Fig.12 Effect of pH on QSBC

Fig.13 Chromatographic diagram of egg white by FastSep⁃PMAA⁃0.461

Fig.14 SDS⁃PAGE analysis of lysozyme isolated from egg white using FastSep⁃PMAA⁃0.461Lane 1. molecular weight marker； lane 2. bovine serum albumin（BSA）； lane 3. lysozyme（Lys）； lane 4. egg white solution； lane 5. flow- through； lane 6. elution； lane 7. molecular weight marker.

参考文献 46

1	Liu S. X.， Li Z. H.， Yu B.， Wang S.， Shen Y. Q.， Cong H.， Adv. Colloid Interfaces， 2020， 284， 102254
2	Benedini L. J.， Figueiredo D.， Cabrera C. J.， Gonçalves V. M.， Silva G. G.， Campani G.， Zangirolami T. C.， Furlan F. F.， J. Chromatogr. A， 2020， 1613， 460685—460695
3	Li H.， Wang S. Y.， Fang J. X.， Zhao L.， Jin H. B.， He G. X.， Guo X. Y.， Gu Q. Y.， Hao S. W.， Re Z. Y.， Zhi W. J.， Yu H. B.， Zhang R. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（12）， 2673—2678
	李恒，王少云，方嘉璇，赵岚，靳海波，何广湘，郭晓燕，谷庆阳，郝思雯，热孜亚，支伟杰，于洪斌，张荣月. 高等学校化学学报， 2018， 39（12）， 2673—2678
4	Li X. X.， Xu R.， Dong X. Y.， Sun Y.， J. Chromatogr. A， 2020， 1611， 460586
5	Zhu M.， Fuks P.， Carta G.， J. Chem. Technol. Biot.， 2018， 93（7）， 1948—1958
6	Solimando X.， Kennedy E.， David G.， Champagne P.， Cunningham M. F.， Poly. Chem.， 2020， 11（25）， 4133—4142
7	José L. M. G.， Castanheira E. J.， Sérgio P. C. A.， Carlos B.， Paulo F. J.， Polymers， 2020， 12（10）， 2175—2188
8	Ubiera A. R.， Carta G.， Biotechnol. J.， 2006， 1（6）， 665—674
9	Zhao Y. Y.， Yu L. L.， Dong X. Y.， Sun Y.， J. Chromatogr. A， 2018， 1580， 72—79
10	Dong J. B.， Wu J. B.， Yang J.， Song W.， Dai X. J.， Ye Z. D.， Gong B. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2013， 34（3）， 714—719
	董佳斌，吴建波，杨静，宋玮，戴小军，冶正得，龚波林. 高等学校化学学报， 2013， 34（3）， 714—719
11	Ifra， Singh A.， Saha S.， ChemistrySelect， 2020， 5（15）， 4685—4694
12	Wei Y.， Bu C.， Wang C.， J. Northwest A&F Univ.， 2017， 47（6）， 838—851
13	Karmakar P. D.， Pal A.， J. Indian Chem. Soc.， 2023， 100（1）， 100844
14	Schwellenbach J.， Taft F.， Villain L.， Strube J.， J. Chromatogr. A， 2016， 1447， 92—106
15	Zhang S. L.， Zhao M.， Yang W.， Luo J.， Sun Y.， Shi Q. H.， Biochem. Eng. J.， 2017， 128， 218—227
16	Liu X. F.， Pang S. S.， Zhang F. F.， Li Z. Y.， Yang B. C.， J. Chromatogr. A， 2021， 1648， 462187
17	Zhang Y. P.， Li P. P.， Hou M. Y.， Chen L. Y.， Wang J， F.， Yang H. X.， Feng W. S.， Bioelectrochemistry， 2022， 144， 108037
18	Arar A.， Mousawi A. A.， Morlet Savary F.， Lalevée J.， Poly. Chem.， 2021， 12（2）， 1816—1822
19	Wang D. M.， Sun Y.， Biochem. Eng. J.， 2007， 37， 332—337
20	Machado A.， Minim A.， Fontan R.， Rodrigues V.， Gonçalves G.， Gouveia M. P.， Fluid Phase Equilib.， 2015， 401， 64—69
21	Zhao Y. Y.， Li X. X.， Yu L. L.， Dong X. Y.， Sun Y.， Chin. J. Chem. Eng.， 2020， 28（2）， 440—444
22	Stone M. C.， Carta G.， J. Chromatogr. A， 2007， 1146（2）， 202—215
23	Khan M. K.， Luo J. Q.， Khan R.， Fan J. X.， Wan Y. H.， J. Chromatogr. A， 2017， 1521， 19—26
24	Zoppe J. O.， Ataman N. C.， Mocny P.， Wang J.， Moraes J.， Klok H. A.， Chem. Rev.， 2017， 117（3）， 1105—1318
25	Jasim M. A.， Al⁃Karawi， Zyad H. J. A.， Jawad A.， Faliah H. A.， Polym. Bull.， 2014， 71（7）， 1575—1590
26	Liu X. H.， Chu Z. Y.， Li Y.， Yang X.， Text. Res. J.， 2017， 38（12）， 14—19
	刘新华，储兆洋，李永，杨旭. 纺织学报， 2017， 38（12）， 14—19
27	Cheng Y. Y.， Xi B. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（10）， 199—206
	程媛媛，郗碧莹. 高等学校化学学报， 2022， 43（10）， 199—206
28	Liu H. T.， Cai Z. N.， Jia T. F.， Yang H. C.， Ma W. Z.， Gong F. H.， Liu C. L.， Tao G. L.， Polym. Eng. Sci.， 2020， 36（1）， 20—26
	刘昊天，蔡子楠，贾天飞，杨海存，马文中，龚方红，刘春林，陶国良. 高分子材料科学与工程， 2020， 36（1）， 20—26
29	Ma L. J.， Yang X. M.， Gao L. F.， Lu M.， Guo C. X.， Li Y. W.， Tu Y. F.， Zhu X. L.， Carbon， 2013， 53， 269—276
30	Mondal H. I. M.， Uraki Y.， Ubukata M.， Itoyama K.， Cellulose， 2008， 15（4）， 581—592
31	Shi Z.， Reddy N.， Hou X. L.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2014， 2（7）， 1849—1856
32	Yang D. F.， Liu Q. Z.， Li H. M.， Gao C. J.， J. Membr.， 2013， 444（5）， 327—331
33	Yao Y.， Lenhoff A. M.， J. Chromatogr. A， 2006， 1126（1）， 107—119
34	Li X. X.， Liu Y.， Sun Y.， J. Chromatogr. A， 2020， 1634， 461669
35	Staby A.， Jacobsen J. H.， Hansen R. G.， Bruus U. K.， Jensen I. H.， J. Chromatogr. A， 2006， 1118（2）， 168—179
36	Zhao Y. Y.， Dong X. Y.， Yu L. L.， Liu Y.， Sun Y.， Biochem. Eng. J.， 2018， 132， 79—89
37	Zhao Y. Y.， Dong X. Y.， Yu L. L.， Sun Y.， J. Chromatogr. A， 2016， 1427， 102—110
38	Li M.， Wu Y.， Liu Y.， Sun Y.， Biochem. Eng. J.， 2019， 142， 153—161
39	Li X X， Liu Y.， Sun Y.， Biochem. Eng. J.， 2018， 137， 11—17
40	Fan J. X.， Luo J. Q.， Chen X. R.， Wan Y. H.， J. Chromatogr. A， 2017， 1490， 54—62
41	Li M.， Yu L. L.， Liu Y.， Sun Y.， Biochem. Eng. J.， 2018， 134， 94—100
42	Qu J. B.， Peng W. S.， Lin Y. Y.， Li D. D.， Li J.， Liu J. G.， Zhang X. Y.， Polym. Eng. Sci.， 2020， 36（5）， 12—19
	曲剑波，彭文舒，蔺洋洋，李丹丹，李静，刘建国，张晓云. 高分子材料科学与工程， 2020， 36（5）， 12—19
43	Li X. X.， Liu Y.， Sun Y. Biochem. Eng. J.， 2017， 126， 50—57
44	He X. Q.， Li M.， Liu Y. H.， Nian Y. Q.， Hu B.， J. Agr. Food Chem.， 2022， 70， 9432—9441
45	Wang C. Z.， Shen J. W.， Zhu J. T.， Bo C. M.， Wei Y. M.， J. Chromatogr. B， 2018， 1097—1098， 18—26
46	Brunelle J. L.， Green R.， Method. Enzymol.， 2014， 541， 151—159

[1]	曹玉惠, 张娟娟, 王再扬, 赵元晖. 牡蛎源类蛋白反应修饰肽的分离纯化及肽锌螯合物的结构表征[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(3): 470.
[2]	李恒, 王少云, 方嘉璇, 赵岚, 靳海波, 何广湘, 郭晓燕, 谷庆阳, 郝思雯, 热孜亚, 支伟杰, 于洪斌, 张荣月. 大孔聚合物层析介质孔结构对蛋白载量的影响[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2673.
[3]	虞天, 许成楠, 于嫄, 赵飞飞, 潘一廷, 刘才, 黄永东, 张荣月. 原子转移自由基聚合法制备超大孔聚合物微球[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(9): 1740.
[4]	刘磊, 李科, 郝霞, 王桂臻, 秦雪梅, 杜冠华, 张翔. 黄芪药渣中阿拉伯木聚糖(AX-Ⅰ-1)的提取纯化、结构分析及体外抗氧化作用[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(12): 2168.
[5]	沈晴晴, 曾名湧, 赵元晖. 类蛋白反应修饰海地瓜酶解物及ACE抑制肽的制备[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(5): 965.
[6]	王海涛, 王伟, 陈铭, 苑宁, 赵元晖, 毛相朝. 中国毛虾流感病毒神经氨酸酶抑制活性肽的研究[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(11): 2540.
[7]	赵元晖, 李八方, 马敬军, 董士远, 刘尊英, 曾名湧. 海地瓜蛋白水解物中ACE抑制肽的分离纯化及合成[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(02): 308.
[8]	杨波, 于广利, 郝翠, 赵峡, 嵇国利, 胡艳南, 王玉峰. 系列ι-卡拉胶寡糖制备及其电喷雾串联质谱序列分析[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(2): 303.
[9]	田素燕,李连之,李海丽,薛泽春,杜为红 . 重组人细胞红蛋白的表达纯化及谱学表征[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(3): 483.
[10]	谭之磊, 贾士儒, 赵颖, 袁国栋, 曹伟锋. 淀粉酶产色链霉菌TUST2中ε-聚赖氨酸降解酶的纯化和性质[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(12): 2404.
[11]	王彩, 施松善, 洪其明, 王顺春, 王峥涛, 胡之璧. 裙带菜中聚甘露糖醛酸的分离纯化与结构分析[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(11): 2189.
[12]	张雷, 曲和之, 黄露, 杜姗姗, 郝东云, 王晓平. 无花果叶超氧化物歧化酶的分离、纯化及性质研究[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(8): 1588.
[13]	李江 ,宋国强,陈靠山,,李光友 . 南极适冷菌Pseudoalteromonas sp. S-15-13胞外多糖的分离、纯化和结构分析[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(6): 1149.
[14]	杨丽艳,黄琳娟,王仲孚,曹春阳,孙文基 . 山茱萸酸性多糖FCP5-A的分离纯化与结构表征[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(5): 936.
[15]	施树云,赵昱,张宇平,黄可龙,刘素琴 . 黑紫橐吾化学成分的分离与鉴定[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(5): 941.

“Grafting from”法制备高载量大孔弱阳离子交换层析介质

Preparation of Macroporous Weak Cation Exchange Chromatography Medium with High Capacity through “Grafting from” Method

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 46

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价