CN114644734A - 一种糖肽富集聚合物材料及制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料科学、分析化学和有机化学领域。本发明提供一种用于糖肽富集的聚合物材料的制备方法与应用。该糖肽富集材料包括基质及形成于基质表面的共聚物层。本发明是利用可逆加成‑断裂链转移自由基聚合反应机制,在基质表面接枝具有糖肽富集功能的聚合物链。本发明将该材料与柱固相萃取模式或分散固相萃取模式有机的结合可实现复杂生物样品中糖肽高选择性、高重复性和高通量地富集,可显著提高糖蛋白鉴定数目。因此,其有望在糖肽富集、糖蛋白鉴定等方面获得广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及材料分析化学和有机化学领域,尤其涉及一种糖肽富集材料及其制备方法与应用。
背景技术
蛋白质的糖基化修饰是生物体内最常见、最重要的蛋白翻译后修饰方式之一,因此糖蛋白组学研究引起了众多生物科学家的广泛关注。但是由于糖蛋白在生物体内绝对含量很低,目前进行糖蛋白组学研究的技术策略主要是在蛋白质或肽段水平上富集之后进行。已有的糖肽富集方法主要有:金属氧化物法,肼化学法,硼酸亲和法以及上述几种技术的联用。但是这些方法存在糖肽难以洗脱、非特异性吸附酸性肽链或者带碱性残基糖肽难以保留的问题,因此无法实现复杂生物样品大规模富集糖肽的目的。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种对糖肽具有显著识别能力的糖肽富集材料及其制备方法与应用。该材料提供了一种具有高选择性、操作简单和重复性好的糖肽富集方法,能对生物样品中相对低含量的糖肽进行选择性富集。
本发明采用如下技术方案来实现:
一种共聚物修饰的基质材料,所述共聚物具有如下所示的分子结构:
其中S为可逆加成-断裂链转移自由基聚合反应所用的链转移试剂中的硫原子,R为苯基、烷基、酯基或胺基等,X为功能性单体。
上述方案中,所述的糖肽富集材料,其特征在于,所述功能性单体X为精氨酸、赖氨酸、色氨酸中的两种或几种,通过化学合成形成二肽/多肽功能性单体。
上述方案中,所述的糖肽富集材料,其特征在于,所述基质的材料为Si、Cu、Ag、Au、Pt、CuO、Fe3O4、多孔SiO2、多孔Al2O3、多孔TiO2、多孔ZrO2、琼脂糖凝胶或葡聚糖凝胶中的任意一种或者两种以上任意比例的混合。
上述方案中,所述的糖肽富集材料的制备方法,其特征在于,该制备方法是利用可逆加成-断裂链转移自由基聚合反应机制,将功能性单体接枝到基质表面,具体制备方法如下:
1)在反应容器中依次加入功能性单体、基质材料、链转移试剂、引发剂,同时加入超纯水及甲醇的混合溶液作溶剂,其中,功能性单体/链转移试剂/引发剂的摩尔比为500:5:1,超纯水与甲醇的体积比为1:1-10;
2)在无氧条件下,保持氮气气氛,在恒温60-80℃条件下进行逆加成-断裂链转移自由基聚合反应24-72小时;
3)反应结束后,洗涤基质表面并在50-80℃下真空干燥,得到所述糖肽富集材料。
所述的糖肽富集材料在糖肽富集分离中的应用方法,其特征在于,采用柱固相萃取模式,具体步骤如下:
1)将糖肽富集材料装入移液枪枪头或者凝胶上样吸头中,形成微固相萃取柱,采用平衡液活化及平衡微固相萃取柱,将蛋白酶解物溶解于平衡液中,并上到微固相萃取柱上,糖肽富集材料与蛋白酶解物的质量比为100:1-1000:1;
2)采用5-200倍柱体积pH0-7的淋洗液冲洗萃取柱;
3)采用5-100倍柱体积pH1-12的洗脱液洗脱得糖肽,上述整个过程在10-60℃进行。
所述的糖肽富集材料在糖肽富集分离中的应用方法,其特征在于,采用分散固相萃取模式,具体步骤如下:
1)先采用活化液活化糖肽富集材料,将该糖肽富集材料与蛋白酶解物以质量比为100:1-1000:1混合,孵化0.5分钟-12小时,过滤或者分散固相萃取分离,弃上层清液,收集沉淀;
2)采用pH=0-7的淋洗液对沉淀清洗;
3)将清洗后的沉淀采用体积pH=1-12溶液洗脱,过滤或者分散固相萃取分离,收集上层清液,得糖肽,上述整个过程在10-60℃进行。
所述的方法,其特征在于,所述活化液和平衡液均为有机溶剂、有机酸和水的混合液,所用到的有机溶剂为乙腈、甲醇或乙醇,有机酸为甲酸、乙酸或三氟乙酸,有机溶剂的体积浓度为10%-95%,有机酸的体积浓度为0.1-5%,碱性溶剂的体积浓度为0.1-10%。
所述的方法,其特征在于,所述活化液和平衡液均为有机溶剂、有机酸和水的混合液,有机溶剂为乙腈、甲醇或乙醇,有机酸为甲酸、乙酸或三氟乙酸,有机溶剂的体积浓度为10%-95%,有机酸的体积浓度为0.1-5%,碱性溶剂的体积浓度为0.1-10%。
所述的方法,其特征在于,所述平衡液中有机溶剂体积浓度为50-95%,pH=0-7。
所述的方法,其特征在于,所述洗脱液中碱性溶剂体积浓度为0.1-10%,pH=7-12。
所述的方法,其特征在于,所述洗脱液中酸性溶剂体积浓度为0.1-5%,pH=1-7。
本发明的有益效果为:
1、本发明制备的糖肽富集材料在分离富集糖肽时表现出了高选择性和高通量等特点,可以实现复杂样品中糖肽的高选择性富集;
2、本发明制备的糖肽富集材料既可以方便的装填成不同长度,不同内径的柱子,又可以直接添加于离心管,操作简单,易于重复。特别适合微量生物样品中糖肽段的分离富集;
3、本发明富集得到的糖肽可直接用于电喷雾-质谱分析(ESI-MS)或者基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF MS),提高了质谱的检测限和灵敏度。
本发明开发了一系列基于二肽/多肽功能性单体的共聚物修饰基质材料,并通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合反应的方法分别将单体接枝到各种材料上,获得的修饰材料形貌均匀、聚合物层可控,进而表现为选择性的可控性。将聚合物修饰的多孔材料与柱固相萃取模式或分散固相萃取模式有机的结合,可实现复杂混合物中糖肽高选择性、高重复性和高通量地富集,可显著提高糖蛋白鉴定数目。因此,其有望在糖肽富集,进而大规模分离糖蛋白等方面获得广泛的应用。
附图说明
图1为为精氨酸、色氨酸构成二肽的单体结构示意图。
图2为共聚物合成路线示意图。
图3为精氨酸、色氨酸二肽单体共聚物红外结构表征谱图。
图4为精氨酸、色氨酸二肽单体共聚物等温滴定测试结果。
图5为核磁表征精氨酸、色氨酸二肽单体与唾液酸的滴定结果。
图6为采用SPE模式,共聚物修饰硅胶在牛胎球蛋白酶解液:牛血清白蛋白酶解液=1:100(质量摩尔倍数比)的混合酶解液中富集的N-糖肽质谱鉴定示意图。
图7为采用SPE模式,共聚物修饰硅胶在牛胎球蛋白酶解液酶解液中富集的O糖基化糖肽质谱鉴定图。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例和附图进一步阐述本发明,这些实施例仅用于说明本发明,而本发明不仅限于以下实施例。
实施例中所用原料及设备:
巯基硅胶由浙江华谱新创科技有限公司购得。链转移试剂、引发剂由Sigma-Aldrich公司购得。甲醇由迈瑞尔公司购得。各种测试用的蛋白及酶由Sigma-Aldrich公司购得。其他试剂均使用市售分析纯。1H spectra在Bruker ARX300 spectrometer检测获得。质谱分析结果由MALD-TOF MS获得。
实施例1
糖肽富集材料的制备
色氨酸与精氨酸构成的二肽功能单体结构如图1所示。在50ml三口烧瓶中依次加入0.5mmol色氨酸-精氨酸二肽单体,0.005mmol的链转移试剂4-氰基戊酸二硫代苯甲酸,0.001mmol的引发剂偶氮二异丁脒盐酸盐,摩尔比为500:5:1,再加入0.5g巯基硅胶(粒径5μm,孔径),同时加入6mL超纯水以及6mL甲醇作溶剂。在搅拌下通入氮气,待充分混合之后,随后反应体系抽真空—充氮气,除去反应体系中残余的氧气;将烧瓶的温度控制在70℃静置反应48小时;反应结束后用甲醇和去离子水(H2O)依次洗涤聚合物接枝表面,得到糖肽富集材料,并在烘箱中进行干燥处理。
本发明中,所述基质的材料为Si、Cu、Ag、Au、Pt、CuO、Fe3O4、多孔SiO2、多孔Al2O3、多孔TiO2、多孔ZrO2、琼脂糖凝胶或葡聚糖凝胶中的任意一种或者两种以上任意比例的混合。在本实施例中,选用的基质材料为巯基修饰的硅胶。图2为共聚物接枝的硅胶样品的合成示意图。
实施例2
按实施例1所述将精氨酸与色氨酸构成的二肽单体共聚物接枝到多孔硅胶表面,进行红外表征实验。图3显示了该共聚物修饰材料的红外吸收谱图,表明二肽单体已经成功键合在多孔硅胶表面。其中,~1640cm-1处的波峰归属为C=O的吸收峰;~2900cm-1处的波峰归属为甲基峰与亚甲基峰。
实施例3
按实施例1所述将精氨酸与色氨酸构成的二肽单体与唾液酸单糖分子,进行等温滴定实验。图4显示了该二肽分子与唾液酸单糖分子之间存在相互作用,二者结合后产生放热,按照1:2结合方式进行结合,相关结合系数K如图中所示。
实施例4
按实施例1所述将精氨酸与色氨酸构成的二肽单体与唾液酸单糖分子,进行核磁滴定实验。图5显示了该二肽分子与唾液酸单糖分子之间的相互作用。将不同摩尔倍数的二肽单体与唾液酸单糖分子进行混合,通过实验结果可以看出,随着滴定倍数的增加,二者产生相互作用后,分子化学位移发生明显改变,表明二者之间存在相互作用。
富集应用实例
实施例5
按实施例1所述方法将上述共聚物接枝到多孔硅胶表面,并以离心操作模式对糖肽进行富集。
样品溶液的制备:1.0mg的牛胎球蛋白溶解在1mL碳酸氢铵溶液中(50mM,pH=8.0),按照胰蛋白酶与牛胎球蛋白的质量比1:40(w/w)的比例加入胰蛋白酶进行酶解,37℃反应12小时。
50.0mg的牛血清白蛋白溶解在50mL碳酸氢铵溶液中(50mM,pH=8.0),按照胰蛋白酶与牛胎球蛋白的质量比1:40(w/w)的比例加入胰蛋白酶进行酶解,37℃反应12小时,所得蛋白酶解液进行下述实验操作。
将1mg聚合物修饰硅胶材料装入离心管中,牛胎球蛋白酶解液与牛血清白蛋白酶解液按照1:100的质量摩尔比混合后加入到离心管中(其中牛胎球蛋白酶解液质量为5μg),孵化30min,离心后收集上清液,沉淀再用100μL的体积浓度为80%乙腈/体积浓度0.1%甲酸(pH=3)的水溶液孵化5min,离心后收集上清液,沉淀再用100μL含有体积浓度75%乙腈/体积浓度0.1%甲酸(pH 3)的水溶液孵化5min,离心后收集上清液,沉淀再用30μL 10%(v/v)氨水溶液(pH 12)洗脱。洗脱液旋干后,在质谱上进行分析。上述整个过程在20℃条件下进行。实验结果(图6)表明在离心模式下1mg的材料即可有效地富集到混合样品中微量的糖肽。
实施例6-8
调整糖肽富集材料的重量为5mg、10mg、20mg、50mg,考察不同富集材料对于富集效果的影响,其他条件同实施例5。富集后得到的糖肽,分别进行质谱分析,实验结果表明在离心模式操作模式下,5mg的材料量即可以有效地保留和富集混合酶解液中的糖肽。
实施例9-11
调整牛胎球蛋白酶解液的上样量为2μg、4μg和8μg,其他条件同实施例5,考察不同蛋白酶解液上样量对于富集效果的影响,富集后得到的糖肽,分别进行质谱分析,实验结果表明在固相萃取模式操作模式下1mg的材料,能够有效地保留和富集牛胎球蛋白酶解液中的糖肽。
实施例12-14
调整最后一步洗脱多糖肽时的洗脱溶液的pH为3、5、7和12,其他条件同实施例5,考察不同pH洗脱溶液对于洗脱糖肽效果的影响,洗脱液分别进行质谱分析。结果表明洗脱溶液pH为12时能将更多的多糖肽从富集材料上洗脱下来,是为最佳pH值条件。
实施例15
按实施例1所述方法将上述共聚物接枝到多孔硅胶表面,并以固相萃取操作模式对O糖基化修饰的糖肽样品进行富集。
将1mg共聚物修饰的硅胶材料装入SPE萃取微柱中,5μL牛胎球蛋白酶解液(使用PNGase F去除N链接糖链后,再使用elastase酶解,其中含多肽样品5μg)上样后,分别用30μL的体积浓度为80%乙腈/体积浓度0.1%甲酸(pH=3)的水溶液洗脱两次;再用30μL含有体积浓度75%乙腈/体积浓度0.1%甲酸(pH 3)的水溶液洗脱两次;再用30μL含有体积浓度70%乙腈/体积浓度0.1%甲酸(pH 3)的水溶液洗脱两次;最后用30μL体积浓度10%氨水溶液(pH 12)洗脱。实验结果如图7所示共聚物修饰的材料可以富集到O糖基化修饰的糖肽。除了能够实现N糖基化修饰的糖肽,该共聚物修饰的材料还可以实现O糖基化修饰的糖肽。
综上所述,本发明的糖肽富集材料对于糖肽具有很好的选择性富集性能,和常规的金属氧化物相比,聚合物修饰硅胶材料富集糖肽具有更高选择性。利用聚合物修饰硅胶材料对于糖肽的高效的特异性吸附能力,可以将其应用于复杂体系中糖肽的选择性分离富集,结合质谱,该材料在翻译后修饰蛋白质组学研究等领域具有广阔的应用前景。
Claims (10)
2.如权利要求1所述的糖肽富集材料,其特征在于,所述功能性单体X为连接了丙烯酸的Trp-Arg或者Trp-Lys,其中丙烯酸连接在色氨酸吲哚环的氨基上。
3.如权利要求1所述的糖肽富集材料,其特征在于,所述基质的材料为无孔硅胶、多孔硅胶、硅片、琼脂糖凝胶或葡聚糖凝胶中的任意一种或者两种以上任意比例的混合;键合量在1-10mmol/g基质。
4.如权利要求1-3任一所述的糖肽富集材料的制备方法,其特征在于,该制备方法是利用可逆加成-断裂链转移自由基聚合反应机制,将功能性单体接枝到基质表面,具体制备方法如下:
1)在反应容器中依次加入500mmol功能性单体、基质材料、5mmol链转移试剂、1mmol引发剂,同时加入水及甲醇的混合溶液作溶剂,其中,功能性单体/链转移试剂/引发剂的摩尔比为500:5:1,水与甲醇的体积比为1:1-1:10;功能性单体可以是连接了丙烯酸的Trp-Arg或者Trp-Lys中一种或两种;基质材料可以是无孔硅胶、多孔硅胶、硅片、琼脂糖凝胶或葡聚糖凝胶中的任意一种或者两种以上任意比例的混合物;链转移试剂可以是4-氰基戊酸二硫代苯甲酸,2-氰基-2-丙基-十二烷基三硫代碳酸盐,2–十二烷基(十二烷基硫基硫代羰基硫基)2-甲基丙酸、氰甲基-十二烷基三硫代碳酸盐,4-氰基-4-(苯基硫代甲酰硫基)戊酸中的任意一种或两种以上;引发剂可以是偶氮二异丁脒盐酸盐或偶氮二异丁腈中的任意一种或两种;
2)在无氧条件下,保持氮气气氛,在恒温60-80℃条件下进行逆加成-断裂链转移自由基聚合反应24-72小时;
3)反应结束后,洗涤基质表面并在50-80℃下真空干燥,得到所述糖肽富集材料。
5.如权利要求1-3任一所述的糖肽富集材料在糖肽富集分离中的应用,其特征在于,采用柱固相萃取模式,具体步骤如下:
1)将糖肽富集材料装入移液枪枪头或者凝胶上样吸头中,形成微固相萃取柱,采用乙腈、甲醇、乙醇、水、甲酸、乙酸、三氟乙酸等溶剂构成的混合液作为平衡液活化及平衡微固相萃取柱,将蛋白酶解物溶解于平衡液中,并上到微固相萃取柱上,糖肽富集材料与蛋白酶解物的质量比为100:1-1000:1;
2)采用5-200倍柱体积pH 1-7的淋洗液冲洗萃取柱;
3)采用5-100倍柱体积pH 8-12的洗脱液洗脱得糖肽,上述整个过程在10-60℃进行。
6.如权利要求1-3任一所述的糖肽富集材料在糖肽富集分离中的应用,其特征在于,采用分散固相萃取模式,具体步骤如下:
1)先采用乙腈、甲醇、乙醇、水、甲酸、乙酸、三氟乙酸等溶剂构成的混合液作为活化液活化糖肽富集材料,将该糖肽富集材料与蛋白酶解物以质量比为100:1-1000:1混合,孵化0.5分钟-12小时,过滤或者分散固相萃取分离,弃上层清液,收集沉淀;
2)采用pH=0-7的乙腈、甲醇、乙醇、水、甲酸、乙酸、三氟乙酸等溶剂构成的混合液作为淋洗液对沉淀清洗;
3)将清洗后的沉淀采用体积pH=1-12,由乙腈、甲醇、乙醇、水、甲酸、乙酸、三氟乙酸、氨水、碳酸氢铵等溶剂构成的混合液作为洗脱液洗脱,过滤或者分散固相萃取分离,收集上层清液,得糖肽,上述整个过程在10-60℃进行。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述活化液和平衡液均为有机溶剂、有机酸和水的混合液,有机溶剂为乙腈、甲醇或乙醇,有机酸为甲酸、乙酸或三氟乙酸,有机溶剂的体积浓度为10%-95%,有机酸的体积浓度为0.1-5%,由乙腈、甲醇、乙醇、水、氨水、碳酸氢铵等溶剂构成的混合液作为碱性溶剂,氨水、碳酸氢铵的体积浓度为0.1-10%。
8.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述活化液和平衡液均为有机溶剂、有机酸和水的混合液,所用到的有机溶剂为乙腈、甲醇或乙醇,有机酸为甲酸、乙酸或三氟乙酸,有机溶剂的体积浓度为10%-95%,有机酸的体积浓度为0.1-5%,碱性溶剂的体积浓度为0.1-10%。
9.如权利要求5或6所述的应用,其特征在于,所述活化液中有机溶剂体积浓度为10-50%,pH=0-7;
所述平衡液中有机溶剂体积浓度为50-95%,pH=0-7;
所述洗脱液中碱性溶剂,由氨水、碳酸氢铵中任意一种构成,碱性溶剂的体积浓度为0.1-10%,pH=8-12。
10.如权利要求5或6所述的应用,其特征在于,所述洗脱液中酸性溶剂体为含有甲酸、乙酸、三氟乙酸中任意一种有机相与水的混合液,积浓度为0.1-5%,pH=1-6。
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