單糖聚合物富集材料及其製備和在糖肽富集中的應用的製作方法

2023-05-05 17:26:47 1

本發明涉及糖響應性聚合物、單糖功能單體、單糖接枝表面。同時還涉及糖肽的分離富集，即糖響應性聚合物修飾材料在分離富集糖肽中的應用。和常規的親水作用色譜富集方法(HILIC)相比，聚合物修飾的材料在富集糖肽時具有高選擇性、高吸附容量和高回收率的優點。此外，富集可在固相萃取柱(SPE)模式或者分散固相萃取模式下進行，操作簡單，通量高，可重複性好，適用於複雜體系中糖肽的選擇性分離富集。

背景技術：

蛋白質的糖基化修飾調控真核細胞許多重要的生物過程，包括免疫應答、細胞粘附和穿行。許多疾病的發生與蛋白質糖基化的變異有關。另外，現有的腫瘤標誌物和蛋白類藥物絕大多數都是糖蛋白。由此，對糖蛋白的結構進行表徵非常重要。但是，在糖肽在生物樣品中濃度低，加上在質譜中非糖肽的離子抑制作用是糖肽難於檢測；因此，在質譜分析前對糖肽進行選擇性富集非常重要。

目前，糖蛋白組學研究的技術策略主要集中在肽段水平上。已有的富集糖肽的策略包括凝集素親和色譜法、肼化學法、硼酸親和色譜法及親水作用色譜法等。這些方法都有限固有的局限性。如凝集素親和作用色譜存在糖基化覆蓋率低的問題[Kubota,et al.Anal.Chem.2008]；肼化學對糖肽的選擇性高，但是破壞糖鏈[Zhang,H.；et al.Nat.Biotechnol.2003.]；親水作用色譜對糖肽具有普適性，但是選擇性有待提高，因此無法實現複雜生物樣品全面的糖蛋白組學。

本發明開發了一系列基於單糖的多氫鍵作用單元，通過席夫鹼縮合的方法共聚到聚合物主鏈上，並進一步接枝到各種基質材料上，得到糖響應性聚合物表面。將聚合物修飾的材料與固相萃取模式或分散固相萃取模式有機的結合，可實現複雜混合物中糖肽高選擇性、高重複性和高通量地富集。從而實現糖肽的選擇性富集，可顯著提高糖蛋白鑑定數目。因此，其有望在糖肽富集，進而大規模分離糖蛋白等方面獲得廣泛的應用。

技術實現要素：

本發明的目的旨在提供一種具有糖識別能力的智能聚合物的製備和應用。通過席夫鹼 縮合的方法，將單糖功能單體通過席夫鹼縮合的方法共聚到聚合物主鏈上,並進一步接枝到各種基質材料上,在無機半導體Si、微孔SiO2、介孔SiO2、金屬Au、Ag、Cu、Al或Pt，金屬氧化物CuO、Al2O3、Fe3O4等基質材料表面接枝製備糖響應性聚合物薄膜。在多孔基質表面的接枝提供了一種具有高選擇性、高吸附量、操作簡單和重複性好的糖肽的分離富集方法，實現低化學計量學糖肽的選擇性富集和分離。

本發明目的採用下述方案來實現：

單糖聚合物富集材料，單糖功能單體通過席夫鹼縮合的方法共聚到聚合物主鏈上，並進一步接枝到基質材料上，得到糖響應性聚合物材料；

其中，單糖功能單體為阿洛糖，葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、乙醯葡萄糖胺、乙醯半乳糖胺、核糖、脫氧核糖中的一種或二種以上的1號位溴代之後與對羥基苯甲醛反應所形成的化合物；聚合物主鏈包括聚乙烯胺、聚天冬醯胺、聚醯胺、聚甲基丙烯酸氨基乙酯、聚甲基丙烯酸氨基丙酯或者聚丙烯醯胺中的一種或二種以上；基質材料包括無機半導體Si、微孔SiO2、介孔SiO2、金屬Au、Ag、Cu、Al或Pt，金屬氧化物CuO、Al2O3、Fe3O4中的一種或二種以上。

以阿洛糖為例，材料結構如下：

其中X＝0.01～0.5。

富集材料為聚合物修飾的基質材料，材料的粒徑是0.2-50μm,孔徑為

所述單糖聚合物富集材料的製備方法：

1)在反應容器中依次加入0.1-10g聚合物，0.1g-10g的單糖功能單體，同時加1-10mL H2O以及1-15mL甲醇作溶劑，20-60℃攪拌1-48小時，得到的產物裝於透析袋中用體積含量1-99％甲醇和水的混合溶液中透析1-7天後冷凍乾燥後得單糖聚合物白色固體；(對應的文獻為A.Baran,Turk.J.Chem.2013,37,927-935.)

2)首先是3-(三乙氧基矽烷)丙基異硫氰酸酯的合成：在反應容器中加入5-30ml四氫呋喃，加1-10ml的3-氨基丙基三乙氧基矽烷，滴入1-5ml的二硫化碳攪拌1-3小時之後加入1-6g雙氰胺，0.1-1ml的三乙胺，反應時間1-8小時，蒸餾出產物3-異硫氰酸丙基-三甲氧基矽氧烷；

3-(三乙氧基矽烷)丙基異硫氰酸酯與基質材料中的一種或二種以上於甲苯中反應得帶有異硫氰酸基團的基質材料；3-(三乙氧基矽烷)丙基異硫氰酸酯與基質材料的用量比 例為0.1-0.5g，反應條件甲苯回流(對應的文獻為T.L.Sun,G.J.Wang,L.Feng,B.Q.Liu,Y.M.Ma,L.Jiang,D.B.Zhu,Angew.Chem.,Int.Ed.2004,43,357-360)

3)接有3-異硫氰酸基團的基質0.1-5g量浸入含有上述單糖聚合物01-10g水溶液10-50ml量中；將燒瓶的溫度控制在20-60℃靜置反應2—24小時；反應結束後用甲醇、水依次洗滌聚合物接枝表面，此聚合物表面的厚度為10-50nm，氮氣吹乾表面後置於真空乾燥器中備用。

單糖功能單體按如下過程進行製備，

在反應容器內加入50-250ml的乙酸酐溶液加入0.5-3ml的高氯酸，緩慢加入所需單糖10-80g，攪拌10-80min後，置於冰浴中，依次加入5-20g紅磷，10-30ml溴，10-20ml水，之後常溫攪拌2-6h；所得混合物過濾，乾燥，之後用1-99％石油醚乙醚溶液洗滌三次，旋幹得一號位溴代其它羥基被乙醯基保護的糖的衍生物；(凌勳利,糖基給體溴代糖的合成,洛陽師範學院學報2,75-77)

於反應容器中加入上訴產物10-40g，用50-200ml三氯甲烷溶解，之後加入50-200ml飽和的碳酸鈉溶液，加入0.5-10g四丁基碘化銨，1-10g對羥基苯甲醛，30-70攝氏度反應4-24h，之後除水層，乾燥後混合物用柱層析法提純的一號位接有對羥基苯甲醛其它羥基被乙醯基保護的產物；於反應容器中加入1-10g上訴產物，加入10-50ml甲醇，加入0.1-1g 的甲醇鈉，反應1-24h後，產物用柱層析法提純，最後得單糖功能單體。(T.Hasegawa,M.Numata,M.Asai,M.Takeuchi,S.Shinkai,Tetrahedron 2005,61,7783-7788)

所述單糖聚合物富集材料在糖肽富集中的應用。

所述單糖聚合物富集材料應用在糖肽的富集和/或選擇性分離中；採用聚合物修飾的基質材料與糖蛋白酶解物接觸，然後富集糖肽。

具體操作採用固相萃取模式或分散固相萃取模式；

在固相萃取(SPE)模式下採用單糖聚合物修飾的基質材料富集糖肽時，將糖蛋白酶解物上到以單糖聚合物修飾的基質材料為填料的SPE上，採用淋洗液衝洗，除去非糖肽，採用洗脫液分離出糖肽；

或在分散固相萃取模式下採用單糖聚合物修飾的基質材料富集糖肽時，將糖蛋白酶解物上直接與富集材料混合，採用洗脫溶劑，使用離心方式、臺階梯度洗脫條件，富集出糖肽。

其中的糖蛋白酶解物與材料的質量比例為1:5-200；富集和分離溫度為10-60℃；

4)淋洗流動相和洗脫流動相的體積為3-1000倍的材料體積；

5)淋洗液的組成如下a-f任一之一所示：

a.A相為水，B相為乙腈，體積比A/B:10/90-40/60；

b.A相為水，B相為甲醇，體積比A/B:10/90-40/60；

c.A相為甲酸銨水溶液(pH 3-6)，B相為乙腈，體積比A/B:5/95-40/60；

d.A相為甲酸銨水溶液(pH 3-6)，B相為甲醇，體積比A/B:5/95-40/60；

e.A相為甲酸水溶液(pH 2-4)，B相為乙腈，體積比A/B:5/95-40/60；

f.A相乙酸水溶液(pH 2-4)，B相為甲醇，體積比A/B:5/95-40/60；

其中緩衝鹽溶液濃度1-200mM；

6)洗脫液的溶劑組成如下a-f任一之一所示：

a.A相為水，B相為乙腈，體積比A/B:40/60-100/0；

b.A相為水，B相為甲醇，體積比A/B:40/60-100/0；

c.A相為氨水水溶液(pH 8-11)，B相為乙腈，體積比A/B:40/60-100/0；

d.A相為碳酸氫銨水溶液(7-9)，B相為甲醇，體積比A/B:40/60-100/0；

e.A相為乙酸銨水溶液(5-7)，B相為乙腈，體積比A/B:40/60-100/0；

f.A相為磷酸氫鉀水溶液(8-10)，B相為甲醇，體積比A/B:40/60-100/0；

其中緩衝鹽溶液濃度1-200mM。

列舉一種常見的單糖作為糖功能單體，

P1中，x:0.01～0.5

通過席夫鹼縮合的方法，將單糖功能單體通過席夫鹼縮合的方法共聚到聚合物主鏈上,並進一步接枝到到無機半導體或金屬或金屬氧化物表面上，獲得糖響應性聚合物功能表面；所述的無機半導體為Si或SiO2，所述的金屬為Au、Ag或Pt，金屬氧化物為CuO、Al2O3、TiO2、ZrO2或Fe3O4。

本發明的單糖聚合物的製備方法：將單糖功能分子共聚物衍生接枝至矽膠或其他多孔基質材料表面上，獲得糖響應性聚合物薄膜；所述其他多孔基質材料為多孔氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯及其複合材料。

本發明的單糖聚合物應用在糖肽/糖蛋白的富集以及選擇性分離等領域。富集材料可選為聚合物修飾材料，材料的粒徑是2-30μm,孔徑為

具體操作採用柱固相萃取模式或分散固相萃取模式；

採用柱固相萃取(SPE)模式用聚合物修飾材料富集糖肽時，將糖蛋白酶解物上到SPE柱上，採用洗脫溶劑臺階梯度，富集出糖肽；

或採用分散固相萃取模式用聚合物修飾材料富集糖肽時，將糖蛋白酶解物上直接與富集材料混合，採用洗脫溶劑，使用離心方式、臺階梯度洗脫條件，分別先後富集出糖肽。

上樣量為富集材料與蛋白酶解物質量比例為10-200:1，富集溫度為15-60℃。

本發明具有如下優點：

1.本發明製備的聚合物修飾材料在分離富集糖肽時表現出了高選擇性和高通量等特點，可以實現糖肽選擇性富集；

2.本發明製備的聚合物修飾材料既可以方便的裝填成不同長度，不同內徑的柱子，又可以直接添加到離心管，操作簡單，易於重複。特別適合微量生物樣品中糖肽段的分離富集；

3.本發明富集得到的糖肽可直接用於電噴霧-質譜分析(ESI-MS)或者基質輔助雷射解吸電離-飛行時間質譜(MALD-TOF MS)，提高了質譜的檢測限和靈敏度。

附圖說明

圖1為智能單糖單體表面的表面對多種糖肽選擇性吸附的QCM-D曲線。將單糖單層接枝到QCM-D晶片表面，對不同種糖進行吸附實驗。條件為控溫20℃，載液為水，流速為0.100mL/min。從圖中可以看到該聚合物表面對不同類型的糖體現出優異的區分能力，有望被開發用於糖肽的選擇性富集和分離。

圖2聚合物修飾材料在離心模式下對標準糖蛋白辣根過氧化酶(HRP)(20pmol)酶 解產物中糖肽富集前後的MALDI-TOF質譜圖。(a)HRP酶解產物經富集前的質譜圖；(b)HRP酶解產物經聚合物修飾材料富集後的糖肽餾分；(c)HRP酶解產物經商品化材料Sepharose富集後的糖肽餾分。

圖3為標準糖蛋白fetuin(20pmol)酶解產物中糖肽經過不同方法富集後的ESI-MS譜圖。(a)fetuin酶解產物富集前的質譜圖；(b)fetuin酶解產物經商品化Sepharose富集後的糖肽餾分；(c)fetuin酶解產物經聚合物修飾材料富集後的糖肽餾分。

圖4是一個圖是熱重分析圖。

具體實施方式

實施例中所用原料及設備:

矽片由Silicon Materials Corporation(Germany)購得，HPLC柱色譜填料矽膠(氨基修飾)由上海月旭公司購得。聚丙烯醯胺溶液(重均分子量：10000)由Sigma-Aldrich公司購得。葡萄糖,甲醇，對羥基苯甲醛，溴化氫由Alfa公司購得。其他試劑均使用市售分析純。1H spectra在Bruker ARX300 spectrometer檢測獲得。

實施例1

葡萄糖功能單體的合成

在反應容器內加入200ml的乙酸酐溶液加入1ml的高氯酸，緩慢加入所需葡萄糖20g，攪拌30min後，置於冰浴中，依次加入6g紅磷，20ml溴，14ml水，之後常溫攪拌4h。所得混合物過濾，乾燥，之後用50％石油醚乙醚溶液洗滌三次，旋幹後得一號位溴代其它羥基被乙醯基保護的葡萄糖的衍生物；

於反應容器中加入上述產物20g，用150ml三氯甲烷溶解，之後加入150ml飽和的碳酸鈉溶液，加入5g四丁基碘化銨，8g對羥基苯甲醛，60攝氏度反應12h，之後除水層，乾燥後混合物用柱層析法提純的一號位接有對羥基苯甲醛其它羥基被乙醯基保護葡糖糖。在反應容器中加入5g上述產物，加入50ml甲醇，加入1g的甲醇鈉，反應4h後，產物用柱層析法提純，最後得葡糖糖功能單體。

聚丙烯醯胺接枝葡萄糖的功能聚合物的合成

在反應容器中依次加入1g聚丙烯醯胺，0.2g的葡萄糖功能單體，同時加入10mL H2O以及15mL甲醇作溶劑，40℃攪拌12小時，得到的產物裝於透析袋中用體積含量50％甲醇和水的混合溶液中透析3天後冷凍乾燥後得聚丙烯醯胺接枝葡萄糖的功能聚合物白色固體

聚丙烯醯胺接枝糖的功能聚合物矽膠功能表面的製備

在50mL的圓底燒瓶中加入10g多孔或實心矽膠與30mL的5％HCl混合，常溫攪拌48h。抽濾得到大量白色固體粉末，分多次用30mL超純水洗滌；真空乾燥後得到羥基化修飾的矽膠產品。

3-氨基丙基三乙氧基矽烷30mmol溶解在20ml的四氫呋喃中，再緩慢滴入二硫化碳，冰浴攪拌3h。之後恢復常溫後，加入3.8g雙氰胺，緊接著加入3滴三乙胺，20ml四氫呋喃，該混合物加熱到40℃繼續攪3h。該溶液減壓蒸的的沉澱物得到3-(三乙氧基矽烷)丙基異硫氰酸酯。將得到的3-(三乙氧基矽烷)丙基異硫氰酸酯與羥基化修飾的矽膠加入到甲苯中滴3滴三乙胺攪拌常溫攪拌12h，可得到由3-(三乙氧基矽烷)丙基異硫氰酸酯修飾的矽膠。將該矽膠加入聚丙烯醯胺聚合物水溶液中滴入幾滴三乙胺常溫攪拌24h就可得由聚丙烯醯胺聚合物修飾的矽膠。使用相同的方法可以製備不同顆粒尺寸(包括矽膠粒徑，孔徑)、聚丙烯醯胺聚合物接枝糖的功能聚合物接枝的矽膠樣品，用作糖肽/糖蛋白富集和分離柱的填充材料。

實施例2

糖聚合物薄膜的製備

糖聚合物中，x:0.01～0.5

以x＝0.2為例，在50mL的燒瓶中依次加入2g聚丙烯醯胺，0.5g的單糖功能單體，同時加入10mL H2O以及15mL甲醇作溶劑，60℃攪拌48小時，得到的產物用甲醇和水的混合溶液中透析三天後冷凍乾燥後得單糖聚合物白色固體。

糖聚合物表徵數據1HNMR(500MHz,D2O):δ(ppm):1.62(m,20H,C-CH2),2.20(d,10H,C-CH),3.39-3.96(m,5H,CH-OH and CH2-OH),4.21(t,J＝3.0Hz,1H,CH-OH),5.43(d,J＝8.1Hz,1H,O-CH-O),7.21(m,2H,Ph-H),7.89(d,J＝7.1Hz,2H,Ph-H),9.75(s,1H,CH＝N).IR(cm-1):3346,3202,2927,1658,1606,1579,1510,1452,1429,1399,1350,1322,1257,1172,1115,1102,1072,1036,912,838,821,804,701,611.

接有異硫氰酸基團的Si,、SiO2、Au、Ag、Pt、CuO、Al2O3、TiO2、ZrO2或Fe3O4浸入含有上述單糖聚合物水溶液中；將燒瓶的溫度控制在60℃靜置反應4—6小時；反應結束後用甲醇，H2O依次洗滌聚合物接枝表面，此聚合物表面的厚度為10-50nm，氮氣吹乾表面後置於真空乾燥器中備用。使用相同的方法聚合得到不同摩爾比例糖聚物薄膜表面。

實施例3

糖聚合物矽膠功能表面的製備

接有異硫氰酸基團的多孔矽膠浸入含有上述單糖集合物水溶液中；將燒瓶的溫度控制在60℃靜置反應4—6小時；反應結束後用甲醇，H2O依次洗滌聚合物接枝的多孔矽膠，30℃真空乾燥後置於乾燥器中備用。使用相同的方法可以製備不同顆粒尺寸(包括矽膠粒徑，孔徑)、智能糖聚合物接枝的矽膠樣品，用作糖肽富集和分離柱的填充材料。圖4是一個圖是熱重分析圖，接了糖智能聚合物的矽膠和接有異硫氰酸基團的矽膠熱重的對比圖；

功能單體的結構與合成方法

為製備上述的聚合物，需要合成糖功能單體，它們具體實施的合成方法類似，現以葡萄糖單體1為例詳細說明。

實施例4

將0.11mol(19.8g)葡萄糖緩慢加入含有160ml的乙酸酐和1ml高氯酸的500毫升的三口燒瓶中，該反應的混合物保持在30℃以下維持3h，之後，將該反應混合物放置在冰浴中，依次加入12g紅磷，23ml Br2,14.4ml去離子水，溫度保持在20℃以下，之後去掉冰浴，常溫攪拌4h，該混合物用120ml氯仿稀釋，加入冰的飽和NaHCO3溶液中和，有機層用無水CaCl2乾燥過夜之後旋幹，可得21g黃色油狀粗產物b。在250ml加入18.03g的b，5.12ml的4-羥基苯甲醛，0.08g四丁基碘化銨溶解在50ml的二氯甲烷和70ml碳酸鈉水溶液中常溫攪拌24h，之後有機層無水硫酸鈉乾燥過夜，之後旋幹過柱子純化得產物c。在100ml的圓底燒瓶中加入5.2g c，0.112g甲醇鈉用40ml的甲醇溶解，常溫攪拌4h，產物過柱子純化之後得d。

初步應用實例

實施例5

圖1為智能單糖單體表面的表面對多種糖肽選擇性吸附的QCM-D曲線。將單糖單層接枝到QCM-D晶片表面，對不同種糖進行吸附實驗。條件為控溫20℃，載液為水，流速為0.100mL/min。從圖中可以看到該糖表面對不同類型的糖體現出優異的區分能力，有望被開發用於糖肽的選擇性富集和分離。糖與曲線從上到下一一對應。

富集應用實例

按實施例2所述方法將P1接枝到多孔矽膠表面，然後以其為柱填料製成SPE柱備用。固定相結構如下：

實施例6

將實施例1製備的1mg葡萄糖聚合物修飾材料裝入凝膠吸頭中，1μL(40pmol)蛋白酶解液上樣後，分別用30μL的體積濃度85％乙腈/0.1％甲酸(pH 3)洗脫兩次；然後用30μL含有80％乙腈/0.1％甲酸(pH 3)溶液洗脫兩次；最後用20μL50％乙腈/2％甲酸溶液洗脫。洗脫液直接在質譜上進行分析。

由圖2可見，HRP酶解產物中的糖肽被可以被從聚合物修飾材料上洗脫下來。相比於商品化Sephaorse富集得到的糖肽(圖2c)，採用聚合物修飾矽球得到的糖肽選擇性更好，糖肽的個數更多(圖2b)，說明聚合物修飾材料能特異性的富集糖肽。

實施例7

調整富集的操作模式為離心，將實施例1製備的1mg葡萄糖聚合物修飾材料裝入離心管中，2μL(80pmol)fetuin酶解液溶於50μL5mM的甲酸銨的80％CH3CN/0.1％甲酸溶液(pH 3)並與材料混合，孵化5min,離心後收集上清液，重複此孵化和離心步驟，離心後合併上清液；最後沉澱與50μL含有20mM的甲酸銨的50％CH3CN/0.1％甲酸(pH 3)孵化5min,離心後收集上清液。各上清液直接在MALDI-TOF分析。

由圖3a、3b和3c可見，解產物中的糖肽被可以被從聚合物修飾材料上洗脫下來。相比於商品化Sephaorse富集得到的糖肽(圖3b)，採用聚合物修飾矽球得到的糖肽選擇性更好，糖肽的個數更多(圖3c)，說明聚合物修飾材料能特異性的富集糖肽。

實施例8-11

調整富集材料為木糖,巖藻糖和半乳糖聚合物修飾的矽球材料，其他條件同實施例6，富集後得到的糖肽進行質譜分析。

實施例12-14

調整富集材料為木糖,巖藻糖和半乳糖聚合物修飾的矽球材料，其他條件同實施例7，富集後得到的糖肽進行質譜分析。

實施例15-17

調整富集材料為木糖,巖藻糖和半乳糖聚合物修飾的TiO2材料，其他條件同實施例6，進行選擇性富集和質譜分析。

實施例18-21

調整富集材料為木糖,巖藻糖和半乳糖聚合物修飾的TiO2材料，其他條件同實施例7，富集後得到的糖肽進行質譜分析。

實施例22-24

調整fetuin解液的上樣量為20pmol、40pmol和160pmol,其他條件同實施例7，富集後得到的糖肽進行質譜分析，實驗結果表明在離心操作模式下1mg的材料可以有效地保留和富集80pmol的糖蛋白中的糖肽。

實施例25-27

調整淋洗液pH為4、6和6,其他條件同實施例7，進行選擇性富集和質譜分析。

本發明聚合物修飾材料對於糖肽具有很好的選擇性富集性能，和常規的親水材料相比，聚合物修飾材料富集糖肽具有更高選擇性，更高糖肽回收率和更好的重複性。利用聚合物修飾材料對於糖肽的高效的特異性吸附能力，可以將其應用於複雜體系中糖肽的選擇性分離富集，結合質譜，該材料在翻譯後修飾蛋白質組學研究等領域具有廣闊的應用前景。