Молекулярный импринтинг
Молекулярный импринтинг — это метод создания полостей в форме шаблона в полимерных матрицах с заданной селективностью и высоким сродством. [1] Этот метод основан на системе, используемой ферментами для распознавания субстрата , которая называется моделью «замок и ключ». Активный сайт связывания фермента имеет форму, специфичную для субстрата. Субстраты с формой, комплементарной месту связывания, избирательно связываются с ферментом; альтернативные формы, не соответствующие месту связывания, не распознаются.
Материалы с молекулярным отпечатком готовятся с использованием молекулы-шаблона и функциональных мономеров , которые собираются вокруг шаблона и впоследствии сшиваются друг с другом. Мономеры, которые самособираются вокруг молекулы-шаблона за счет взаимодействия между функциональными группами как на матрице, так и на мономерах, полимеризуются с образованием импринтированной матрицы (широко известной в научном сообществе как молекулярный импринтированный полимер (MIP)). Впоследствии шаблон удаляется частично или полностью, [1] оставляя после себя полость, дополняющую шаблон по размеру и форме. Полученная полость может работать как место селективного связывания шаблонной молекулы.

В последние десятилетия метод молекулярного импринтинга был разработан для использования при доставке лекарств , разделении, биологическом и химическом зондировании и т. д. Благодаря избирательности формы полости использование в катализе также облегчается ее определенных реакций.
История
[ редактировать ]Первый пример молекулярного импринтинга приписывается М. В. Полякову в 1931 при его исследованиях по полимеризации силиката натрия с карбонатом аммония . Когда процесс полимеризации сопровождался добавкой, такой как бензол , полученный диоксид кремния демонстрировал более высокое поглощение этой добавки. [1] К 1949 году Дики использовал концепцию молекулярного импринтинга в теории обучения; его исследования осаждали силикагели в присутствии органических красителей и показали, что отпечатанный кремнезем обладает высокой селективностью по отношению к темплатному красителю. [2]
Следуя наблюдениям Дикки, Патрикеев опубликовал статью о своем «отпечатанном» кремнеземе методом инкубации бактерий с гелем кремнезема. Процесс сушки и нагревания кремнезема способствовал росту бактерий лучше, чем другие эталонные кремнеземы, и проявлял энантиоселективность . [3] Позже он использовал этот метод импринтированного диоксида кремния в других приложениях, таких как тонкослойная хроматография (ТСХ) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). В 1972 году Вульф и Клотц представили молекулярный импринтинг в органических полимерах. Они обнаружили, что молекулярное распознавание возможно за счет ковалентного введения функциональных групп в импринтированную полость полимеров. [4] [5] Затем группа Мосбаха доказала возможность введения функциональных групп в импринтированные полости посредством нековалентных взаимодействий, что привело к нековалентному импринтингу. [6] [7] Многие подходы к молекулярному импринтингу с тех пор были распространены на различные цели. [1]
Тип молекулярного импринтинга
[ редактировать ]Ковалентный
[ редактировать ]При ковалентном импринтинге молекула матрицы ковалентно связывается с функциональными мономерами , которые затем вместе полимеризуются. После полимеризации полимерная матрица отделяется от молекулы шаблона, оставляя полость, имеющую форму шаблона. После повторного связывания с исходной молекулой сайты связывания будут взаимодействовать с молекулой-мишенью, восстанавливая ковалентные связи . [8] [9] Во время этого восстановления восстанавливается кинетика, связанная со связыванием и разрывом связей. Затем отпечатанная молекула высвобождается из матрицы, в которой она затем повторно связывается с целевой молекулой, образуя те же ковалентные связи, которые образовались до полимеризации. [7] Преимущества использования этого подхода включают в себя то, что функциональная группа связана исключительно с сайтами связывания, [1] избегая любого неспецифического связывания. Импринтированная молекула также демонстрирует гомогенное распределение сайтов связывания, что повышает стабильность комплекса матрица-полимер. [7] Однако существует несколько соединений, которые можно использовать для импринтинга молекул матрицы посредством ковалентной связи, например спирты , альдегиды и кетоны , все из которых имеют высокую кинетику образования. [10] [11] В некоторых случаях повторное связывание полимерной матрицы с матрицей может быть очень медленным, что делает этот подход неэффективным по времени для применений, требующих быстрой кинетики, таких как хроматография .
Нековалентный
[ редактировать ]При нековалентном импринтинге силы взаимодействия между молекулой шаблона и функциональным мономером такие же, как силы взаимодействия между полимерной матрицей и аналитом . Силы, участвующие в этой процедуре, могут включать водородные связи , диполь-дипольные взаимодействия и индуцированные дипольные силы . [1] Этот метод является наиболее широко используемым подходом для создания MIP из-за простоты приготовления и большого разнообразия функциональных мономеров, которые могут быть связаны с молекулой-матрицей. Среди функциональных групп метакриловая кислота является наиболее часто используемым соединением из-за ее способности взаимодействовать с другими функциональными группами. [12] [13] Другой способ чередовать нековалентное взаимодействие между молекулой-шаблоном и полимером — это метод «укусить и переключиться», разработанный профессором Сергеем А. Пилецким и Шринат Субрахманьям. [14] В этом процессе функциональные группы сначала нековалентно связываются с местом связывания, но на этапе повторного связывания полимерная матрица образует необратимые ковалентные связи с целевой молекулой. [14] [15]
Ионный/Металлик
[ редактировать ]металлов Ионный импринтинг, в котором участвуют ионы , служит подходом к усилению взаимодействия молекул шаблона и функционального мономера в воде. [16] Обычно ионы металлов служат посредником в процессе импринтинга. Сшивающие полимеры в присутствии иона металла образуют матрицу, способную связывать металл. [17] Ионы металлов также могут опосредовать молекулярный импринтинг путем связывания с рядом функциональных мономеров, при этом лиганды отдают электроны на крайнюю орбиталь иона металла. [1] Помимо опосредования импринтинга, ионы металлов могут использоваться при прямом импринтинге. Например, ион металла может служить шаблоном для процесса импринтинга. [18]
Приложения
[ редактировать ]на основе сродства Одним из применений технологии молекулярного импринтинга является разделение для биомедицинского, экологического и пищевого анализа. Предварительное концентрирование и обработка проб могут осуществляться путем удаления заданных следовых количеств аналитов из проб с помощью MIP. Возможность использования MIP в твердофазной экстракции , твердофазной микроэкстракции и сорбционной экстракции с мешалкой изучалась в нескольких публикациях. [19] Более того, методы хроматографии, такие как ВЭЖХ и ТСХ, могут использовать MIP в качестве насадочных материалов и неподвижных фаз для разделения шаблонных аналитов. Было обнаружено, что кинетика нековалентно импринтированных материалов быстрее, чем у материалов, полученных ковалентным подходом, поэтому нековалентные MIP чаще используются в хроматографии. [20]
Другое применение — использование материалов с молекулярными отпечатками в качестве химических и биологических сенсоров . Они были разработаны для борьбы с гербицидами, сахарами, лекарствами, токсинами и парами. Датчики на основе MIP не только обладают высокой селективностью и высокой чувствительностью, но также могут генерировать выходные сигналы (электрохимические, оптические или пьезоэлектрические) для обнаружения. Это позволяет использовать их для флуоресцентного, электрохимического, хемилюминесцентного и УФ-видимого зондирования. [7] [20] Криминалистические приложения, позволяющие обнаруживать запрещенные наркотики, запрещенные спортивные препараты, токсины и боевые отравляющие вещества, также вызывают растущий интерес. [21]
Молекулярный импринтинг неуклонно появляется в таких областях, как доставка лекарств и биотехнология . Избирательное взаимодействие между матрицей и полимерной матрицей может быть использовано при получении искусственных антител . На биофармацевтическом рынке разделение аминокислот, хиральных соединений, гемоглобина и гормонов может быть достигнуто с помощью MIP- адсорбентов . Были исследованы методы использования методов молекулярного импринтинга для имитации линейных и полианионных молекул, таких как ДНК, белки и углеводы. [22] Проблемной областью является импринтинг белков . Большие водорастворимые биологические макромолекулы создают трудности для молекулярного импринтинга, поскольку их конформационная целостность не может быть обеспечена в синтетических средах. Современные методы решения этой проблемы включают иммобилизацию молекул шаблона на поверхности твердых подложек, тем самым сводя к минимуму агрегацию и контролируя расположение молекул шаблона на поверхности импринтированных материалов. [21] Однако критический обзор молекулярного импринтинга белков, проведенный учеными из Утрехтского университета, показал, что необходимы дальнейшие исследования. [23]
Фармацевтические применения включают системы селективной доставки лекарств и контроля высвобождения лекарств, которые используют стабильную конформацию MIP, быстрое равновесное высвобождение и устойчивость к ферментативному и химическому стрессу. [7] Также исследовалось интеллектуальное высвобождение лекарств, то есть высвобождение терапевтического агента в результате определенных стимулов. Было показано, что материалы с молекулярным отпечатком инсулина и других лекарств на наноуровне демонстрируют высокую адсорбционную способность к соответствующим мишеням, что демонстрирует огромный потенциал для новых систем доставки лекарств. [24] По сравнению с природными рецепторами MIP также обладают более высокой химической и физической стабильностью, более легкой доступностью и более низкой стоимостью. MIP могут быть особенно использованы для стабилизации белков, в частности, для селективной защиты белков от денатурации под воздействием тепла. [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Александр, Кэмерон; Андерссон, Хокан С.; Андерссон, Ларс И.; Анселл, Ричард Дж.; Кирш, Николь; Николлс, Ян А.; О'Махони, Джон; Уиткомб, Майкл Дж. (2006). «Наука и технология молекулярного импринтинга: обзор литературы за годы до 2003 года включительно». Журнал молекулярного распознавания . 19 (2): 106–180. дои : 10.1002/jmr.760 . ПМИД 16395662 . S2CID 37702488 .
- ^ Дики, Фрэнк (1955). «Специфическая адсорбция». Журнал физической химии . 59 (8): 695–707. дои : 10.1021/j150530a006 .
- ^ Патрикеев В.; Смирнова Г.; Максимова (1962). «Некоторые биологические свойства специально образованного кремнезема». Наук СССР . 146 :707.
- ^ Вульф, Г.; Сархан, А. «Использование полимеров со структурами, аналогичными ферментам, для разделения рацематов». Энджью. хим. Межд. Эд. (11): 341–346.
- ^ Такагиси, Тору; Клотц, Ирвинг (1972). «Взаимодействие макромолекул с малыми молекулами; Введение дополнительных сайтов связывания в полиэтиленимин за счет дисульфидных поперечных связей». Биополимеры . 11 (2): 483–491. дои : 10.1002/bip.1972.360110213 . ПМИД 5016558 . S2CID 43855200 .
- ^ Селлергрен, Б. (1997). «Нековалентный молекулярный импринтинг: антителоподобное молекулярное распознавание в полимерных сетчатых материалах». Тенденции в аналитической химии . 16 (6): 310–320. дои : 10.1016/S0165-9936(97)00027-7 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Шах, Насрулла (2012). «Краткий обзор молекулярно-импринтированных полимеров: от основ к применению». Журнал фармацевтических исследований . 5 :3309.
- ^ Вульф, Г.; Дедерихс, Р.; Гротстоллен, Р.; Юп, К. (1982). «Аффинная хроматография и родственные методы - теоретические аспекты/промышленные и биомедицинские применения». Материалы 4-го Международного симпозиума . 4 : 22–26.
- ^ Вульф, Г. (1982). «Селективное связывание с полимерами посредством ковалентных связей. Создание хиральных полостей как специфических рецепторных участков» . Чистая и прикладная химия . 54 (11): 2093–2102. дои : 10.1351/pac198254112093 . S2CID 55884626 .
- ^ Андерссон, Ларс (2000). «Молекулярный импринтинг: разработки и приложения в области аналитической химии». Журнал хроматографии. Б. Биомедицинские науки и их применения . 745 (1): 3–13. дои : 10.1016/S0378-4347(00)00135-3 . ПМИД 10997701 .
- ^ Хунъюань, Ян; Роу, Кён (2006). «Характеристика и синтетический подход к молекулярно-отпечатанному полимеру». Международный журнал молекулярных наук . 7 .
- ^ Андерссон, Ларс; Селлергрен, Борье; Мосбах, Клаус (1984). «Импринтинг производных аминокислот в макропористых полимерах». Буквы тетраэдра . 25 (45): 5211–5214. дои : 10.1016/S0040-4039(01)81566-5 .
- ^ Кемпе, Мария; Мосбах, Клаус (1995). «Разделение аминокислот, пептидов и белков на молекулярно-импринтированных неподвижных фазах». Журнал хроматографии . 691 (1–2): 317–323. дои : 10.1016/0021-9673(94)00820-Y . ПМИД 7894656 .
- ^ Перейти обратно: а б Субрахманьям, Шринат; Пилецкий, Сергей; Пилецкая, Елена; Чен, Бейнин; Карим, Кал; Тернер, Энтони (2001). « Подход «укуси и переключись» с использованием компьютерно разработанных полимеров с молекулярными отпечатками для определения креатинина». Биосенсоры и биоэлектроника . 16 (9–12): 631–637. дои : 10.1016/S0956-5663(01)00191-9 . ПМИД 11679238 .
- ^ Пилецкий, Сергей; Пилецкая, Елена; Субрахманьям, Шринат; Карим, Кал; Тернер, Энтони (2001). «Новый реактивный полимер, подходящий для ковалентной иммобилизации и мониторинга первичных аминов». Полимер . 42 (8): 3603–3608. дои : 10.1016/S0032-3861(00)00739-4 . hdl : 1826/803 .
- ^ Явуз, Х.; Скажи, Р.; Денизли, А (2005). «Удаление железа из плазмы человека на основе молекулярного распознавания с использованием импринтированных шариков» . Материаловедение и инженерия . 25 (4): 521–528. дои : 10.1016/j.msec.2005.04.005 .
- ^ Сюй, Л.; Хуанг, Ю.; Чжу, К.; Йе, К. (2015). «Хитозан в полимерах с молекулярным отпечатком: текущие и будущие перспективы» . Международный журнал молекулярных наук . 16 (8): 18328–18347. дои : 10.3390/ijms160818328 . ПМЦ 4581248 . ПМИД 26262607 .
- ^ Нишиде, Х.; Цучида, Э. (1976). «Селективная адсорбция ионов металлов на поли(4-винилпиридиновых) смолах, в которых лигандная цепь иммобилизована путем сшивания». Die Makromoleculare Chemie: Макромолекулярная химия и физика . 177 (8): 2295–2310. дои : 10.1002/macp.1976.021770807 .
- ^ Сяцин; Цзиньхуа (2016). ( Чен, Линксин; Ван, Сяоян; Ву , Обзоры химического общества . 45 8): / 10.1039 C6CS00061D . . ПМИД 26936282
- ^ Перейти обратно: а б Хаупт, Карстен (2003). «Молекулярно-импринтированные полимеры: следующее поколение». Аналитическая химия . 75 (17): 376А–383А. дои : 10.1021/ac031385h . ПМИД 14632031 .
- ^ Перейти обратно: а б Йылмаз, Э.; Гарипкан, Б.; Патра, Х.; Узун, Л. (2017). «Применение молекулярного импринтинга в судебной медицине» . Датчики . 17 (4): 691. Бибкод : 2017Senso..17..691Y . дои : 10.3390/s17040691 . ПМК 5419804 . ПМИД 28350333 .
- ^ WO WO 1996040822A1 , Домб, Абрахам, «Получение биологически активных молекул методом молекулярного импринтинга», опубликовано 19 декабря 1996 г.
- ^ Верхейен, Эллен; Шиллеманс, Йорис; Уорд, Мартин; Демениекс, Мари-Астрид; Хеннинк, Вим; Нострум, Корнелус (2011). «Проблемы эффективного молекулярного импринтинга белков» . Биоматериалы . 32 (11): 3008–20. doi : 10.1016/j.bimaterials.2011.01.007 . ПМИД 21288565 .
- ^ Павел, Пиджуш; Тритонг, Алонгкот; Замша, Рунгнапа (2017). «Биомиметические полимерные наночастицы, импринтированные инсулином, как потенциальная система пероральной доставки лекарств» . Акта Фармасьютика . 67 (2): 149–168. дои : 10.1515/acph-2017-0020 . ПМИД 28590908 .
- ^ Лю, Ибинь; Чжай, Цзюньцю; Донг, Цзяньтун; Чжао, Мэйпин (2015). «Магнитные наночастицы гидрогеля с импринтированной поверхностью для специфической и обратимой стабилизации белков» . Молекулярный импринтинг . 3 . дои : 10.1515/молим-2015-0006 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Лэй Е (19 апреля 2016 г.). Молекулярный импринтинг: принципы и применение микро- и наноструктурных полимеров . ЦРК Пресс. ISBN 978-981-4364-87-4 .
- Чеплак, Мацей; Катнер, Влодзимеж (2016). «Искусственные биосенсоры: как молекулярный импринтинг может имитировать биораспознавание?». Тенденции в биотехнологии . 34 (11): 922–941. дои : 10.1016/j.tibtech.2016.05.011 . ПМИД 27289133 .
- Якоб, Богдан-Цезарь; Бодоки, Андреа; Опреан, Луминита; Бодоки, Эде (2018). «Взаимодействие металла и лиганда при молекулярном импринтинге».
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь )