Jump to content

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.

Получение молекулярно-импринтированного материала
Preparation of molecularly imprinted material

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.

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ Дики, Фрэнк (1955). «Специфическая адсорбция». Журнал физической химии . 59 (8): 695–707. дои : 10.1021/j150530a006 .
  3. ^ Патрикеев В.; Смирнова Г.; Максимова (1962). «Некоторые биологические свойства специально образованного кремнезема». Наук СССР . 146 :707.
  4. ^ Вульф, Г.; Сархан, А. «Использование полимеров со структурами, аналогичными ферментам, для разделения рацематов». Энджью. хим. Межд. Эд. (11): 341–346.
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  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.
  8. ^ 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.
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ Хунъюань, Ян; Роу, Кён (2006). «Характеристика и синтетический подход к молекулярно-отпечатанному полимеру». Международный журнал молекулярных наук . 7 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ Сяцин; Цзиньхуа (2016). ( Чен, Линксин; Ван, Сяоян; Ву , Обзоры химического общества . 45 8): / 10.1039 C6CS00061D . . ПМИД   26936282
  20. ^ Перейти обратно: а б Хаупт, Карстен (2003). «Молекулярно-импринтированные полимеры: следующее поколение». Аналитическая химия . 75 (17): 376А–383А. дои : 10.1021/ac031385h . ПМИД   14632031 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ WO WO 1996040822A1 , Домб, Абрахам, «Получение биологически активных молекул методом молекулярного импринтинга», опубликовано 19 декабря 1996 г.  
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9a43cdb2a101142c922f636eb4d70cf3__1698839760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9a/f3/9a43cdb2a101142c922f636eb4d70cf3.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Molecular imprinting - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)