Challenges for the effective molecular imprinting of proteins

Abstract

Molecular imprinting is a technique that is used to create artificial receptors by the formation of a polymer network around a template molecule. This technique has proven to be particularly effective for molecules with low molecular weight (<1500 Da), and during the past five years the number of research articles on the imprinting of larger (bio)templates is increasing considerably. However, expanding the methodology toward imprinted materials for selective recognition of proteins, DNA, viruses and bacteria appears to be extremely challenging. This paper presents a critical analysis of data presented by several authors and our own experiments, showing that the molecular imprinting of proteins still faces some fundamental challenges. The main topics of concern are proper monomer selection, washing method/template removal, quantification of the rebinding and reproducibility. Use of charged monomers can lead to strong electrostatic interactions between monomers and template but also to undesired high aspecific binding. Up till now, it has not been convincingly shown that electrostatic interactions lead to better imprinting results. The combination of a detergent (SDS) and AcOH, commonly used for template removal, can lead to experimental artifacts, and should ideally be avoided. In many cases template rebinding is unreliably quantified, results are not evaluated critically and lack statistical analysis. Therefore, it can be argued that presently, in numerous publications the scientific evidence of molecular imprinting of proteins is not convincing.

Polymer Directed Protein Assemblies

“…Imprinted protein structures on the surface or inside of nano/micron-sized particles can be used to study protein-protein interactions in an alternative way, as an antibody analog or since there is specific binding it can also act as a scavenger particle [76][77][78]. For the incorporation one can use electrostatic interactions to coordinate the protein structure but it can also first be confined to a surface covalently after which a layer can be built in between the surface bound proteins, upon removal a void in the shape of the protein is formed [79]. The surface binding approach has recently been used to actively scavenge virus particles from solution [80].…”

Molecularly imprinted polymers in electro analysis of proteins

“…Наиболее часто используемые белки-шаблоны для получения МИП -альбумин, гемоглобин, лизоцим [17]. Для получения полимеров с молекулярными отпечатками применяют 2D-структуры, то есть схемы для получения плоских поверхностей, покрытых полимерами.…”

“…Анализ связывания лизоцима по сравнению с цитохромом с в качестве конкурирующего белка показал преимущественное связывание лизоцима с фактором селективности для МИП-поверхности, равным 9,8, а для НИП-поверхности -2,9 [33]. Импринтирование в объёме (3D-структуры) как правило, характеризируется сложностью диффузии шаблона в полимер, однако получены МИП на основе акриламидных гидрогелей с использованием в качестве шаблона цитохрома с, лизоцима (в концентрационном диапазоне 0,5-4 мг/мл), гемоглобина (0,125 мг/мл -1 мг/мл) [17,34]. Анализ белков проводился спектральными методами по регистрации поглощения ароматических аминокислот при 280 нм, по поглощению гема при 410 нм для гемопротеинов гемоглобина, миоглобина и цитохрома с или колориметрически с использованием метода Бредфорд [35].…”

“…Разработаны методы получения полимерных аналогов антител (молекулярно-импринтированные полимеры, МИП) для низкомолекулярных соединений с массой <1500 Да, таких как пестициды, лекарственные препараты, биологически активные соединения [16]. В настоящее время активно развивается синтез МИП для высокомолекулярных структур -белков-маркеров заболеваний, бактериальных клеток, вирусов, ДНК [17,18]. Задачи разработки биосенсорных методов и создания устройств на их основе могут быть успешно решены с развитием именно МИП-технологий в качестве замены антителам, альтернативным каркасным белкам и аптамерам вследствие их стабильности, возможности химического синтеза в различных форматах, например, с помощью электросинтеза [19], а также возможностью получения как объемных (3D, bulk polymerization), так и плоскостных (2D, surface molecular imprinting) конструкций [20].…”

Fluorescent and magnetic dual-responsive coreshell imprinting microspheres strategy for recognition and detection of phycocyanin

“…4,5,[16][17][18] In addition, the large molecular size of proteins results in poor mass transport and permanent entrapment within traditionally dense MIP gels, while high elasticity and porosity of a looser gel makes the imprinting process less selective. [18][19][20] Consequently, it is still a severe challenge to nd efficient and general ways to imprint proteins.…”