生物大分子，如蛋白质和核酸，是参与广泛生理过程并在生物系统中发挥关键作用的最重要的生物物质[1]。随着对高效且安全的治疗产品需求的增加，人们期望开发出具有高选择性的下游平台，以确保生物大分子的高纯度和结构完整性[2,3]。在大多数实际应用中，下游策略的成功取决于合适配体的选择。这些配体必须通过特定的相互作用机制与目标物质或杂质选择性地、可逆地结合，从而实现有效的分离和纯化。
作为两种主要的生物大分子，图1 A示意性地展示了蛋白质和核酸的典型来源和组成。无论是来自生物来源、细胞培养还是通过体外合成，目标产品的内在结构多样性和共存杂质的复杂性（包括工艺相关和产物相关的杂质）都给选择和开发高效纯化平台带来了挑战[[4], [5], [6]]。蛋白质和核酸的生物物理性质和二级结构存在显著差异，导致各自的纯化挑战不同。对于蛋白质纯化，杂质更为多样且结构复杂；去除聚集体尤为重要，因为它们可能具有免疫原性[2,[7], [8], [9]]。相比之下，核酸纯化的主要挑战是分离与目标分子结构相似的杂质，例如从单链mRNA中去除双链RNA（dsRNA）[[10], [11], [12]]。
已经开发了一系列基于萃取、色谱和膜技术的纯化平台，每种技术都有其独特的优势和局限性。水相两相萃取系统（ATPS）已在工业上用于蛋白质纯化[13]，而由于对有机溶剂使用的环境和安全顾虑，酚-氯仿萃取核酸主要限于实验室使用[14]。基于膜的操作（如微滤和超滤）主要通过尺寸分离分子，但其分辨率通常不足以实现高精度分离[15]。膜色谱结合了对流流动和配体选择性，正在开发中以解决这一限制[16]。色谱仍然是最广泛使用的生物大分子纯化技术，其高选择性得到了证明，例如蛋白质A对IgG的纯化[17]以及通过poly A碱基配对捕获mRNA[10,18,19]。然而，配体成本较高，特异性问题仍然存在，即蛋白质A可能非特异性地结合抗体的可变区域，同时吸附片段和聚集体，而寡(dT)也可能结合dsRNA。这些问题都影响了纯化效果。
这些挑战促使人们将生物大分子纯化的重点转向更合理设计的分离平台。例如，通过结合材料科学和人工智能，数字树脂设计的概念已被证明可以加速高容量树脂的结构设计，通过生成虚拟树脂结构、分析关键结构特征并模拟生物分子的动态扩散[20]。这种方法超越了经验筛选或简单的组合方法，强调了分离介质、目标分子及其杂质之间相互作用的机制理解。通过有目的地选择和组装有利于目标分子的相互作用模式并区分竞争物种，可以构建出实现选择性和高效分离的纯化系统。
离子液体（ILs）是一种熔融盐溶剂，具有低挥发性、高离子导电性和低毒性等独特性质。由于这些特性，离子液体在催化[21]、电化学[22]和CO2捕获[23]等领域具有广泛的应用前景。由于离子液体由庞大的不对称有机阳离子（如咪唑鎓、胆碱鎓、吡咯烷鎓）与多种无机或有机阴离子配对组成，因此可以通过调节特定的阳离子-阴离子组合来精细调整其物理化学性质（图1 B）。借助计算机科学，可以根据离子液体的分子结构预测其关键物理化学性质，如熔点和粘度[24]。结合机器学习模型和计算机辅助分子设计，甚至为探索未探索的离子液体领域提供了有前景的方法[25]，并有助于合理选择用于特定分子分离的离子液体[26]。这种结构模块化使得能够精确控制离子液体的行为，并使每种离子的贡献以协同方式发挥作用，因此它们常被称为“设计型溶剂”[27]。近年来，高度生物相容性的离子液体受到了越来越多的关注，特别是基于胆碱鎓、咪唑鎓和铵的体系，因为它们能够与多种生物大分子发生多种类型的相互作用[28]。这些离子液体已被广泛用于药物递送[29]、生物大分子的长期保存[30]和纯化[31]等应用。作为绿色溶剂，离子液体可以在与蛋白质、核酸和其他生物物质的选择性相互作用的同时提高溶解度和结构稳定性[28]。这种溶解性和选择性相互作用的结合使离子液体能够有效地作为萃取基分离平台的一个相[32]。除了作为萃取溶剂外，许多离子液体阳离子还具有反应位点，可以通过各种交联剂与色谱支持物或膜基质共价结合。尽管固定化过程不可避免地改变了离子液体的局部结构，使其偏离了传统的液态，但离子液体的基本可调性得以保持[33,34]。这种可调性使得可以根据目标分子的物理化学性质定制固定的离子液体。通过调整阳离子的结构或缓冲环境以改变反离子配对，可以选择性地放大目标分子与其杂质之间的相互作用强度差异。总体而言，这些特性突显了离子液体作为多功能和高度可定制材料在分离和纯化应用中的巨大潜力。
鉴于离子液体的内在可设计性，理解不同阳离子-阴离子组合与生物大分子的相互作用对于构建基于离子液体的纯化平台至关重要，如图1 C所示。现有综述总结了离子液体在液-液萃取系统中的使用[32]以及作为多模态色谱配体的应用[35,36]。尽管取得了这些进展和方法，但仍然缺乏一个连贯的理论框架来解释离子液体结构如何控制生物分子的选择性。一些基本问题尚未解决，例如为什么某些离子液体结构能够有效作为萃取相或特定类型生物大分子的固定化配体，以及阳离子和阴离子结构的变化如何决定离子液体与蛋白质和核酸的相互作用模式。在没有这种机制理解的情况下，下一代生物治疗用基于离子液体的纯化平台的开发仍然主要依赖于经验优化，而不是基于设计的合理方法。
因此，本文首先讨论了“离子液体-生物大分子相互作用的类型和区别”，重点关注蛋白质和核酸。基于分离和纯化的基本原理，系统总结了离子液体阳离子和阴离子结构的变化以及取代基团如何调节这些相互作用的类型和强度。然后通过各种基于离子液体的纯化平台的实例（包括萃取、柱色谱和离子液体功能化膜分离）说明了这些结构-相互作用关系的实际意义。最后，讨论了未来针对生物大分子下游过程的更合理设计方向，以及进一步扩大离子液体在整个生物大分子制造框架中的应用。
