意义重大的蛋白质结晶

对“静止”的蛋白质进行观察，很多“疑难杂症”都能浮出水面，蛋白质晶体对于生命科学的研究具有重大意义。以今年年初爆发的新型冠状病毒（2019-nCoV）为例，我国科学家就是利用病毒的水解酶与的复合物晶体成功解析了原子结构，可为抗病毒的快速筛选和研发提供有力的工具。截止2020年1月1日，蛋白质数据库收录了超过16万个蛋白质晶体的原子结构信息，已经渗透到了众多领域，如药学，***，农业，材料学等。目前，有9位科学家因解析蛋白质的晶体结构而获得诺贝尔奖。然而，让蛋白质结晶可不是一件容易的事情。在科学界，蛋白质晶体的生长常常被认为是“艺术”远多于“科学”，甚至有许多科学家为了晶体更好地结晶，开始有些“小”：比如把做好的结晶板放在车上开出去几个小时，或是在晶体实验柜门上贴了两只大恐龙贴纸……其实，这些“小”都反映出：蛋白质晶体的结晶过程受到很多因素的影响，能够有一颗完整的结晶是一件很困难的事情。想要获得足够质量的晶体，尤其对新颖的、表征不佳的***产物来说，通常是新结构测定项目中困难也是耗时的步骤。

新技术提升蛋白质结晶成功率

超构材料21世纪初被提出，截至目前它仍然是非常活跃的前沿领域。其中的微结构，大小尺度与它作用的蛋白质尺寸相当，因此得以对蛋白质的结晶过程施加干预，对蛋白质的聚集态形成起到促进作用，从而降低了两步成核中的步能垒。其次，通过材料本体结构的晶格对聚集态蛋白质分子进行引导排列，促进蛋白质分子的有序排列和晶核形成，从而降低了两步成核中的第二步能垒。

尽管通过实验和理论证明了超构材料在蛋白质结晶方面的巨大潜力，但要充分发挥其优势则必须兼容当前蛋白质结晶通过的高通量筛选系统。目前国际上普遍采用液体处理机器人来进行高通量结晶筛选，筛选一个结晶条件的蛋白样品消耗体积为纳升级别。因此，如何快速，稳定地将成核剂添加到高通量系统的同时，又不对结晶系统造成大的影响成为急需解决的问题。

随后通过优化生产和制备工艺，考察了各生产因素对成核剂尺寸和稳定性的影响，确定了适合高通量蛋白质结晶筛选的成核剂混悬剂的制备工艺流程。这是一种含有具有表面超结构的有机无机复合材料，其尺寸分布在几百纳米到几微米之间。该产品的组成为材料颗粒与水溶液的混悬液。在蛋白质结晶筛选实验中，使用该产品有助于提高蛋白质结晶筛选的成功率，包括改善晶体的分辨率和筛选新的结晶条件，使不结晶或难结晶的蛋白质成功结晶，展现了巨大的应用潜力，使用该成核剂已经成功结晶和解析十多个蛋白质晶体结构。

此外，针对能够结晶的蛋白质分子，成核剂混悬液在筛选新的结晶条件，提升结晶的分辨率方面同样有效。目前，***院已经与国内超过18个实验室开展了合作，助力我国的生命科学和生物研究。

蛋白结晶板

获取蛋白质晶体是蛋白质三维结构解析,***生产,自组装纳米体系构建等过程中重要的步骤.例如,利用X射线衍射技术对蛋白质进行三维结构解析时,首先需要通过结晶条件筛选,获得质量较高的蛋白质晶体,进而进行衍射得到蛋白质结构相关信息.蛋白质结晶需要经历从未饱和区经亚稳区至形核区的形核过程以及从形核区到亚稳区的生长成熟过程.在整个蛋白质结晶过程中,形核过程是至关重要的一步.均相形核过程中,结晶体系中各个部分形核概率相同,当蛋白质结晶体系中溶液的过饱和度足够克服形核势垒时,在形核区发生成核,因而在低浓度的结晶溶液体系中,均相形核存在一定的局限性。

形核剂的添加使蛋白质晶体异相形核,相较于均相形核其需要克服的阻力小,形核势垒低.因而形核剂的使用对于难结晶蛋白或者起始浓度过低的蛋白质结晶具有重要意义.随着结构生物学的发展,形核剂在蛋白质结晶中的研究仍是结晶方法学领域的热点问题.多孔微球对蛋白质分子的吸附作用有利于无序蛋白质分子团簇的形成,进而促进蛋白质形核.添加多孔微球不但可以增加结晶条件筛选数,也可以提高晶体质量.促进蛋白质分子有序排列的形核剂籽晶的使用,使晶体的形核生长过程始终处于结晶体系溶液浓度较低的状态,而交联的籽晶因为稳定性更高而更有应用前景.新型交互扩散结晶板中。