蛋白質(zhì)結(jié)晶技術(shù)發(fā)展的艱難歷程

科學(xué)家們研究蛋白質(zhì)結(jié)晶技術(shù)花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間。1988年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予三位德國(guó)科學(xué)家，原因是三個(gè)人通力合作，在世界上解析了一種膜蛋白——菌光合反應(yīng)中心的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，它拉開了膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)的序幕，在生物學(xué)界影響非常大。之后，科學(xué)家們?cè)诨蚪M學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展，可以作為潛在靶向的蛋白質(zhì)的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增加，然而這些方法獲得有用晶體的成功率不足20%。

2011年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院和薩里大學(xué)的科學(xué)家們使用一種“分子印跡聚合物（MIPs）”的材料，研發(fā)出了一種更有效的制造蛋白質(zhì)晶體的方法。但是這種方法在結(jié)晶條件成分復(fù)雜，包含高鹽，，寬泛的酸堿區(qū)間等條件下，容易造成MIPs對(duì)蛋白質(zhì)的印記作用失效?？蒲胁粩嗌钊耄夹g(shù)不斷迭代，目前，應(yīng)用為廣泛的晶體制備方法當(dāng)屬規(guī)模篩選，比如高通量蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選，即從成百上千個(gè)溶液條件中篩選出適合結(jié)晶的條件。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前的高通量蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選的成功率僅為15.6%，嚴(yán)重制約了蛋白質(zhì)結(jié)晶技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。缺乏、廣譜的蛋白晶體制備技術(shù)是目前結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的技術(shù)瓶頸。

近期，由深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員課題組研發(fā)的一種蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選添加劑——人工晶種混懸液打破了技術(shù)桎梏。新法的應(yīng)用，能夠讓蛋白質(zhì)晶體的結(jié)晶更簡(jiǎn)便，更科學(xué)，更完整。

蛋白結(jié)晶板過(guò)程實(shí)驗(yàn)

蛋白結(jié)晶板過(guò)程是一種重要的分離過(guò)程單元操作,由于機(jī)理的復(fù)雜性以及動(dòng)態(tài)特性使得該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型研究非常具有挑戰(zhàn)性.本文從間歇結(jié)晶過(guò)程建模和動(dòng)態(tài)模擬,動(dòng)態(tài)優(yōu)化,模型辨識(shí)以及魯棒優(yōu)化與控制等方面,介紹了間歇結(jié)晶過(guò)程數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展,評(píng)述了其中的關(guān)鍵問(wèn)題和求解技術(shù).指出對(duì)結(jié)晶過(guò)程的機(jī)理進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí),開發(fā)數(shù)值穩(wěn)定,精度更高的求解算法是間歇結(jié)晶過(guò)程數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ).全局優(yōu)化效果較好的進(jìn)化算法和模型預(yù)測(cè)控制理論在結(jié)晶過(guò)程動(dòng)態(tài)優(yōu)化和質(zhì)量控制中的應(yīng)用是今后的研究方向。

蛋白結(jié)晶板過(guò)程

概括了蛋白質(zhì)結(jié)晶的基本過(guò)程,闡述了蛋白質(zhì)結(jié)晶的早期發(fā)展歷程,重點(diǎn)介紹了蛋白質(zhì)結(jié)晶的近期研究狀況,主要包括:形核機(jī)理的研究,結(jié)晶條件的篩選和結(jié)晶技術(shù)的優(yōu)化以及基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù).特別是對(duì)離子液體在蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程中的應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行了討論，

論述了國(guó)內(nèi)外生物大分子(蛋白質(zhì),酶等)沉淀結(jié)晶的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展,著重從結(jié)晶熱力學(xué),粒子聚集,結(jié)晶的成核與晶體生長(zhǎng),以及場(chǎng)的作用等方面闡述了蛋白質(zhì)沉淀結(jié)晶過(guò)程的特定現(xiàn)象與可能的結(jié)晶機(jī)理,對(duì)蛋白質(zhì)的沉淀結(jié)晶過(guò)程作了的描述,并提出未來(lái)研究方向,為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析,新藥設(shè)計(jì),生化研究以及工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ)。

蛋白質(zhì)晶體板結(jié)構(gòu)介紹

所示完全伸展的鏈。L.C.鮑林和R.B.科里曾由氨基酸、小肽和有關(guān)化合物晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定中歸納了肽鍵的鍵長(zhǎng)、鍵角等。鏈中肽鍵N-C的鍵長(zhǎng)為1.32埃，具有40%的雙鍵成分，與周圍四個(gè)鍵是共面的，且N-H和C=O具有反式構(gòu)型。

這樣的二級(jí)結(jié)構(gòu)以或大或小的含量，相當(dāng)廣泛地存在于各種球蛋白和纖維蛋白中。在功能變化多端的球蛋白分子中，結(jié)構(gòu)還有更高的層次。這兩類周期結(jié)構(gòu)并不貫穿在整個(gè)多肽鏈中，而存在于某些分段中。這樣，多肽鏈折疊成球形的三級(jí)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步?jīng)Q定其特異的功能。