基于微流控技术的蛋白质结晶及其筛选方法的研究进展.pdf

Vol.35 高等 学校 化 学 学报 No.1 2014年1月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 CHEMICALJOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES摇 摇 摇 摇 摇 摇 1~11 [综合评述] doi:10.7503/ cjc 基于微流控技术的蛋白质结晶及其 筛选方法的研究进展 朱丽娜,祝摇 莹,方摇 群 (浙江大学化学系微分析系统研究所,杭州310058) 摘要摇 微流控技术以其高通量、低消耗和集成化等优点成为蛋白质结晶微型化研究的重要手段. 本文综述 了基于微流控技术的蛋白质结晶技术和方法,主要包括微泵微阀、液滴(Droplet)、滑动芯片(SlipChip)以及 液滴实验室(DropLab)等技术. 此外,还针对当前膜蛋白在结构生物学研究中的重要地位,综述了应用于膜 蛋白结晶的微流控技术的研究进展. 关键词摇 微流控学;蛋白质结晶;基于PDMS的微泵微阀;液滴;膜蛋白 中图分类号摇 O651摇 摇 摇 摇 文献标志码摇 A摇 摇 摇 摇 蛋白质是一切生命活动的物质基础,从原子水平上解析蛋白质的分子结构有利于理解其功能及其 [1] 分子作用机理,对于相关生命科学和疾病诊疗的研究具有重要意义 . X射线晶体衍射技术是现阶段 最主要和最可靠的蛋白质结构测定方法,也是当前结构生物学研究的主要平台技术. 由于蛋白质在结 晶过程中受到蛋白质纯度、添加剂、沉淀剂种类、离子强度、pH值和温度等因素的影响,致使结晶过 程非常复杂, 目前还没有一个成熟的理论可以成功预测蛋白质结晶的最佳条件. 因此,如何获得具有 足够衍射分辨率的蛋白质晶体成为困扰结构生物学家的主要问题[2~4]. 目前,大规模的结晶条件筛选 [5] 仍然是获得高质量蛋白质晶体的主要手段 . 然而,传统的蛋白质结晶筛选技术试样消耗量较大,研 究成本较高,难以广泛用于低表达蛋白质的结构生物学研究,而某些低表达的蛋白质通常在生命活动 中扮演着极其重要的角色. 生命科学研究的重要突破往往依赖于新技术的发展和新仪器的研发. 为了降低蛋白质结晶筛选的 样品消耗量,仪器制造商相继开展了高通量蛋白质结晶筛选系统的微型化研究,推出了一系列纳升级 的结晶筛选机器人,其中具有代表性的有英国Douglas公司研制的Oryx鄄nano 系列结晶机器人、美国 ArtRobbins公司研制的Phoenix机器人及英国TTP LabTech公司研制的Mosquito系列机器人等[6~8]. 采 用这些筛选系统可使单个筛选反应的蛋白质消耗量降低到50 ~200 nL, 比常规筛选系统降低了20 ~ 100倍,同时也有效减少了研究成本和时间. 然而,对于膜蛋白等一些难以表达纯化的珍稀蛋白质样 品,此类仪器的蛋白质耗样量仍然过高,难以满足结构生物学研究的需要. 进一步降低蛋白质结晶筛 选耗样量的主要技术难点在于:(1) 由于蛋白质和沉淀剂溶液具有高黏度和较低的界面张力,现有的 超微量液体处理方法(喷墨打印和固体缝针接触点样)难以在皮升到纳升级范围内进行可靠的液体量 取和转移;(2) 随着液体体积的缩小,比表面积增加,蒸发效应显著增加(如在常规实验室条件下,一 个数皮升的水滴会数秒内即可完全挥发);(3) 微体系下液体的比表面积显著增加,生物分子在水/ 气 [9] [10] 界面和水/ 固界面上的分子自组装或非特异性吸附 易引起分子失活 、损失以及交叉污染,从而可 能导致筛选结果的假阳性或者假阴性. 微流控技术是现今国际高新科技前沿领域之一. 它采用微机电技术加工出具有微米尺度通道网络 收稿日期:2013鄄07鄄22. 基金项 目: 国家 自然科学基金 (批准号:和国家“重大新药创制冶科技重大专项课题 (批准号: 2013