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大尺寸SARS-CoV-2蛋白酶晶體，大約2×0.8×0.2?mm，0.3?mm3，用于中子和X射線衍射數(shù)據(jù)收集。

在太空中生長的人胰島素晶體

藥物靶標(biāo)G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）晶體

2011年，英國帝國理工學(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，有機溶劑，寬泛的酸堿區(qū)間等條件下，容易造成MIPs對蛋白質(zhì)的印記作用失效。科研不斷深入，技術(shù)不斷迭代，目前，應(yīng)用最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。缺乏高效、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，由中國科學(xué)院深圳先進技術(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)晶更簡便，更科學(xué)，更完整。

100多年前，吉布斯等人提出“經(jīng)典成核理論”，結(jié)晶過程是一些分子或原子偶然聚集在一起，碰巧以結(jié)晶形式排列，然后其他分子（原子）逐個附著，形成更大的結(jié)晶相，該結(jié)論得到了學(xué)術(shù)界廣泛認可。

然而，經(jīng)典成核理論也有諸多缺點，它表明蛋白質(zhì)晶體的成核并不是沿著經(jīng)典路線而是更復(fù)雜的路線進行的，即兩步法成核理論。第一步是形成足夠尺寸的溶質(zhì)分子團簇，第二步是團簇重新排列形成有序結(jié)構(gòu)。目前的實驗和理論研究，證明了兩步法成核理論不僅可以應(yīng)用到生物大分子（如蛋白質(zhì)）上還用到了有機小分子上，表明這一機理或許會成為大部分溶液析晶過程的基礎(chǔ)。在液滴內(nèi)從無序到有序結(jié)構(gòu)團簇的形成，也就是第二步，決定晶體成核速率，由于這一步中分子復(fù)雜性增加，成核的時間變長，因為高度的構(gòu)象靈活性，更復(fù)雜的分子形成最佳晶格結(jié)構(gòu)會更困難。

經(jīng)典成核理論與兩步成核理論中吉布斯自由能隨結(jié)晶過程的變化比較

傳統(tǒng)的成核劑材料，如礦物晶體、石墨烯、多孔材料如多孔硅等都曾作為成核劑用于蛋白質(zhì)結(jié)晶實驗中，這些成核劑的設(shè)計主要依賴于經(jīng)典的成核理論，無法適用于構(gòu)象靈活性強的絕大多數(shù)蛋白質(zhì)分子。針對這一難題，材料界面中心和武漢先進院團隊經(jīng)過不斷的設(shè)計和實驗驗證，最終將成核劑材料設(shè)計為具有超構(gòu)表面的材料。

超構(gòu)材料21世紀初被提出，截至目前它仍然是非常活躍的前沿領(lǐng)域。其中的微結(jié)構(gòu)，大小尺度與它作用的蛋白質(zhì)尺寸相當(dāng)，因此得以對蛋白質(zhì)的結(jié)晶過程施加干預(yù)，對蛋白質(zhì)的聚集態(tài)形成起到促進作用，從而降低了兩步成核中的第一步能壘。其次，通過材料本體結(jié)構(gòu)的晶格對聚集態(tài)蛋白質(zhì)分子進行引導(dǎo)排列，促進蛋白質(zhì)分子的有序排列和晶核形成，從而降低了兩步成核中的第二步能壘。

成核劑誘導(dǎo)蛋白質(zhì)結(jié)晶

盡管通過實驗和理論證明了超構(gòu)材料在蛋白質(zhì)結(jié)晶方面的巨大潛力，但要充分發(fā)揮其優(yōu)勢則必須兼容當(dāng)前蛋白質(zhì)結(jié)晶通過的高通量篩選系統(tǒng)。目前國際上普遍采用液體處理機器人來進行高通量結(jié)晶篩選，篩選一個結(jié)晶條件的蛋白樣品消耗體積為納升級別。因此，如何快速，穩(wěn)定地將成核劑添加到高通量系統(tǒng)的同時，又不對結(jié)晶系統(tǒng)造成大的影響成為急需解決的問題。

隨后通過優(yōu)化生產(chǎn)和制備工藝，考察了各生產(chǎn)因素對成核劑尺寸和穩(wěn)定性的影響，確定了適合高通量蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選的成核劑混懸劑的制備工藝流程。這是一種含有具有表面超結(jié)構(gòu)的有機無機復(fù)合材料，其尺寸分布在幾百納米到幾微米之間。該產(chǎn)品的組成為材料顆粒與水溶液的混懸液。在蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選實驗中，使用該產(chǎn)品有助于提高蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選的成功率，包括改善晶體的分辨率和篩選新的結(jié)晶條件，使不結(jié)晶或難結(jié)晶的蛋白質(zhì)成功結(jié)晶，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，使用該成核劑已經(jīng)成功結(jié)晶和解析十多個蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。

此外，針對能夠結(jié)晶的蛋白質(zhì)分子，成核劑混懸液在篩選新的結(jié)晶條件，提升結(jié)晶的分辨率方面同樣有效。目前，先進院已經(jīng)與國內(nèi)超過18個實驗室開展了合作，助力我國的生命科學(xué)和生物醫(yī)藥研究。

采寫：李龍、李香君