吸附－解吸附作用影响蛋白质结晶过程机理研究

制备高质量蛋白质晶体是利用X射线单晶衍射技术解析蛋白质分子三维结构的重要环节，提高蛋白质结晶成功率及晶体质量是该环节的两个重要任务，但是二者所需的结晶条件通常是矛盾的：前者需要较高的过饱和度条件，后者则需较低的过饱和度条件。长期以来，这对矛盾一直未能得到有效解决。.申请者在前期研究中发现，将对蛋白质有吸附－解吸附作用的聚苯乙烯/二乙烯基苯（SDB）多孔微球置于蛋白质溶液中，能在溶液中形成两个浓度区间：微球表面因吸附形成的高过饱和度区间及远离微球的低过饱和度区间。该研究表明吸附－解吸附作用可解决上述过饱和度需求矛盾问题，有望实现在提高结晶成功率的同时提高晶体质量。基于此，本项目将开展如下研究：以SDB微球为切入点，研究有吸附－解吸附作用的材料影响蛋白质结晶的规律与机理，并利用该规律与机理发展新的结晶方法学途径。本项目的实施，将为寻找获取高质量蛋白质晶体的途径提供有科学意义和实际价值的参考。

长期以来，蛋白质结晶方法学均在为提高蛋白质结晶成功率和改善晶体质量而努力。然而，这两个目标通常不能同时实现。为了提高结晶成功率，常需较高的过饱和度以保证晶体形核成功从而得到晶体；而为了改善晶体质量，则常需晶体在较低过饱和度条件下生长，以确保蛋白质分子的高度有序堆积。.本项目针对此问题，提出的解决方案是利用对蛋白质分子有吸附-解吸附作用的材料，放置于结晶溶液中，通过吸附作用，在材料表面形成一个浓度较高的局域区间，而同时在远离材料的区域，将因吸附而出现浓度较低的局域区间。这样，就能解决通常一个溶液中难以出现两种溶液浓度的问题。在此方案基础上，项目组开展了如下研究：1）SDB微球的制备及其性能表征；2）SDB微球影响蛋白质结晶溶液浓度的规律研究；3）SDB微球影响蛋白质结晶过程的研究；4）吸附-解吸附材料影响蛋白质结晶过程的机理研究；5）利用本项目的发现提出新的结晶方法并进行验证。.通过上述工作，项目组获得了如下主要研究结果：1）SDB微球具备对蛋白质分子的吸附-解吸附功能，在向蛋白质结晶溶液添加SDB微球后，能够在SDB微球附近形成较大的浓度梯度，表明利用SDB微球能够在蛋白质结晶溶液中形成两个局域的浓度区间；2）多孔SDB微球能够显著提升蛋白质结晶的成功率，其筛选结晶条件数可达对照条件下的3.11倍，表明该材料能够有效促进蛋白质晶体的形核；3）SDB微球可影响蛋白质晶体的外观形貌，通过添加该微球，可使蛋白质晶体的光学完美度得到明显改善；4）添加SDB微球能够有效改善蛋白质晶体的质量，在研究的样品中，衍射分辨率提升幅度最大可达1.22Å；5）添加SDB微球促进形核和改善晶体质量的主要机理是SDB微球的吸附-解吸附现象导致溶液出现两个浓度区间，晶体在其中较高浓度区间形核后，将沉降到较低浓度区间长大，从而实现同时促进形核和改善晶体质量的目的；6）通过本项目研究，发展了通孔板结晶方法，可以利用相同机理实现同时促进形核和改善晶体质量的目的。.本项目的研究成果指出，利用吸附-解吸附原理可帮助在溶液中形成两个局域浓度区间，从而解决蛋白质晶体形核和生长所需浓度条件的矛盾。此发现不仅有助于人们直接利用吸附-解吸附现象发展新的蛋白质结晶方法，也有助于人们通过其他方法在溶液中营造两个浓度区间从而发展新的蛋白质结晶方法，因此本项目研究成果对发展新的结晶方法学途径有着重要的指导意义。