解旭卓,曹慧玲,鹿芹芹,陳瑞卿,郭云珠,周伯儒,尹大川
西北工業(yè)大學(xué) 生命學(xué)院空間生物實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072
蛋白質(zhì)結(jié)晶的研究歷經(jīng)了從偶然性地好奇觀察、有目的地純化及蛋白純度檢驗(yàn),到目前對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的發(fā)展過程。通過這個(gè)歷程,人們對(duì)蛋白質(zhì)晶體的性質(zhì)已有了較清晰的認(rèn)識(shí)。
長期以來,人們從多個(gè)角度對(duì)蛋白質(zhì)晶體的物理性質(zhì)進(jìn)行了較為深入的研究,這對(duì)理解蛋白質(zhì)結(jié)晶機(jī)理,進(jìn)而更好地幫助實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)晶,顯然是有利的。但是,迄今尚無系統(tǒng)整理這些研究成果的文獻(xiàn)。基于此,我們首先從整體上描述了蛋白質(zhì)晶體的物理性質(zhì),然后分別介紹了相關(guān)的密度、機(jī)械性能、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性質(zhì),最后在此基礎(chǔ)上總結(jié)了區(qū)分普通蛋白質(zhì)晶體的方法,并進(jìn)行評(píng)述。
蛋白質(zhì)晶體是溶液中隨機(jī)分布的蛋白質(zhì)分子經(jīng)規(guī)則排列堆積形成的有序聚集體,其特征是由有序的結(jié)構(gòu)框架和包裹的溶劑分子(主要是水分子)共同形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),呈多孔性晶體。相對(duì)于常規(guī)固態(tài)晶體,蛋白質(zhì)晶體中蛋白質(zhì)分子間的相互作用很弱,水分子對(duì)穩(wěn)定其多孔狀態(tài)發(fā)揮重要作用。作為棱面晶體,蛋白質(zhì)晶體具有規(guī)則的幾何外形,通常呈現(xiàn)出銳利的棱、角,以及光滑的平面。
水基結(jié)晶液的密度通常略大于水,而晶體密度又略大于溶液。因此晶體在沒有貼附壁面時(shí),一般會(huì)沉降到結(jié)晶液底部[1-2]。
蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)松散,在溫和的液體環(huán)境中易破裂、易粉碎、易溶解[3-4],目前研究涉及機(jī)械性能的指標(biāo)主要有硬度、彈性模量和塑性。蛋白質(zhì)晶體的機(jī)械硬度不高,隨室溫暴露時(shí)間的延長顯著增加后趨于穩(wěn)定。彈性模量可用于估計(jì)蛋白質(zhì)晶體堆積的緊湊程度,但其測(cè)量結(jié)果差異較大,常常與測(cè)量技術(shù)有關(guān)。根據(jù)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu),也可通過計(jì)算機(jī)模擬彈性模量。蛋白質(zhì)晶體非常脆弱,基本不存在塑性,因此除了一篇利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算涉及到蛋白質(zhì)晶體的塑性研究報(bào)道外[5],目前還沒有針對(duì)塑性方面的實(shí)驗(yàn)研究。
如前所述,晶體內(nèi)部的水分子對(duì)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到很大的作用。據(jù)此,Tait等[6]認(rèn)為雞蛋清溶菌酶(hen egg-white lysozyme,HEWL)晶體中水分子蒸發(fā)或溢出,晶體體積減小,致使蛋白質(zhì)分子相互作用增強(qiáng),從而硬度增加、彈性模量增大。
蛋白質(zhì)晶體HEWL的<110>面[001]和[110]方向的聲傳導(dǎo)速度并不相同,也受溫度、pH值和溶劑影響。Tachibana等認(rèn)為脫水后HEWL體積減小,分子間相互作用加強(qiáng),導(dǎo)致聲傳導(dǎo)速率增加[7-10],可見自由穿透的水分子與蛋白質(zhì)晶體的聲傳導(dǎo)速率密切相關(guān)。由此,證明蛋白質(zhì)晶體呈現(xiàn)多孔性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
晶體在冷凍過程中的傳熱現(xiàn)象受到關(guān)注[11],主要研究晶體與冷媒之間的傳熱問題,包括三個(gè)方面:晶體向冷媒的傳熱系數(shù),在冷凍瞬間晶體內(nèi)部溫度分布差異,以及相應(yīng)的因溫度差異導(dǎo)致的晶體內(nèi)部應(yīng)變。而晶體自身的熱導(dǎo)率(thermal conductivity)并無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),早期有向結(jié)晶溶液中添加HEWL晶體,進(jìn)而測(cè)量晶體與溶液混合后熱導(dǎo)率的報(bào)道[12],發(fā)現(xiàn)添加HEWL晶體后,溶液的熱導(dǎo)率大幅下降;但是隨著蛋白質(zhì)晶體含量的增加,熱導(dǎo)率逐漸提高,其具體數(shù)值范圍為0.26~1.02 W/(m·℃)。由此可知晶體自身的熱導(dǎo)率大體數(shù)量級(jí)范圍,但其估計(jì)值約為0.6~5.0 W/(m·K)(在100 K到室溫之間)[11]。
1.5.1 折射率與雙折射現(xiàn)象 Jones等[13]測(cè)量了溶菌酶晶體的折射率,發(fā)現(xiàn)與晶體中的溶劑含量有很大關(guān)系:晶體在含水飽和狀態(tài)下,其折射率范圍為1.49~1.56,但在空氣中暴露后隨著失水量的增加,其折射率逐步增加。多數(shù)蛋白質(zhì)晶體都具有各向異性,在光學(xué)上表現(xiàn)為雙折射現(xiàn)象(即存在2個(gè)折射率),在偏光顯微鏡下旋轉(zhuǎn)檢偏片觀察晶體時(shí),晶體呈現(xiàn)多彩條帶[14]。但并不是所有晶體都有各向異性,如細(xì)菌分裂相關(guān)蛋白FtsZ[15]。通常情況下,我們并不能確定目標(biāo)蛋白質(zhì)晶體是否具有各向異性。
1.5.2 熒光現(xiàn)象 除了測(cè)量光學(xué)參數(shù)外,對(duì)蛋白質(zhì)晶體的光吸收與激發(fā)也有一定的研究。紫外光下,蛋白質(zhì)晶體一般能發(fā)出熒光。芳香族氨基酸吸收紫外光并釋放熒光,色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的吸收光譜范圍為260~310 nm,其中色氨酸的熒光效應(yīng)最強(qiáng),在280 nm處達(dá)到最大吸收峰,釋放300~450 nm的熒光,最強(qiáng)可視光譜為340~360 nm[16]。蛋白質(zhì)分子堆積越密集,熒光強(qiáng)度越高,因此,蛋白質(zhì)晶體因含有較大密度的芳香基,比其結(jié)晶液釋放更多的熒光[17],從背景色中突顯出來,即使晶體嵌入沉淀中也能檢測(cè)到熒光[18],可應(yīng)用此性質(zhì)快速鑒別蛋白質(zhì)晶體。部分蛋白質(zhì)分子不含色基酸,如胰島素,基本不具備上述性質(zhì),但能連接可發(fā)熒光的小分子,輔助鑒別蛋白質(zhì)晶體。
在蛋白質(zhì)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)條件篩選、優(yōu)化過程中,蛋白質(zhì)晶體(包括單晶、孿晶、微晶等)與非晶態(tài)的聚集體、自由的蛋白質(zhì)分子,并隨同緩沖液和沉淀劑中的鹽晶、不規(guī)則沉淀等共存于結(jié)晶液中,給目標(biāo)蛋白質(zhì)晶體的檢測(cè)和鑒別帶來困難。進(jìn)行X線晶體衍射之前,在篩選未知蛋白的結(jié)晶條件過程中,若恰當(dāng)?shù)罔b別蛋白質(zhì)晶體,能減少蛋白用量、降低成本、提高效率,因此準(zhǔn)確、高效地鑒別蛋白質(zhì)晶體的方法一直是研究熱點(diǎn)。依據(jù)目前的技術(shù),大體上可將鑒別蛋白質(zhì)晶體的方法分為低通量法和高通量法。
在已知蛋白質(zhì)晶體、鹽晶或沉淀劑晶體形貌、顏色情況下,可用普通光學(xué)或偏光顯微鏡直接觀察鑒別[14]。在未知情況下可采用如下方法:①脫水法:用晶體環(huán)固定晶體,較長時(shí)間暴露在空氣中,蛋白質(zhì)晶體由于脫水而損毀,鹽晶則不發(fā)生變化;②密度法:撈出晶體,輕放在結(jié)晶液滴上,蛋白質(zhì)晶體能短時(shí)間浮于表面,而鹽晶快速下沉;③硬度法:在低倍光學(xué)顯微鏡下,在結(jié)晶液中用針尖觸碰晶體,蛋白質(zhì)晶體偏軟,容易碎成粉狀,而鹽晶偏硬,容易碎裂成塊;④溶解法:用濕濾紙觸碰晶體,蛋白質(zhì)晶體很快溶解,而鹽晶需較長時(shí)間才能溶解;⑤灼燒法:撈出晶體放在蓋玻片上,火焰灼燒蓋玻片底部,顯微鏡下觀察蛋白質(zhì)晶體會(huì)由半透明狀變成純黑色粉末,也有毛發(fā)特有的燒焦味;⑥SDS-PAGE法:撈出晶體,在沉淀劑中輕蘸洗滌,經(jīng)電泳后判斷是否有目標(biāo)染色條帶;⑦對(duì)照法:參照鹽的溶解度和擴(kuò)散平衡時(shí)結(jié)晶液中的鹽濃度,判斷能否長出鹽晶,也可單獨(dú)培養(yǎng)鹽晶,根據(jù)形貌作對(duì)照鑒別等[19];⑧偏光法:蛋白質(zhì)晶體和鹽晶都有較強(qiáng)的偏光性,利用此性質(zhì)能區(qū)別晶體和其他非晶態(tài)物質(zhì)(如玻璃壁上和結(jié)晶液內(nèi)的小氣泡、無定形沉淀等),效果顯著;⑨衍射法:即X線單晶衍射法,獲得衍射圖譜,解析結(jié)構(gòu),進(jìn)而判定是否是蛋白質(zhì)晶體。
上述方法多具有破壞性,為了保護(hù)晶體可采用一些非破壞性的方法,如對(duì)照法和偏光法。
多數(shù)低通量鑒別方法并不完全可靠,往往因蛋白而異;最有說服力的方法是衍射法,根據(jù)衍射數(shù)據(jù)判斷是否為蛋白質(zhì)晶體,但費(fèi)時(shí)費(fèi)力[20-21],而且有時(shí)還存在一些不適合衍射的蛋白質(zhì)晶體,也不能應(yīng)用這種方法。
在后基因組時(shí)代,眾多的待解結(jié)構(gòu)的蛋白與不完善的高通量檢測(cè)技術(shù)之間的矛盾越來越尖銳,因此越來越多的科學(xué)家致力于該方面的研究。其中,在高通量鑒別蛋白質(zhì)晶體方面發(fā)展出了一系列的方法,并從多個(gè)角度進(jìn)行了改進(jìn)。主要包括可見光法、UV熒光法和SONICC技術(shù)(second-order nonlinear imaging of chiral crystals,手性晶體的二階非線性成像)。
2.2.1 可見光法 可見光法主要用于觀察晶體形貌,根據(jù)形貌判斷是否是晶體。普通光學(xué)顯微鏡下,晶體和沉淀從結(jié)晶液體的背景色中突顯出來,能夠看到晶體。高通量鑒別則可利用軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析從而自動(dòng)辨別,例如應(yīng)用一些自動(dòng)拍照系統(tǒng)獲得批量圖像,之后采用XREC、CrysPage[22-23]等軟件分析圖像,鑒別是否存在晶體。但這種方法也存在準(zhǔn)確性低的問題而受到質(zhì)疑[17]。除此之外,利用晶體的雙折射現(xiàn)象,可通過偏光顯微鏡得到彩色圖像,也可判斷是否存在晶體??梢姽夥捎糜谂袛嗍欠翊嬖诰w,但對(duì)該晶體是否是蛋白質(zhì)晶體,卻無能為力。
2.2.2 UV熒光法 UV熒光法的主要作用在于區(qū)分鹽晶。在UV激發(fā)下,鹽晶保持灰暗,蛋白質(zhì)晶體則常會(huì)釋放熒光。這是一大突破,但仍存在一些實(shí)用局限性,如部分蛋白不產(chǎn)生熒光、熒光強(qiáng)度極弱且降低信噪比,蛋白質(zhì)晶體含水量太高導(dǎo)致與溶液背景熒光區(qū)分不大而不能凸顯、最適UV波長不確定且不統(tǒng)一,長時(shí)間UV照射易損毀晶體,結(jié)晶用的密封材料自身減弱或阻礙UV光線,非晶態(tài)蛋白質(zhì)聚集體也釋放一些熒光,不能高效檢測(cè)微小晶體等。這些局限性影響了該技術(shù)的使用效果。對(duì)此,可考慮采用一些優(yōu)化方案,如在分子水平共價(jià)連接上UV熒光因子,加入非特異性熒光因子等以放大蛋白內(nèi)在特征。
2.2.3 SONICC技術(shù) SONICC技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)晶體學(xué)領(lǐng)域而言是一個(gè)新興檢測(cè)技術(shù),可用于區(qū)分蛋白質(zhì)晶體和非晶態(tài)蛋白質(zhì)、鹽等聚集體。該技術(shù)利用二次諧波(second-harmonic generation,SHG)作為圖像信號(hào)源檢測(cè)蛋白質(zhì)晶體[17]。所謂二次諧波,簡單說,是當(dāng)使用一束近紅外激光照射結(jié)構(gòu)有序的材料時(shí),出射光波中包含波長減半、頻率倍增的光。通常當(dāng)被照射的研究對(duì)象具備非中心對(duì)稱的有序結(jié)構(gòu)時(shí),就能檢測(cè)到SHG信號(hào)(即單位時(shí)間頻率倍增光的信號(hào))。一般對(duì)稱性越低,SHG信號(hào)越強(qiáng)。除八面體和二十面體晶體外,其他所有手性晶體都會(huì)產(chǎn)生SHG信號(hào)。據(jù)估計(jì),已知蛋白質(zhì)晶體中的99.2%均能產(chǎn)生大量的SHG信號(hào)。利用該特點(diǎn),可以方便地檢測(cè)蛋白質(zhì)晶體。同時(shí),由于該技術(shù)的分辨能力很強(qiáng),在蛋白質(zhì)晶體尺寸很小的情況下(可以小至2 μm),也能檢測(cè)到明顯的信號(hào),因此,利用該技術(shù)還可以研究蛋白質(zhì)晶體的形核過程。該技術(shù)在鑒別蛋白質(zhì)晶體與鹽晶時(shí)也具備一定的能力。由于鹽晶的對(duì)稱性通常較高,SHG信號(hào)相對(duì)較弱,而蛋白質(zhì)晶體,如一些膜蛋白晶體具有較強(qiáng)的SHG信號(hào)(如膜蛋白結(jié)晶成像中,小于5 μm膜蛋白晶體的SHG信號(hào)大于18×106counts/s,背景信號(hào)小于 1×103counts/s)[24-27]。因此,利用SHG信號(hào)強(qiáng)弱可以區(qū)分這2類晶體。
最近,雙光子顯微鏡(two-photon microscopy)也被用于膜蛋白晶體的檢測(cè),是UV熒光和SONICC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)應(yīng)用,能從混濁的LCP(lipidic cubic phase,脂立方相)基質(zhì)中準(zhǔn)確檢測(cè)、鑒別10 μm左右的晶體[17,28]。
依據(jù)以上評(píng)述,我們歸納總結(jié)了目前發(fā)展的高通量蛋白質(zhì)晶體鑒別技術(shù),匯總在表1中。
蛋白質(zhì)晶體的物理性質(zhì)是研究蛋白質(zhì)晶體特性、蛋白質(zhì)結(jié)晶過程,以及蛋白質(zhì)晶體應(yīng)用的基礎(chǔ),是非常重要的基礎(chǔ)信息。長期以來,關(guān)于蛋白質(zhì)晶體的物理性質(zhì)雖然已有不少相關(guān)研究結(jié)果,但這些研究結(jié)果常淹沒散在于大量文獻(xiàn)中,少有人對(duì)此進(jìn)行整理總結(jié)。而在需要時(shí),搜尋查找相關(guān)資料并不容易。針對(duì)這種問題,我們對(duì)蛋白質(zhì)晶體的密度、機(jī)械性能、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)進(jìn)行了歸納梳理;同時(shí),面對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)晶實(shí)踐中常見的蛋白質(zhì)晶體鑒別問題,對(duì)前人基于其物理性質(zhì)發(fā)展出的晶體鑒別方法也進(jìn)行了評(píng)述。未來蛋白質(zhì)晶體物理性質(zhì)相關(guān)方面的研究,在蛋白質(zhì)結(jié)晶方法學(xué)不斷發(fā)展的前提下,仍將繼續(xù)下去,而蛋白質(zhì)晶體鑒別技術(shù)也有望在此基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步的發(fā)展,甚至催生出新的商業(yè)化產(chǎn)品。
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