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微流控機(jī)器人
- 摘要：該研究利用微流控芯片與機(jī)器人技術(shù)，將蛋白質(zhì)結(jié)晶反應(yīng)的體積降低至納升甚至皮升級(jí)，顯著降低了蛋白質(zhì)的樣品耗樣量，對(duì)低表達(dá)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究具有重要意義。
近期，浙江大學(xué)在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上在線發(fā)表了題為“Nanoliter-ScaleProtein Crystallization and Screening with a Microfluidic DropletRobot”的論文。該研究利用微流控芯片與機(jī)器人技術(shù)，將蛋白質(zhì)結(jié)晶反應(yīng)的體積降低至納升甚至皮升級(jí)，顯著降低了蛋白質(zhì)的樣品耗樣量，對(duì)低表達(dá)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究具有重要意義。
X射線晶體衍射技術(shù)是現(xiàn)階段最主要和最可靠的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定方法，也是當(dāng)前結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的主要平臺(tái)技術(shù)。由于蛋白質(zhì)在結(jié)晶過程中受到蛋白質(zhì)純度、添加劑、沉淀劑種類、離子強(qiáng)度、pH值和溫度等一系列因素的影響，結(jié)晶過程非常復(fù)雜，目前還沒有一個(gè)成熟的理論可以成功預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的最佳結(jié)晶條件。因此，如何獲得具有足夠衍射分辨率的蛋白質(zhì)晶體成為困擾結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的主要問題。
目前，大規(guī)模的結(jié)晶條件篩選仍然是獲得高質(zhì)量的蛋白質(zhì)晶體的主要手段。然而，傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選技術(shù)耗樣量較大，研究成本較高，難以廣泛用于低表達(dá)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，而某些低表達(dá)的蛋白質(zhì)往往在生命活動(dòng)中扮演著極其重要的角色。
目前國(guó)際上普遍采用液體處理機(jī)器人來進(jìn)行高通量結(jié)晶篩選，篩選一個(gè)結(jié)晶條件的蛋白樣品消耗體積為1-5微升。為了降低單次篩選所需的蛋白質(zhì)樣品體積，工業(yè)界普遍采用微型化的策略來降低最小的液體操縱體積。這當(dāng)中具有代表性的有英國(guó)Douglas公司研制的Oryx-nano系列結(jié)晶機(jī)器人、美國(guó)ArtRobbins公司研制的Phoenix機(jī)器人、英國(guó)TTPLabTech公司研制的Mosquito系列機(jī)器人等。
采用這些篩選機(jī)器人，單個(gè)篩選反應(yīng)的蛋白質(zhì)消耗量可降低到50–200nL，比常規(guī)篩選系統(tǒng)降低了20–100倍，不僅顯著地降低了蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選所需的蛋白質(zhì)樣品消耗量，也有效減少了研究成本和時(shí)間，因而已成為部分結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置。盡管如此，對(duì)于膜蛋白等一些難以表達(dá)純化的珍稀蛋白質(zhì)樣品，這類儀器的蛋白質(zhì)耗樣量仍然過高，難以滿足結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的需要。
為了解決這一矛盾，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于微流控液滴技術(shù)和自動(dòng)化機(jī)器人技術(shù)的超微量蛋白質(zhì)結(jié)晶和篩選系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用順序操作液滴陣列模式構(gòu)建，同時(shí)采用微加工技術(shù)，在一個(gè)1平方厘米的微孔陣列區(qū)域集成了676個(gè)獨(dú)立的微孔陣列用于高密度的蛋白質(zhì)結(jié)晶孵育和篩選。
通過研究微觀多相流體的特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)性裝置優(yōu)化和改進(jìn)，將液體處理機(jī)器人對(duì)蛋白質(zhì)和沉淀劑樣品的最小操控體積降低至120皮升，比現(xiàn)有機(jī)器人系統(tǒng)降低了約200-800倍。
該裝置被用于對(duì)5種水溶性蛋白和1種膜蛋白的大規(guī)模結(jié)晶條件篩選，得到了與常規(guī)篩選體系接近的篩選結(jié)果。單個(gè)液滴結(jié)晶反應(yīng)器的體積為4納升，包含2納升的蛋白質(zhì)和2納升的沉淀劑。篩選96種沉淀劑條件，每種條件重復(fù)三次，共生成288個(gè)液滴結(jié)晶反應(yīng)器，蛋白質(zhì)溶液的總消耗量?jī)H為579nL，與商品化篩選系統(tǒng)相比，試劑消耗量降低了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
由于蛋白質(zhì)消耗量的顯著降低，該裝置還可以用于快速生成蛋白質(zhì)二維結(jié)晶相圖以及研究微觀體系下蛋白質(zhì)結(jié)晶的特殊規(guī)律，為蛋白質(zhì)結(jié)晶的理論研究提供一種有力的工具。
