微流控机器人用于超微量蛋白质结晶

　　近期，浙江大学在《科学报告》（Scientific Reports）上在线发表了题为“Nanoliter-Scale Protein Crystallization and Screening with a Microfluidic Droplet Robot”的论文。该研究利用微流控芯片与机器人技术，将蛋白质结晶反应的体积降低至纳升甚至皮升级，显著降低了蛋白质的样品耗样量，对低表达蛋白质的结构生物学研究具有重要意义。

　　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值和温度等一系列因素的影响，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的最佳结晶条件。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。目前，大规模的结晶条件筛选仍然是获得高质量的蛋白质晶体的主要手段。然而，传统的蛋白质结晶筛选技术耗样量较大，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往往在生命活动中扮演着极其重要的角色。

　　目前国际上普遍采用液体处理机器人来进行高通量结晶筛选，筛选一个结晶条件的蛋白样品消耗体积为1-5微升。为了降低单次筛选所需的蛋白质样品体积，工业界普遍采用微型化的策略来降低最小的液体操纵体积。这当中具有代表性的有英国Douglas公司研制的Oryx-nano系列结晶机器人、美国 Art Robbins公司研制的Phoenix机器人、英国TTP LabTech公司研制的Mosquito系列机器人等。采用这些筛选机器人，单个筛选反应的蛋白质消耗量可降低到50–200 nL，比常规筛选系统降低了20–100倍，不仅显著地降低了蛋白质结晶筛选所需的蛋白质样品消耗量，也有效减少了研究成本和时间，因而已成为部分结构生物学实验室的标准配置。尽管如此，对于膜蛋白等一些难以表达纯化的珍稀蛋白质样品，这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。

　　为了解决这一矛盾，浙江大学研究团队发展了一种基于微流控液滴技术和自动化机器人技术的超微量蛋白质结晶和筛选系统。该系统采用顺序操作液滴阵列模式构建，同时采用微加工技术，在一个1平方厘米的微孔阵列区域集成了676个独立的微孔阵列用于高密度的蛋白质结晶孵育和筛选。通过研究微观多相流体的特点，结合系统性装置优化和改进，将液体处理机器人对蛋白质和沉淀剂样品的最小操控体积降低至120皮升，比现有机器人系统降低了约200-800倍。

　　该装置被用于对5种水溶性蛋白和1种膜蛋白的大规模结晶条件筛选，得到了与常规筛选体系接近的筛选结果。单个液滴结晶反应器的体积为4纳升，包含2 纳升的蛋白质和2纳升的沉淀剂。筛选96种沉淀剂条件，每种条件重复三次，共生成288个液滴结晶反应器，蛋白质溶液的总消耗量仅为579 nL，与商品化筛选系统相比，试剂消耗量降低了2-3个数量级。由于蛋白质消耗量的显著降低，该装置还可以用于快速生成蛋白质二维结晶相图以及研究微观体系下蛋白质结晶的特殊规律，为蛋白质结晶的理论研究提供一种有力的工具。