科学家用新的无细胞蛋白质结晶方法推进结构生物学的发展

CFPC过程的示意图，使用小麦胚芽蛋白合成试剂盒合成多面体单体（PhM），并进一步结晶为纳米级多面体晶体。资料来源：Takafumi Ueno教授

我们大多数人都熟悉某些晶体，如盐和糖，我们在日常生活中使用这些晶体。然而，还有一组隐藏在肉眼之外的晶体，对我们的生物学至关重要。在活细胞中，微观的蛋白质晶体帮助维持免疫系统激活、蛋白质储存和保护等过程。

科学家们开发了细胞内蛋白质结晶（ICPC）方法，以更好地了解蛋白质晶体的结构和功能之间的关系。这种方法可以直接观察活细胞中的蛋白质晶体，确保高质量的晶体，而不需要纯化过程或复杂的筛选方法。然而，尽管它有许多优势，但由于在活细胞中形成的晶体没有分析所需的大小和质量，所以报告的结构很少。因此，由东京理工大学的Takafumi Ueno教授领导的一个日本科学家团队旨在开发一种更好的方法。而最近，他们取得了突破性进展。

多面体晶体（PhCs）的扫描电子显微镜图像和尺寸分布直方图显示了随时间变化的CFPC过程中的不同点。资料来源：Takafumi Ueno教授

在他们将于今天（10月3日）发表在《科学报告》上的文章中，该团队报告了一项技术的发展，该技术将使蛋白质结晶和分析更加高效和有效。这种技术--无细胞蛋白质结晶（CFPC）方法--是体外蛋白质结晶和ICPC的混合体，可以快速直接形成蛋白质晶体，而不需要复杂的结晶和纯化方法。

"ICPC有望成为晶体结构分析的一个重要工具，但我们需要一种方法来获得分辨率更高的蛋白质晶体结构。因此，我们专注于利用CFPC建立高质量的蛋白质结晶，并进行小规模的快速反应，"上野教授说，他也是东京理工大学上野实验室的负责人。该实验室的成员研究自然发生的蛋白质组合，它们的结构和功能，旨在应用这些知识来开发创新的生物技术和能源解决方案。(进行当前研究的研究小组中的一些科学家也是上野实验室的成员）。

研究小组使用了一个小麦胚芽蛋白合成试剂盒，这是一种用于合成多面体单体的工具，多面体单体是一种在昆虫细胞中通过Hypovirus感染产生的病毒蛋白。然后使用新的CFPC方法对这种蛋白质进行结晶，从而形成纳米级的多面体晶体（PhCs）。科学家们可以在6小时内有效地完成这一过程，期间只用了20微升的反应混合物。扫描电子显微镜图像表明，PhCs具有极佳的纯度，这使得他们能够以高达1.95Å（或1.95Å）的分辨率确定其结构。为了进一步探索他们新系统的能力，研究人员对结晶包涵蛋白A（CipA）进行了结构分析，其结构被确定为2.11Å的高分辨率，这在这项研究之前从未被报道过。

这项工作是结构生物学领域的一次重大飞跃，因为它提出的方法将使人们能够分析无法通过传统方法研究的不稳定和低产量的蛋白质。这项技术还旨在帮助开发小规模和快速蛋白质结晶和分析的先进技术。"上野教授总结说："由我们的方法产生的高质量蛋白质晶体将扩大结构测定的范围，并为我们提供对活细胞复杂环境的有用和前所未有的洞察力。"