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• 關鍵詞： 微流控機器人
• 摘要：該研究利用微流控芯片與機器人技術，將蛋白質結晶反應的體積降低至納升甚至皮升級，顯著降低了蛋白質的樣品耗樣量，對低表達蛋白質的結構生物學研究具有重要意義。

　　近期，浙江大學在《科學報告》（Scientific Reports）上在線發表了題為“Nanoliter-ScaleProtein Crystallization and Screening with a Microfluidic DropletRobot”的論文。該研究利用微流控芯片與機器人技術，將蛋白質結晶反應的體積降低至納升甚至皮升級，顯著降低了蛋白質的樣品耗樣量，對低表達蛋白質的結構生物學研究具有重要意義。

　　X射線晶體衍射技術是現階段最主要和最可靠的蛋白質結構測定方法，也是當前結構生物學研究的主要平臺技術。由于蛋白質在結晶過程中受到蛋白質純度、添加劑、沉淀劑種類、離子強度、pH值和溫度等一系列因素的影響，結晶過程非常復雜，目前還沒有一個成熟的理論可以成功預測蛋白質的最佳結晶條件。因此，如何獲得具有足夠衍射分辨率的蛋白質晶體成為困擾結構生物學家的主要問題。

　　目前，大規模的結晶條件篩選仍然是獲得高質量的蛋白質晶體的主要手段。然而，傳統的蛋白質結晶篩選技術耗樣量較大，研究成本較高，難以廣泛用于低表達蛋白質的結構生物學研究，而某些低表達的蛋白質往往在生命活動中扮演著極其重要的角色。

　　目前國際上普遍采用液體處理機器人來進行高通量結晶篩選，篩選一個結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樣品體積，工業界普遍采用微型化的策略來降低最小的液體操縱體積。這當中具有代表性的有英國Douglas公司研制的Oryx-nano系列結晶機器人、美國ArtRobbins公司研制的Phoenix機器人、英國TTPLabTech公司研制的Mosquito系列機器人等。

　　采用這些篩選機器人，單個篩選反應的蛋白質消耗量可降低到50–200nL，比常規篩選系統降低了20–100倍，不僅顯著地降低了蛋白質結晶篩選所需的蛋白質樣品消耗量，也有效減少了研究成本和時間，因而已成為部分結構生物學實驗室的標準配置。盡管如此，對于膜蛋白等一些難以表達純化的珍稀蛋白質樣品，這類儀器的蛋白質耗樣量仍然過高，難以滿足結構生物學研究的需要。

　　為了解決這一矛盾，浙江大學研究團隊發展了一種基于微流控液滴技術和自動化機器人技術的超微量蛋白質結晶和篩選系統。該系統采用順序操作液滴陣列模式構建，同時采用微加工技術，在一個1平方厘米的微孔陣列區域集成了676個獨立的微孔陣列用于高密度的蛋白質結晶孵育和篩選。

　　通過研究微觀多相流體的特點，結合系統性裝置優化和改進，將液體處理機器人對蛋白質和沉淀劑樣品的最小操控體積降低至120皮升，比現有機器人系統降低了約200-800倍。

　　該裝置被用于對5種水溶性蛋白和1種膜蛋白的大規模結晶條件篩選，得到了與常規篩選體系接近的篩選結果。單個液滴結晶反應器的體積為4納升，包含2納升的蛋白質和2納升的沉淀劑。篩選96種沉淀劑條件，每種條件重復三次，共生成288個液滴結晶反應器，蛋白質溶液的總消耗量僅為579nL，與商品化篩選系統相比，試劑消耗量降低了2-3個數量級。

　　由于蛋白質消耗量的顯著降低，該裝置還可以用于快速生成蛋白質二維結晶相圖以及研究微觀體系下蛋白質結晶的特殊規律，為蛋白質結晶的理論研究提供一種有力的工具。