北理工在生物分子結(jié)構(gòu)解析質(zhì)譜儀器研究方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-07-06 供稿：生命學(xué)院
編輯：秦奎偉 審核：羅愛(ài)芹 閱讀次數(shù)：生物分子三維結(jié)構(gòu)解析是化學(xué),、生物學(xué)中的前沿課題。電鏡,、核磁等技術(shù)通常依賴樣品的純化，難以實(shí)現(xiàn)痕量分子的原位結(jié)構(gòu)解析,。質(zhì)譜技術(shù)具有強(qiáng)大的復(fù)雜樣品分析能力,，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)組學(xué)研究、藥物研發(fā),、環(huán)境監(jiān)測(cè),、醫(yī)學(xué)檢測(cè),、航天反恐等各個(gè)領(lǐng)域，但是,，現(xiàn)有質(zhì)譜技術(shù)在分子三維結(jié)構(gòu)解析方面力不從心,。
為了突破電鏡和質(zhì)譜技術(shù)在生物分子三維結(jié)構(gòu)分析方面的瓶頸，我校生命學(xué)院徐偉課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng),、優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下,，開(kāi)發(fā)了基于液相遷移電泳、納米孔電噴霧離子源及非變性質(zhì)譜的一系列方法與儀器,，實(shí)現(xiàn)了生物大分子立體幾何結(jié)構(gòu)的快速,、高通量的解析，相關(guān)成果在ACS Central Science,、Chem. Sci.,、Anal. Chem.等頂級(jí)期刊上發(fā)表系列文章。
圖1 液相離子遷移電泳與非變性質(zhì)譜結(jié)合快速測(cè)量生物分子立體幾何尺寸
課題組首先發(fā)展了具有高穩(wěn)定性,、高重復(fù)性的液相離子遷移電泳技術(shù)與儀器,，該方法利用Laminar flow取代了傳統(tǒng)的電滲流，通過(guò)引入Taylor擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)了樣品分子的分離,、半徑和分子有效帶電量的同時(shí)測(cè)量（Wenjing Zhang, … Wei Xu*, Chemical Science, 2019, 10, 7779-7787）,。為了獲取生物大分子較全面的立體結(jié)構(gòu)，課題組進(jìn)一步將離子遷移電泳與非變性質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合,，通過(guò)氣相非變性質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)獲得了分子的溶液可及表面積,、通過(guò)液相遷移電泳實(shí)驗(yàn)獲取了分子體積，再結(jié)合流體力學(xué)Stokes Flow方程,，最終獲取了蛋白及蛋白復(fù)合體的三維幾何尺寸信息（Haimei Wu, Rongkai Zhang, … Ye Xiang* and Wei Xu*, Chemical Science, 2020, 11, 4758-4765）,，該方法可應(yīng)用于蛋白-小分子復(fù)合體結(jié)構(gòu)研究（Jie Hong, …Muyi He* and Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, 92, 5200-5206）?；谝合嚯x子遷移原理,，課題組進(jìn)而開(kāi)發(fā)了液相離子阱裝置，在液相條件下實(shí)現(xiàn)了離子的富集,、選擇性傳輸與順序彈射分析,。通過(guò)該裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品的分離,，也可以將質(zhì)譜儀器的檢測(cè)靈敏度提升100倍以上（Jie Hong, … Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, doi: 10.1021/acs.analchem.0c01261）,。
圖2 納米孔電腦噴霧離子源及其與質(zhì)譜聯(lián)用
接下來(lái)，課題組提出了納米孔電噴霧離子源的概念與原理,，通過(guò)測(cè)量分子在穿越微米到納米尺寸的電噴霧噴口時(shí)引起的噴霧電流的擾動(dòng),，目前初步實(shí)現(xiàn)了微生物等顆粒的三維幾何尺寸測(cè)量。該方法與質(zhì)譜儀器相結(jié)合，未來(lái)可大幅提高質(zhì)譜技術(shù)的未知物鑒定和三維結(jié)構(gòu)解析能力（Yu Zhang, Yang Tang,… Wei Xu*, ACS Central Science, 2020, 6, 6, 1001–1008）,。
圖3 小型化質(zhì)譜儀的研究
徐偉教授課題組長(zhǎng)期致力于譜學(xué)儀器的研發(fā)與應(yīng)用,，實(shí)驗(yàn)室以微小型化質(zhì)譜儀、結(jié)構(gòu)解析質(zhì)譜新技術(shù)為主要研究方向,。在離子阱質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)理論研究,、交叉學(xué)科（流體力學(xué)、電磁學(xué)）大規(guī)模并行離子軌跡仿真,、小型化質(zhì)譜儀的研制,、微流控芯片、液相離子遷移電泳儀器的研發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究,，并面向應(yīng)用,，著重將質(zhì)譜儀器的研究與航天、反恐,、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用緊密結(jié)合,。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了國(guó)際上第一款小型化的電泳-質(zhì)譜聯(lián)用儀，發(fā)展了國(guó)際上首款小型連續(xù)大氣壓接口質(zhì)譜儀,，發(fā)展了液相離子阱,、結(jié)構(gòu)解析遷移電泳等技術(shù)。團(tuán)隊(duì)的多項(xiàng)專利已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化,，產(chǎn)品服務(wù)于基礎(chǔ)科研,、防化反恐、海關(guān),、藥物監(jiān)管,、電力傳輸,、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域,。
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