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本文主要描述与衍射数据收集相关的两个工作:第一,通过微扰变性的方法精确测量晶体学温度因子,并且由此分析预测蛋白质的活性位点;第二,改进了一种无套圈和母液的蛋白质晶体的安装方法。
精确测量晶体学温度因子一直是蛋白质晶体学的一个重要目标。晶体学温度因子包含两方面的信息:第一,晶体内原子绕其平衡位置的热运动随时间的平均偏移(Dynamic disorder);第二,因晶体缺陷引起的原子位置在不同晶胞中占有位置的变化(Static disorder)。分子的运动信息对解释其分子的属性和功能,比如蛋白质与底物的结合和分子构象的柔性等是菲常重要的。因此精确测量晶体学温度因子是非常必要的。
以前的研究结果表明,盐酸胍和尿素等有机溶剂可以使蛋白质变性,并且酶变性过程中活性丧失先于分子整体构象的变化。采用类似的方法将蛋白质晶体在低于3摩尔的盐酸胍溶液中快速浸泡,然后对晶体速冻,则晶体形成一个微扰态的系综。结果表明,在不同环境下多次测量的温度因子的平均值比某一次即便是高分辨率晶体结构的温度因子更精确和更可靠。这种方法在没有高分辨率衍射数据的情况下更有用。
基于酶在变性过程中活性部位空间结构变化先于分子整体构象的变化,采用低浓度变性剂浸泡的方法来微扰晶体的结构,通过比较天然和变性晶体结构温度因子的方法来预测蛋白质的活性残基。结果表明,预测出的残基相互连结,以网状结构覆盖了大部分蛋白质与底物的结合位点。这个方法对正确识别蛋白质活性位点,揭示蛋白质的功能有重要的意义。
另一方面的工作是改进了一种无套圈和母液的蛋白质晶体安装方法。蛋白质晶体的安装是数据采集的一个非常重要的步骤,有效地安装蛋白质晶体将影响到衍射数据的数量和质量。基于Watanabe等人发明的一种无套圈的蛋白质晶体安装方法,简化并改进了这种方法。晶体安装系统包括如下几个组成部分:一根自制的毛细玻璃管,固定毛细玻璃管的底座,一台气体质量流量控制器,一台用于吸气的真空泵。改进方法与目前最流行的套圈方法的操作步骤几乎完全相同,因此我们希望这种方法也能实现自动化。采用这种无套圈和母液的蛋白质晶体安装方法具有如下优点:衍射信号的信噪比更高,衍射数据的Rsym值更低,晶体的冷冻速度更快,晶体对于X-光的吸收更少,因此数据收集过程中晶体的辐射损伤更少。此外笔者发现这种方法可以延伸到在未浸泡任何防冻液的情况下速冻生物大分子晶体,这尤其适合于找不到合适防冻剂的晶体。我们现在经过优化操作步骤尤其是提高冷冻速度,在未浸泡任何防冻剂的条件下,采用无套圈方法采集数据时,数据质量与采用标准套圈方法采集的数据已经非常接近了。希望这种改进的方法在大分子晶体学中有更广泛地应用。