北理工在生物分子結構解析質譜儀器研究方面取得進展


  生物分子三維結構解析是化學、生物學中的前沿課題。電鏡、核磁等技術通常依賴樣品的純化,難以實現痕量分子的原位結構解析。質譜技術具有強大的復雜樣品分析能力,被廣泛應用于各類組學研究、藥物研發、環境監測、醫學檢測、航天反恐等各個領域,但是,現有質譜技術在分子三維結構解析方面力不從心。

  為了突破電鏡和質譜技術在生物分子三維結構分析方面的瓶頸,我校生命學院徐偉課題組在國家自然科學基金儀器專項、優秀青年科學基金等項目的資助下,開發了基于液相遷移電泳、納米孔電噴霧離子源及非變性質譜的一系列方法與儀器,實現了生物大分子立體幾何結構的快速、高通量的解析,相關成果在ACS Central Science、Chem. Sci.、Anal. Chem.等頂級期刊上發表系列文章。

圖1 液相離子遷移電泳與非變性質譜結合快速測量生物分子立體幾何尺寸

  課題組首先發展了具有高穩定性、高重復性的液相離子遷移電泳技術與儀器,該方法利用Laminar flow取代了傳統的電滲流,通過引入Taylor擴散實現了樣品分子的分離、半徑和分子有效帶電量的同時測量(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構,課題組進一步將離子遷移電泳與非變性質譜技術相結合,通過氣相非變性質譜實驗獲得了分子的溶液可及表面積、通過液相遷移電泳實驗獲取了分子體積,再結合流體力學Stokes Flow方程,最終獲取了蛋白及蛋白復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),該方法可應用于蛋白-小分子復合體結構研究(Jie Hong, …Muyi He* and Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, 92, 5200-5206)。基于液相離子遷移原理,課題組進而開發了液相離子阱裝置,在液相條件下實現了離子的富集、選擇性傳輸與順序彈射分析。通過該裝置,不僅可以實現復雜樣品的分離,也可以將質譜儀器的檢測靈敏度提升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譜聯用

  接下來,課題組提出了納米孔電噴霧離子源的概念與原理,通過測量分子在穿越微米到納米尺寸的電噴霧噴口時引起的噴霧電流的擾動,目前初步實現了微生物等顆粒的三維幾何尺寸測量。該方法與質譜儀器相結合,未來可大幅提高質譜技術的未知物鑒定和三維結構解析能力(Yu Zhang, Yang Tang,… Wei Xu*, ACS Central Science, 2020, 6, 6, 1001–1008)。

圖3 小型化質譜儀的研究

  徐偉教授課題組長期致力于譜學儀器的研發與應用,實驗室以微小型化質譜儀、結構解析質譜新技術為主要研究方向。在離子阱質譜儀的基礎理論研究、交叉學科(流體力學、電磁學)大規模并行離子軌跡仿真、小型化質譜儀的研制、微流控芯片、液相離子遷移電泳儀器的研發等領域進行了深入的研究,并面向應用,著重將質譜儀器的研究與航天、反恐、生物醫療等領域的應用緊密結合。團隊開發了國際上第一款小型化的電泳-質譜聯用儀,發展了國際上首款小型連續大氣壓接口質譜儀,發展了液相離子阱、結構解析遷移電泳等技術。團隊的多項專利已經實現產業化轉化,產品服務于基礎科研、防化反恐、海關、藥物監管、電力傳輸、環境監測等多個領域。

  

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