蛋白质结晶影响因素

在科学发现中，甚至在几乎所有的研究生涯中，机缘巧合都扮演着重要的角色。如果不是因为博士后的资金短缺，拿俄米Chayen很可能会在药理学领域享有辉煌的事业。一开始，她被迫改变了方向，这使她进入了一个完全不同的学科，现在她已经建立了自己的学科:蛋白质结晶。

Chayen在以色列长大，在耶路撒冷的希伯来大学攻读了她的第一个药学学位。她是一个很有前途的学生，以至于在她的最后一年，她的一位教授让她去伦敦的肯尼迪风湿病研究所学习组织化学，以便帮助他在耶路撒冷建立该研究所。她最终在肯尼迪研究所(Kennedy Institute)攻读硕士和博士学位，经常回到她在以色列的老院系。她的第一个博士后是在帝国理工学院生物物理系，研究肌肉蛋白质。这项研究很成功，但她的补助金没有续期。就在那时，她老板的老板——生物物理学的负责人大卫·布罗(David Blow)叫她来，提出了一个有趣的建议。布罗曾在剑桥大学与马克斯·佩鲁茨(Max Perutz)一起研究蛋白质晶体学。

布罗正在寻找一个有才华的博士后与他一起研究蛋白质结晶技术。当时，晶体学是唯一可靠的技术，可以在原子分辨率下确定它们的结构，但很少有容易结晶的结构是已知的，而获得其他晶体是不可靠的，而且速度慢得令人沮丧。结晶试验往往没有产生晶体;小粉状的;或者——更糟糕的是——漂亮的大的衍射很差或根本没有衍射。

尽管Chayen在开始与Blow的工作时对物理化学知之甚少，也不了解结晶学，但她意识到晶体形成相图的重要性。¹这说明了蛋白质溶解度如何取决于蛋白质和任何沉淀剂的浓度，以及其他可调参数，如温度和pH值。

教授石油

Chayen现在已经花了超过四分之一个世纪的时间来设计新的技术来操纵相图，使晶体生长。她和道格拉斯仪器公司一起开发的第一种方法是在低密度石蜡油中建立微小的蛋白质滴和沉淀溶液;密度较大的蛋白质溶液留在油下，在那里它们不受蒸发和外部冲击的影响。这种方法是第一个从纳升级别的液滴中生长晶体的方法。她还记得它是如何通过口口相传变得越来越受欢迎的:“帝国理工学院有个疯女人在用油做什么……过来拿水晶!”这种方法也给她带来了“油教授”的绰号，她已经享受或忍受了很多年。

这种高通量的蛋白质结晶技术是由道格拉斯仪器作为microbatch方法；它仍然是仅次于蒸汽扩散的第二种最流行的蛋白质结晶方法，在蛋白质数据库的1790个条目中被直接引用。重要的是，它可以很好地与一些最难结晶的蛋白质一起工作:膜蛋白。

没有成核就不能形成晶体，但如果蛋白质溶液在相图的成核区停留太长时间，就会产生大量不能生长的小晶体，也就不可能处理它们。“你可以把晶体生长想象成体外受精;你想要的是一两个健康的宝宝，而不是怀孕期间有很多宝宝挤在子宫里无法茁壮成长，”查恩解释道。通过在蛋白质溶液中加入非蛋白质成核剂可以绕过成核区;Chayen的想法是设计多孔材料，可以将蛋白质分子困在孔中。一旦几个分子被捕获，它们就会形成原子核，吸引其他分子形成晶体。她解释说:“只有大小相近的蛋白质分子才会被毛孔困住。”拿俄米的形成核的^TM由Molecular Dimensions销售，是分子式为CaO-P的多孔生物玻璃材料₂O₅-SiO₂蛋白质大小的孔直径为2-10nm。²到目前为止，它们已经促进了20多种蛋白质的结晶:比任何其他单一成核剂都要多。

Naomi’s Nucleants中的孔在规定的范围内具有不同的形状和大小。Chayen的下一步是设计对蛋白质具有特定亲和力的材料。分子印迹聚合物(MIPs)是在蛋白质存在的情况下形成的聚合物，在提取后留下蛋白质的印记。^3.它们甚至不需要设计一种特定的蛋白质。Chayen Reddy MIP，由Chayen和子Reddy现在在英国中央兰开夏大学，并通过帝国的创新它被设计成可以与给定大小范围内的大多数蛋白质很好地合作。最重要的是，它是半液体的，因此适合在高通量结晶试验中由机器人分配。

蛋白质结晶仍然是结晶学的一个重要瓶颈，但Chayen的多学科工作对其成为一门科学而不是一门艺术做出了很大贡献。最重要的是，她的方法是实用的。微批量结晶，多孔核体和MIPs为说服不情愿的蛋白质结晶提供了非常不同的解决方案，我们可以期待她在未来几年进一步开发同样具有创造性的方法。