北理工在生物分子结构解析质谱仪器研究方面取得进展


  生物分子三维结构解析是化学、生物学中的前沿课题。电镜、核磁等技术通常依赖样品的纯化,难以实现痕量分子的原位结构解析。质谱技术具有强大的复杂样品分析能力,被广泛应用于各类组学研究、药物研发、环境监测、医学检测、航天反恐等各个领域,但是,现有质谱技术在分子三维结构解析方面力不从心。

  为了突破电镜和质谱技术在生物分子三维结构分析方面的瓶颈,我校生命学院徐伟课题组在国家自然科学基金仪器专项、优秀青年科学基金等项目的资助下,开发了基于液相迁移电泳、纳米孔电喷雾离子源及非变性质谱的一系列方法与仪器,实现了生物大分子立体几何结构的快速、高通量的解析,相关成果在ACS Central Science、Chem. Sci.、Anal. Chem.等顶级期刊上发表系列文章。

图1 液相离子迁移电泳与非变性质谱结合快速测量生物分子立体几何尺寸

  课题组首先发展了具有高稳定性、高重复性的液相离子迁移电泳技术与仪器,该方法利用Laminar flow取代了传统的电渗流,通过引入Taylor扩散实现了样品分子的分离、半径和分子有效带电量的同时测量(Wenjing Zhang, … Wei Xu*, Chemical Science, 2019, 10, 7779-7787)。为了获取生物大分子较全面的立体结构,课题组进一步将离子迁移电泳与非变性质谱技术相结合,通过气相非变性质谱实验获得了分子的溶液可及表面积、通过液相迁移电泳实验获取了分子体积,再结合流体力学Stokes Flow方程,最终获取了蛋白及蛋白复合体的三维几何尺寸信息(Haimei Wu, Rongkai Zhang, … Ye Xiang* and Wei Xu*, Chemical Science, 2020, 11, 4758-4765),该方法可应用于蛋白-小分子复合体结构研究(Jie Hong, …Muyi He* and Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, 92, 5200-5206)?;谝合嗬胱忧ㄒ圃?,课题组进而开发了液相离子阱装置,在液相条件下实现了离子的富集、选择性传输与顺序弹射分析。通过该装置,不仅可以实现复杂样品的分离,也可以将质谱仪器的检测灵敏度提升100倍以上(Jie Hong, … Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, doi: 10.1021/acs.analchem.0c01261)。

图2 纳米孔电脑喷雾离子源及其与质谱联用

  接下来,课题组提出了纳米孔电喷雾离子源的概念与原理,通过测量分子在穿越微米到纳米尺寸的电喷雾喷口时引起的喷雾电流的扰动,目前初步实现了微生物等颗粒的三维几何尺寸测量。该方法与质谱仪器相结合,未来可大幅提高质谱技术的未知物鉴定和三维结构解析能力(Yu Zhang, Yang Tang,… Wei Xu*, ACS Central Science, 2020, 6, 6, 1001–1008)。

图3 小型化质谱仪的研究

  徐伟教授课题组长期致力于谱学仪器的研发与应用,实验室以微小型化质谱仪、结构解析质谱新技术为主要研究方向。在离子阱质谱仪的基础理论研究、交叉学科(流体力学、电磁学)大规模并行离子轨迹仿真、小型化质谱仪的研制、微流控芯片、液相离子迁移电泳仪器的研发等领域进行了深入的研究,并面向应用,着重将质谱仪器的研究与航天、反恐、生物医疗等领域的应用紧密结合。团队开发了国际上第一款小型化的电泳-质谱联用仪,发展了国际上首款小型连续大气压接口质谱仪,发展了液相离子阱、结构解析迁移电泳等技术。团队的多项专利已经实现产业化转化,产品服务于基础科研、防化反恐、海关、药物监管、电力传输、环境监测等多个领域。

  

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