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展
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，難以實現(xiàn)痕量分子的原位結(jié)構(gòu)解析。質(zhì)譜技術(shù)具有強大的復(fù)雜樣品分析能力，被廣泛應(yīng)用于各類組學(xué)研究、藥物研發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢測、航天反恐等各個領(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)院徐偉課題組在國家自然科學(xué)基金儀器專項、優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項目的資助下，開發(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，通過引入Taylor擴散實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，課題組進一步將離子遷移電泳與非變性質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合，通過氣相非變性質(zhì)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(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）。基于液相離子遷移原理，課題組進而開發(fā)了液相離子阱裝置，在液相條件下實現(xiàn)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(xiàn)復(fù)雜樣品的分離，也可以將質(zhì)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(zhì)譜聯(lián)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(xiàn)了微生物等顆粒的三維幾何尺寸測量。該方法與質(zhì)譜儀器相結(jié)合，未來可大幅提高質(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
徐偉教授課題組長期致力于譜學(xué)儀器的研發(fā)與應(yīng)用，實驗室以微小型化質(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。團隊開發(fā)了國際上第一款小型化的電泳-質(zhì)譜聯(lián)用儀，發(fā)展了國際上首款小型連續(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)。團隊的多項專利已經(jīng)實現(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)測等多個領(lǐng)域。
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