强磁微重力效应环境下生长蛋白质晶体.pdf

强磁微重力效应环境下生长蛋白质晶体 尹犬丌I薛小平傅增祥骞爱荣贾斌张绍武若山信子商澎 西北工业大学生命科学院，710072，yindc@nwpu．edu．cn 空间微重力条件下生长高质量蛋白质晶体是极受重视的提高蛋白质晶体质量 的途径。然而，受限于航天发射次数、发射成本的影响，空间微重力资源利用的机 会不多且成本偏高。此外，有相当数量的蛋白质，其晶体质量难以在空间微重力环 境下得到提高，因此，总体而言，利用空间微重力环境提高蛋白质晶体质量的研究 呈现成功率偏低、成本偏高的问题。如果在地面上能够找到非常接近空间微重力状 态的环境，则可将其作为蛋白质晶体的生长环境，并探索生长高质量蛋白质晶体的 方法。此努力将有利于实现两个层次上的目标：(1)为空间蛋白质晶体生长服务： 筛选适合于在空间生长的蛋白质晶体种类，探索适宜于空间微重力环境下的晶体生 长参数、晶体生长方法等，进而提高空问蛋白质晶体生长的成功率；(2)直接在地 面生长高质量蛋白质晶体：如果在地面就能生长出足够满足衍射要求的蛋白质晶 体，就不必将样品送到太空，从而节约成本，提高效率。 长期以来，在地面上实现的微重力，一直存在一个问题：即微重力状态的持续 时间短暂。此问题的存在，使地面微重力状态仅适宜于研究一些瞬对过程，对其他 需要持续时间长的科学研究，则基本上不能进行。蛋白质晶体生长，往往需要数小 时甚至数月之久，想在地面上实现的微重力环境下进行晶体生长，十分困难。 最近，超导磁体技术的突破，为长时间持续微重力环境的地面模拟提供了一个 解决方案。特殊设计的超导磁体可产生强大稳定的梯度磁场，利用此梯度磁场中物 质受到的Kelvin力，可实现物质在磁场中重力状态的改变。在磁场中心上方，抗磁 物质受到向上的排斥力，当该排斥力与重力平衡时，物质所处环境类似微重力条件； 而在磁场中心下方，斥力与重力方向一致，物质所处环境则类似超重力环境。这种 因强磁梯度引起的重力改变现象，称为强磁重力效应，利用此技术获得的微重力状 态，我们称之为强磁微重力，它解决了地基微重力试验持续时间的瓶颈闻题，具各 这种强磁微重力效应能力的超导磁体能够使物质内部各部分之间的相互作用基本 消失，真正达到了接近空间真实微重力状态的目的，为空间蛋白质晶体生长的地面 模拟研究提供了良好的途径。 本文利用超导磁体提供的微重力环境，研究了溶菌酶Orthorhombic晶体的质量 受磁场微重力及强磁场本身的影响(图1)。结果表明，不但微重力环境提高了蛋白 质晶体的质量，强磁场本身也对蛋白质晶体的质量有所提高。研究结果揭示，利用 强磁微重力环境开展蛋自质晶体生长研究，将有助于理解高质量蛋白质晶体生长机 理，有利于探索寻找高质量蛋白质晶体生长的途径，是值得进一步深入研究的新方 向。 图1 模拟重力环境下蛋自质晶体质量的变化： 图中1、2、3代表不同批次的试验。圆圈代表 在磁体肉的样品(分别位于三个位置：①磁场 强度11T，重力水平¨G：②磁场强度15T。重 -g：咔∞lI_E，o 力水平IG：③磁场强度11T，重力水平1．8G)， 三角形代表在磁体外的样品(磁场强度为零， “∞¨埘¨“让如¨““ factor 重力水平为1G)。晶体质量使用Overall．B 为衡量指标，低数值代表高质量。