微流控技术应用于蛋白质结晶的优势

人类基因组测序工作的基本完成，预示着分子生物学已经进入后基因时代，即由对基因的研究进入到对蛋白质组学的研究。了解蛋白质的三维结构，建立其微分子结构模型，揭示蛋白质结构与功能的关系，对于我们了解蛋白质-配体相互作用、生物体内的相关生物学机制、开发有效地治疗疾病的药物和疗法具有重要意义。目前很多发达国家都在进行蛋白质三维结构的研究以加速新药研究的进程。

近年来微流控技术的发展为蛋白质结晶条件的高通量、快速筛选提供了一个很好的平台。微流体系统可以利用微量的蛋白样品同时进行成百上千个蛋白质结晶条件试验，因而可以用更少的时间和费用进行更细化、更广泛的结晶条件筛选，大大加速了蛋白质结构研究的速度。

蛋白质结晶过程是一个非常复杂的过程，目前还没有一种方法和技术可以预先推测其最优结晶条件，所以需要经验性低依靠大量试验去筛选合适的结晶条件。目前已有一些公司开发出了基于机器手控制的微量分液器来实现高通量的自动化操作，替代繁琐的人力劳动，但仍有很大的局限性：一方面这种自动化额操作系统价格非常昂贵，一般实验室难以承受；另一方面，由于不同液体黏滞性的差异，自动分液器难以精确控制微量液体样品的体积，因此无法保证结晶条件的重复性和一致性。微流控技术的出现为上述问题解决带来了希望。

微流控用于蛋白质结晶条件筛选具有很多明显优势：

    1、减少单个条件试验所需的样品数量（常规蛋白质结晶实验单次耗样量为微升级，而微流体结晶平台仅需纳升量级）；

    2、增加条件试验的总数；

    3、引入更多的蛋白质结晶的影响因素；

    4、加快试验速度（由于液滴体积的缩小，蒸发扩散的速度也相应的增加，平衡过程更快，能更快地得到晶体，获得好的结晶条件）；

5、由于结晶时间的缩短，还可以减少因聚合、变性、氧化和脱酰胺作用引起的蛋白质分解的程度。此外微流体高通量结晶还可以使液滴更加均匀，并大幅度减少了繁琐枯燥的劳动，从而节省大量的人力、物力和财力。

另外，微流控系统在微尺度下所具有的一些不同于宏观流体的物理化学特性对蛋白质结晶也非常有利。比如，在蛋白质结晶过程中，传输过程尤其是传质过程对晶体生长起着关键作用，它影响最终形成晶体的质量和特征。研究显示由于重力场作用导致的自然对流传输是影响获取优质晶体的重要因素之一，对流传输通常会扰乱结晶过程中晶体-溶液体系的浓度分布，特别是在生长晶体表面附近的浓度分布，从而影响蛋白质结晶成核与晶体生长，以及使杂质进入晶格，并最终影响到晶体生长，以及使杂质进入晶格，并最终影响到晶体的大小、形貌和完美性。因此，如何抑制或减少结晶过程中的自然对流现象成为研究者考虑用于改善蛋白质晶体质量的重要措施之一。

微流控系统中，由于尺度的减少，其Grashof数非常小，即其因密度差异导致的自然对流也几乎可以忽略，这样就给蛋白质的结晶提供了非常有利的动力学环境。