東京理工大學開發了一種新的無細胞蛋白質結晶（CFPC）方法，包括直接的蛋白質結晶，是結構生物學領域的一個重大進步。這項技術將使我們能夠分析用傳統方法無法研究的不穩定的蛋白質。分析這些將增加我們對細胞過程和功能的了解。
CFPC過程的示意圖，使用小麥胚芽蛋白合成試劑盒合成多面體單體（PhM），並進一步結晶為納米級多面體晶體。資料來源：Takafumi Ueno教授
我們大多數人都熟悉某些晶體，如鹽和糖，我們在日常生活中使用這些晶體。然而，還有一組隱藏在肉眼之外的晶體，對我們的生物學至關重要。在活細胞中，微觀的蛋白質晶體幫助維持免疫系統激活、蛋白質儲存和保護等過程。
科學家們開發了細胞內蛋白質結晶（ICPC）方法，以更好地了解蛋白質晶體的結構和功能之間的關係。這種方法可以直接觀察活細胞中的蛋白質晶體，確保高質量的晶體，而不需要純化過程或複雜的篩選方法。然而，儘管它有許多優勢，但由於在活細胞中形成的晶體沒有分析所需的大小和質量，所以報告的結構很少。因此，由東京理工大學的Takafumi Ueno教授領導的一個日本科學家團隊旨在開發一種更好的方法。而最近，他們取得了突破性進展。
多面體晶體（PhCs）的掃描電子顯微鏡圖像和尺寸分佈直方圖顯示了隨時間變化的CFPC過程中的不同點。資料來源：Takafumi Ueno教授
在他們將於今天（10月3日）發表在《科學報告》上的文章中，該團隊報告了一項技術的發展，該技術將使蛋白質結晶和分析更加高效和有效。這種技術–無細胞蛋白質結晶（CFPC）方法–是體外蛋白質結晶和ICPC的混合體，可以快速直接形成蛋白質晶體，而不需要複雜的結晶和純化方法。
“ICPC有望成為晶體結構分析的一個重要工具，但我們需要一種方法來獲得分辨率更高的蛋白質晶體結構。因此，我們專註於利用CFPC建立高質量的蛋白質結晶，並進行小規模的快速反應，”上野教授說，他也是東京理工大學上野實驗室的負責人。該實驗室的成員研究自然發生的蛋白質組合，它們的結構和功能，旨在應用這些知識來開發創新的生物技術和能源解決方案。(進行當前研究的研究小組中的一些科學家也是上野實驗室的成員）。
研究小組使用了一個小麥胚芽蛋白合成試劑盒，這是一種用於合成多面體單體的工具，多面體單體是一種在昆蟲細胞中通過Hypovirus感染產生的病毒蛋白。然後使用新的CFPC方法對這種蛋白質進行結晶，從而形成納米級的多面體晶體（PhCs）。科學家們可以在6小時內有效地完成這一過程，期間只用了20微升的反應混合物。掃描電子顯微鏡圖像表明，PhCs具有極佳的純度，這使得他們能夠以高達1.95Å（或1.95Å）的分辨率確定其結構。為了進一步探索他們新系統的能力，研究人員對結晶包涵蛋白A（CipA）進行了結構分析，其結構被確定為2.11Å的高分辨率，這在這項研究之前從未被報道過。
這項工作是結構生物學領域的一次重大飛躍，因為它提出的方法將使人們能夠分析無法通過傳統方法研究的不穩定和低產量的蛋白質。這項技術還旨在幫助開發小規模和快速蛋白質結晶和分析的先進技術。”上野教授總結說：”由我們的方法產生的高質量蛋白質晶體將擴大結構測定的範圍，並為我們提供對活細胞複雜環境的有用和前所未有的洞察力。”