微流控蛋白质分离平台：高效实现高分辨率冷冻电镜结构分析
2025-11-16 08:26:03   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

冷冻电镜（Cryo-EM）已成为在近原子分辨率下可视化生物大分子结构不可或缺的技术，它能够揭示对理解分子功能至关重要的复杂结构细节。然而，该技术长期面临的一个重要挑战是对样品的苛刻要求。传统的方法需要生成和纯化大量蛋白质，而在这些蛋白质中，最终只有极微量到达电子显微镜，其它大部分都会被丢弃。这种低效方法不仅消耗了宝贵的时间和资源，还限制了稀有或难以制备蛋白质的研究。

据麦姆斯咨询报道，比利时弗拉芒生物技术研究所结构生物学中心的研究人员开发了一种基于微流控的新方法，能够从极微量起始材料中进行高分辨率Cryo-EM结构测定。相关研究成果以“MISO: microfluidic protein isolation enables single-particle cryo-EM structure determination from a single cell colony”为题发表在Nature Methods期刊上。该研究介绍了一种微流控蛋白质分离（MISO）平台，其可将蛋白质纯化和Cryo-EM网格制备整合为单一简化的流程。与传统方法的流程相比，新开发的微流控方法将样品需求量减少了100至1000倍。

微流控蛋白质分离平台原理及方法表征

微流控蛋白质分离平台的微流控芯片设计

微流控蛋白质分离平台的实验设置

微流控蛋白质分离平台通过微型化纯化步骤并将其直接整合到微流控芯片上，解决了上述挑战。这消除了批量制备蛋白质的需求，能够从极微量初始生物样本中直接分离并制备。值得注意的是，微流控蛋白质分离平台可以将粗细胞裂解物通过无缝纯化过程，在数小时内将纯化蛋白质样品沉积到Cryo-EM网格上，将通常需要数天或数周的工作量压缩到一天内完成。这种快速、简化的工作流不仅可以加快数据获取，还显著扩展了可进行Cryo-EM分析的生物材料范围。

利用微流控蛋白质分离平台进行Cryo-EM分析

该研究通讯作者Rouslan Efremov教授强调了这一成果的变革性本质：“微流控蛋白质分离平台从根本上拓展了结构生物学的研究边界。它使研究人员能够从原始生物材料，甚至单个细胞群落，在一天之内获得详细的近原子分辨率结构，并且，仅需传统所需蛋白质的一个零头。”这凸显了该技术对从基础生物化学到药物发现等领域的深远影响，快速、资源高效的结构测定可以加速理解和治疗创新。

微流控蛋白质分离系统的鲁棒性已在多种蛋白质类别中得到验证。该团队成功解析了可溶性酶和膜蛋白的高保真Cryo-EM结构。其中，一项标志性成果涉及从单个大肠杆菌菌落衍生的生物质中纯化并确定β-半乳糖苷酶的结构。同样令人印象深刻的是，研究人员利用相当于一半哺乳动物细胞培养皿的材料，对质子激活的氯离子通道TMEM206这一膜蛋白进行了表征，这展示了该方法极高的灵敏度和效率。

利用微流控蛋白质分离平台对TMEM206-YFP进行处理和表征

该研究第一作者Gangadhar Eluru博士表示：“这代表了使Cryo-EM技术更加普及和高效所迈出的重要一步。对于许多研究而言，挑战不在于显微镜技术，而在于获得足够的高质量蛋白。微流控蛋白质分离平台直接解决了这一挑战。”

重要的是，微流控蛋白质分离平台的用途不仅限于结构解析，它有望成为蛋白质组学和膜蛋白生物学中强大的发现工具。研究人员从Cryo-EM密度图中直接鉴定了一种未知膜蛋白，并通过微流控蛋白质分离平台工作流程进行纯化，展示了该平台揭示低丰度或先前未研究的大分子复合物的潜力，且无需繁琐的样品制备。这种能力有望彻底变革难以捕获生物分子的表征，加速分子和细胞生物学的发现进程。

随着结构生物学与转化医学的日益交叉融合，能够使用极少量生物样本进行分析的能力，进一步扩展了Cryo-EM技术在稀有或珍贵样本（例如原代细胞、类器官或临床活检样本）中的应用范围。

微流控蛋白质分离平台的技术核心是利用微流控领域的技术进步，在芯片上集成亲和纯化步骤，随后将蛋白质样品控制沉积到Cryo-EM网格上。这种精密的流程确保了蛋白质的完整性和均一性，这是进行准确单粒子分析的关键。微流控环境还最小化了样品的损失和污染风险，提高了重现性和一致性。

展望未来，研究团队设想进一步改进和缩小微流控蛋白质分离平台，进而将Cryo-EM技术的应用范围推向目前无法企及的领域，例如从单个细胞或小型类器官进行常规结构测定，从而为结构细胞生物学和个性化医疗开辟新视野。从生物生理相关环境中捕捉分子结构信息的潜力，能够以前所未有的广度和细节加深我们对健康和疾病的理解。

微流控技术与Cryo-EM技术相结合，将结构生物学和生物工程多年的创新成果凝聚成一种简洁高效的工作流。通过简化和缩小蛋白质分离和网格制备过程，微流控蛋白质分离平台不仅加速了科学研究的效率，还使尖端结构分析工具更加普及，使全球实验室能够以前所未有的精确度和效率探究生命的分子基础。

总之，微流控蛋白质分离平台代表了Cryo-EM技术的重大进步，克服了与样品数量和制备时间相关的关键限制。通过结合微流控蛋白质分离和直接网格制备，它改变了蛋白质结构分析的传统范式，为有限生物材料所能实现的研究设定了新标准。随着这项技术的普及，它有望催化分子和结构生物学的新时代，革新对细胞基本机制的研究，加速生命科学领域的发现进程。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-025-02894-x

延伸阅读：

《微流控技术及市场-2024版》