于筱溪,閆真真,蔣其輝,吳霞,張余曉,王曉娟,黃方,3
(1 中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580;2 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司井下作業(yè)研究所,北京 102206;3 中國(guó)石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580)
蛋白質(zhì)結(jié)晶是生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。蛋白質(zhì)晶體具有較高的孔隙率和生物相容性[1],在藥物輸送、生物傳感和生物催化等方面有著潛在的應(yīng)用可能;此外,蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是藥物設(shè)計(jì)的前提[2],X 射線衍射是現(xiàn)階段解析蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的主要手段之一[3],高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體的培養(yǎng)是這一技術(shù)的關(guān)鍵。由此可見(jiàn),蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程對(duì)蛋白質(zhì)工程、藥物設(shè)計(jì)[4]和藥物輸送等領(lǐng)域都有著舉足輕重的地位。
由于蛋白質(zhì)分子量大,對(duì)環(huán)境極度敏感,蛋白質(zhì)分子的有序聚集過(guò)程難度大且不易控制[5]。諸多研究表明,在結(jié)晶體系中加入小分子添加劑有助于蛋白質(zhì)分子聚集成核[6],離子液體就是其中的一種[7]。離子液體由陽(yáng)離子和陰離子組成,其生物相容性高,結(jié)構(gòu)具有很大的設(shè)計(jì)性[8]。將離子液體作為添加劑引入蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程,能夠顯著提高晶體尺寸,優(yōu)化晶體的衍射質(zhì)量[9],在蛋白質(zhì)結(jié)晶的研究領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注。Chen 等[10]通過(guò)在溶菌酶結(jié)晶溶液中添加1,3-丁基咪唑氯化物,得到尺寸大、衍射質(zhì)量高的溶菌酶晶體。Judge 等[11]證明了用離子液體作為添加劑后,過(guò)氧化氫酶、肌紅蛋白、胰蛋白酶、葡萄糖異構(gòu)酶等晶體的X 射線衍射分辨率優(yōu)于沒(méi)有添加離子液體的蛋白質(zhì)晶體。本文選擇溴化1-辛基-3-甲基咪唑([C8mim]Br)作為添加劑。作為化學(xué)反應(yīng)中優(yōu)良的綠色替代溶劑,咪唑類(lèi)離子液體有較高的生物相容性和低毒性[12]。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看,[C8mim]Br 的溶解性好,具有類(lèi)似陽(yáng)離子表面活性劑的咪唑親水基團(tuán)和疏水烷基鏈,是一類(lèi)新型表面活性劑[8];Zheng 等[13]發(fā)現(xiàn),咪唑類(lèi)離子液體的表面活性?xún)?yōu)于同碳鏈長(zhǎng)度的傳統(tǒng)表面活性劑。因此[C8mim]Br 在溶液中能夠有序聚集[14],根據(jù)溶液性質(zhì)的不同可以形成膠束、液晶、凝膠、囊泡或微乳液等,拓展了傳統(tǒng)表面活性劑的聚集特征[15]。由此可知,離子液體[C8mim]Br 與蛋白質(zhì)之間的相互作用較為復(fù)雜,可能改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象與聚集狀態(tài)[16],影響蛋白質(zhì)的結(jié)晶過(guò)程。選擇溶菌酶為研究對(duì)象,研究了[C8mim]Br 聚集狀態(tài)對(duì)溶菌酶結(jié)晶的影響,通過(guò)測(cè)定溶菌酶結(jié)晶熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),采用動(dòng)態(tài)光散射監(jiān)測(cè)溶液中聚集體的變化趨勢(shì),利用ζ-電勢(shì)考察離子液體與蛋白質(zhì)之間的相互作用,對(duì)離子液體對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程的影響機(jī)制進(jìn)行了探討。
雞蛋白溶菌酶,購(gòu)自上海西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司;溴化1-辛基-3-甲基咪唑([C8mim]Br),購(gòu)自上海成捷化學(xué)有限公司,純度99%;溶壁微球菌粉,購(gòu)自北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院;氯化鈉(分析純);乙酸(分析純);氫氧化鈉(分析純),購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
倒置熒光顯微鏡,上海徠卡顯微系統(tǒng)貿(mào)易有限公司;納米粒度分析儀,英國(guó)馬爾文儀器有限公司;紫外分光光度計(jì),上海島津儀器有限公司;恒溫水浴槽,上海先歐科技有限公司。
1.3.1 溶菌酶的結(jié)晶 溶菌酶結(jié)晶采用分批結(jié)晶法:依次吸取100 μl溶菌酶溶液(20、28、36、40 mg/ml)、100 μl 氯化鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%)、10 μl 不同濃度的[C8mim]Br 溶液置于96 孔細(xì)胞板中,4℃下結(jié)晶。所有溶液均在pH4.5、0.1 mol/L 的乙酸鈉緩沖溶液中配制。
1.3.2 溶菌酶活性測(cè)定 溶菌酶活性檢測(cè)方法參考文獻(xiàn)[17]的溶菌酶活性簡(jiǎn)易測(cè)定,以無(wú)菌操作方式,將溶壁微球菌種子菌液按照1∶100 的比例接種至100 ml LB 液體培養(yǎng)基中,進(jìn)行菌株的擴(kuò)大培養(yǎng),在37℃搖床中培養(yǎng)至450 nm 處吸光度值為1.300±0.010 的菌懸液。使用1 cm 光徑4 ml 容量的比色皿,吸取2.5 ml 450 nm 處吸光度值為1.300±0.010的菌懸液,加入0.5 ml 相應(yīng)酶反應(yīng)液(溶菌酶溶液、溶菌酶與離子液體的混合溶液)混勻立即計(jì)時(shí),于25℃分別記錄10 s 和70 s 時(shí)450 nm 處吸光度值A(chǔ)1和A2,并計(jì)算其差值的絕對(duì)值。檢測(cè)前采用相應(yīng)的緩沖液調(diào)零。
1.3.3 溶菌酶溶解度測(cè)定 配制一系列已知濃度的溶菌酶系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,利用紫外分光光度計(jì),測(cè)量其在280 nm 處的吸光值,繪制溶菌酶濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。配制一系列[C8mim]Br濃度梯度溶菌酶懸浮液,在4℃下溫和攪拌至溶液達(dá)到平衡,取200 μl平衡懸浮液離心(14000 r/min、15 min),用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)上清液在280 nm 處的吸光度值,計(jì)算溶菌酶在此條件下的平衡濃度。
1.3.4 溶菌酶結(jié)晶動(dòng)力學(xué)測(cè)定 配制一系列[C8mim]Br 濃度梯度溶菌酶結(jié)晶溶液,迅速降溫至4℃并保持恒溫,每隔2 h 取500 μl 溶液離心(14000 r/min、15 min),將上清液稀釋20倍,利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)上清液在280 nm 處的吸光度值,得到溶菌酶溶液濃度隨結(jié)晶時(shí)間的變化曲線。
1.3.5 結(jié)晶溶液中分子聚集狀態(tài)表征 配制一定濃度(大于1 mg/ml)的溶菌酶溶液、[C8mim]Br 溶液以及溶菌酶-[C8mim]Br 混合溶液,通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射對(duì)溶液中的分子聚集體粒徑進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定前所有溶劑需采用0.22 μm 膜過(guò)濾。將動(dòng)態(tài)光散射所測(cè)量的相關(guān)曲線與指數(shù)函數(shù)模型擬合,可計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)(D),進(jìn)一步運(yùn)用Stokes-Einstein 方程[18],可得流體力學(xué)直徑,即聚集體的粒徑。Stokes-Einstein 方程可用式(1)表示:
式中,DH表示流體力學(xué)直徑;k表示Boltzmann常數(shù);f表示粒子摩擦系數(shù);η表示溶劑黏度;T表示熱力學(xué)溫度;D表示擴(kuò)散系數(shù)。
1.3.6 溶菌酶溶液ζ-電勢(shì)測(cè)定 配制不同濃度的[C8mim]Br-溶菌酶混合溶液,用0.22 μm 膜過(guò)濾,4℃下靜置一周,待溶液體系穩(wěn)定,利用納米粒度分析儀測(cè)定溶液中的聚集體表面ζ-電勢(shì)。通過(guò)Henry方程計(jì)算ζ-電勢(shì)[19],Henry方程可用式(2)表示:
式中,z表示ζ-電勢(shì);UE表示電泳遷移率;ε表示介電常數(shù);η表示黏度;f(ka)表示Henry 函數(shù),對(duì)本研究體系取1.5。
溶菌酶晶體的顯微鏡形貌如圖1所示。圖1(a)為無(wú)[C8mim]Br存在時(shí)的晶體形貌,晶體表面存在明顯缺陷,且晶體尺寸不均一;加入[C8mim]Br后,晶體表面形貌明顯改善,缺陷減少,晶體尺寸更加均一,如圖1(b)~(f)所示。由此可見(jiàn),[C8mim]Br 的加入對(duì)溶菌酶晶體形貌有改善作用。此外,[C8mim]Br的加入對(duì)晶體數(shù)量也有影響。與無(wú)添加劑時(shí)的結(jié)晶過(guò)程相比,加入低濃度[C8mim]Br(<0.06 mol/L)時(shí),晶體數(shù)量略有減少;[C8mim]Br 加入量超過(guò)0.1 mol/L 后,晶體數(shù)量明顯減少;當(dāng)[C8mim]Br 濃度超過(guò)0.3 mol/L后,晶體數(shù)量變化不大,如圖2所示。
圖1 溶菌酶晶體顯微鏡形貌圖(比例尺:100 μm)Fig.1 Microgscope photos of lysozyme crystals(scale bars:100 μm)
圖2 不同濃度[C8mim]Br下溶菌酶晶體數(shù)量Fig.2 Numbers of lysozyme crystals under different[C8mim]Br concentration
采用比濁法,以溶壁微球菌為底物檢測(cè)離子液體對(duì)溶菌酶活性的影響,結(jié)果如圖3 所示。定義室溫25℃下,1 mg/ml 的溶菌酶溶液為標(biāo)準(zhǔn)樣,其酶活為1。實(shí)驗(yàn)表明,加入不同濃度的[C8mim]Br 對(duì)溶菌酶的活性基本無(wú)影響。
圖3 不同濃度[C8mim]Br下溶菌酶活性Fig.3 Lysozyme activity ratio under different[C8mim]Br concentration
蛋白質(zhì)的溶解度決定了過(guò)飽和度,影響著晶體的成核速率和生長(zhǎng)速率[20]。測(cè)定了添加[C8mim]Br后的溶菌酶溶解度,結(jié)果如圖4所示。圖中顯示,當(dāng)[C8mim]Br濃度<0.1mol/L時(shí),溶菌酶的溶解度幾乎沒(méi)有變化;隨著[C8mim]Br濃度的增加(>0.1 mol/L),溶菌酶的溶解度開(kāi)始增加,[C8mim]Br 濃度超過(guò)0.3 mol/L后,溶解度增加趨勢(shì)減慢。對(duì)溶菌酶而言,整個(gè)蛋白質(zhì)分子由內(nèi)到外,疏水殘基逐漸減少,親水殘基不斷增多[21]。高濃度[C8mim]Br 在溶菌酶溶液中聚集形成膠束,與溶菌酶相互作用,使溶菌酶的構(gòu)象發(fā)生一定變化。溶菌酶表面親水殘基增多,疏水性降低[22],因此,在高濃度(>0.1 mol/L)的[C8mim]Br 中,溶解度增大。
圖4 不同濃度[C8mim]Br下溶菌酶溶解度Fig.4 Solubility of lysozyme under different[C8mim]Br concentration
不同濃度的[C8mim]Br 下結(jié)晶30 h 溶菌酶濃度變化趨勢(shì)如圖5 所示,初始狀態(tài)(0 h)時(shí)的蛋白質(zhì)濃度保持一致。由圖5 可知,低[C8mim]Br 濃度下(0.02 mol/L 和0.06 mol/L 時(shí)),[C8mim]Br 加入后溶菌酶濃度下降過(guò)程比0 mol/L時(shí)更快,說(shuō)明此時(shí)[C8mim]Br 對(duì)溶菌酶的結(jié)晶有促進(jìn)作用;隨著[C8mim]Br 濃度的增加(>0.1 mol/L),溶菌酶濃度的下降過(guò)程比0 mol/L 時(shí)更慢,結(jié)晶有所緩慢;[C8mim]Br 濃度超過(guò)0.3 mol/L后,濃度變化趨勢(shì)差別不大,與晶體數(shù)量和溶解度數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。由溶解度數(shù)據(jù)可知,高濃度[C8mim]Br 下,溶菌酶溶解度升高。因此,與0 mol/L相比,當(dāng)初始濃度一致時(shí),過(guò)飽和度降低,結(jié)晶速率降低。低濃度[C8mim]Br下,盡管過(guò)飽和度與0 mol/L相近,但結(jié)晶速率存在差異,可能與[C8mim]Br 的存在狀態(tài)有關(guān)。由此可見(jiàn),[C8mim]Br的聚集狀態(tài)對(duì)溶菌酶的結(jié)晶過(guò)程有重要的影響。
圖5 不同濃度[C8mim]Br下溶菌酶結(jié)晶動(dòng)力學(xué)Fig.5 Lysozyme crystallization kinetics under different[C8mim]Br concentration
溶菌酶是一種球形親水性蛋白質(zhì)[23],分子量在14×103左右,含有18個(gè)陽(yáng)離子氨基酸和12個(gè)陰離子氨基酸[24]。溶菌酶的穩(wěn)定性主要來(lái)源于氨基酸殘基之間的氫鍵和疏水作用[25]。因此,可以通過(guò)測(cè)定溶菌酶溶液中聚集狀態(tài)及其表面電勢(shì)來(lái)探究離子液體與蛋白質(zhì)的相互作用[26]。
圖6 表示不同濃度[C8mim]Br 下溶菌酶溶液的平均ζ-電勢(shì)。隨著[C8mim]Br濃度的增加,溶菌酶溶液的聚集體ζ-電勢(shì)變化呈現(xiàn)出三個(gè)階段。第一階段([C8mim]Br濃度0~0.04 mol/L),隨著[C8mim]Br濃度的升高,溶菌酶表面ζ-電勢(shì)升高;第二階段([C8mim]Br 濃度0.04~0.1 mol/L)溶菌酶表面ζ-電勢(shì)急劇下降;第三階段([C8mim]Br 濃度0.1~0.7 mol/L),溶液平均ζ-電勢(shì)緩慢下降至穩(wěn)定不變。
圖6 不同濃度[C8mim]Br下溶菌酶聚集體ζ-電勢(shì)Fig.6 The ζ-potential of lysozyme under different[C8mim]Br concentration
在第一階段,[C8mim]+濃度低,以單體形式存在,溶菌酶分子表面的疏水殘基與溶液中游離的[C8mim]+發(fā)生相互作用[27],使得溶菌酶表面ζ-電勢(shì)增加,此時(shí),[C8mim]+與溶菌酶分子間主要為疏水作用[28]。在第二階段,溶液中的[C8mim]+濃度升高,更多[C8mim]+通過(guò)疏水作用集中在溶菌酶分子表面,此時(shí)部分[C8mim]+自發(fā)聚集形成不穩(wěn)定的“半膠束”狀態(tài)[26],因此溶菌酶表面ζ-電勢(shì)出現(xiàn)急劇下降。這一階段[C8mim]+與溶菌酶分子間依然以疏水作用為主。疏水作用對(duì)維持蛋白質(zhì)穩(wěn)定性至關(guān)重要[25],[C8mim]+通過(guò)疏水相互作用與溶菌酶的疏水殘基相互融合,使溶菌酶分子表面疏水性略有增加。盡管溶解度幾乎不變,表面疏水性的改變可以促進(jìn)蛋白質(zhì)分子間的聚集,提高溶菌酶的結(jié)晶速率[29]。因此,當(dāng)[C8mim]Br 濃度較低(<0.1 mol/L)時(shí),溶菌酶的結(jié)晶過(guò)程加快。
第三階段,溶液內(nèi)[C8mim]+濃度持續(xù)升高至臨界膠束濃度,[C8mim]+自發(fā)聚集成膠束,溶液的平均ζ-電勢(shì)持續(xù)降低。由于溶液中游離的Br-濃度增加,與溶菌酶表面的雙電子層發(fā)生靜電作用;此外,實(shí)驗(yàn)測(cè)得[C8mim]+膠束自身ζ-電勢(shì)約為5 mV,因此,隨著[C8mim]+膠束濃度的升高,溶液的平均ζ-電勢(shì)進(jìn)一步降低。由于溶液中溶菌酶分子數(shù)量保持不變,隨著[C8mim]Br的增加,[C8mim]Br與溶菌酶分子間的相互作用位點(diǎn)達(dá)到飽和[30],因此在最后階段表現(xiàn)出ζ-電勢(shì)穩(wěn)定不變,與文獻(xiàn)中報(bào)道的趨勢(shì)一致[26]。由此可見(jiàn),[C8mim]Br 與溶菌酶分子間的作用方式與[C8mim]Br的聚集狀態(tài)有關(guān)。
蛋白質(zhì)成核過(guò)程是分子進(jìn)行有序聚集然后形成穩(wěn)定團(tuán)簇的過(guò)程,是蛋白質(zhì)結(jié)晶的決定階段[31]。實(shí)驗(yàn)表明,[C8mim]Br 與溶菌酶之間的相互作用與[C8mim]Br的聚集狀態(tài)有關(guān),因此通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射分別考察了溶液中溶菌酶與[C8mim]Br的聚集狀態(tài),如圖7所示。結(jié)果表明,[C8mim]Br溶液在濃度0.15 mol/L時(shí),開(kāi)始形成直徑約為3 nm 的聚集體,符合球狀膠束特征,與文獻(xiàn)中的臨界膠束濃度相接近[32],聚集體的尺寸隨著[C8mim]Br的濃度增加而增加,如圖7(a)所示??梢宰C明,高濃度的[C8mim]Br在溶液中能夠形成膠束聚集體。
圖7 [C8mim]Br溶液中聚集體粒徑分布(a);結(jié)晶溶液中聚集體粒徑分布(b)Fig.7 Particle size distribution of aggregates in[C8mim]Br solution(a);Particle size distribution of aggregates in crystallization solution with protein and[C8mim]Br(b)
如圖7(b)紅色曲線所示,溶菌酶純?nèi)芤褐蟹肿泳奂w尺寸約為5 nm,與溶菌酶二聚體的尺寸相當(dāng)。加入0.02 mol/L [C8mim]Br 后,聚集體尺寸略有增加[圖7(b)黑色曲線],說(shuō)明有少量基團(tuán)聚集在溶菌酶表面,導(dǎo)致溶菌酶聚集體尺寸變大,與ζ-電勢(shì)的結(jié)果相吻合。
圖7(b)藍(lán)色與綠色曲線分別表示加入0.15 mol/L與0.3 mol/L[C8mim]Br后溶液中的聚集狀態(tài)。溶液中出現(xiàn)了3 nm左右和6 nm左右的兩種聚集體。3 nm處的峰表示溶菌酶單體[33],而6 nm 處的峰表示溶菌酶-[C8mim]Br 膠束復(fù)合物。高濃度下,[C8mim]+自發(fā)形成的膠束可以與溶菌酶分子發(fā)生相互作用形成溶菌酶-[C8mim]Br 膠束復(fù)合物,使得部分溶菌酶分子解聚為單體,因此出現(xiàn)了兩種類(lèi)型的聚集體。
圖8 所示為成核階段溶液聚集體的尺寸變化。曲線A 和B 分別表示加入0.3 mol/L [C8mim]Br 以及無(wú)[C8mim]Br 時(shí)的聚集體尺寸變化,可以看出加入0.3 mol/L[C8mim]Br后的聚集體尺寸明顯增大,約為無(wú)[C8mim]Br 時(shí)的聚集體尺寸兩倍。根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)晶兩步成核理論,溶液中的溶質(zhì)分子會(huì)首先聚集形成無(wú)序聚集體,當(dāng)聚集體達(dá)到一定程度之后,會(huì)重新排列成有序狀態(tài),形成有序排列的晶核[34]。研究表明,對(duì)溶菌酶成核過(guò)程,聚集體的基本單元為八聚體[35]。結(jié)合圖7(b)的結(jié)果,可以推測(cè),在無(wú)[C8mim]Br存在時(shí),溶液中的溶菌酶分子首先形成聚集體,隨后重新排列形成晶核;與之相對(duì),加入0.3 mol/L[C8mim]Br后,溶液中的溶菌酶首先解聚與[C8mim]Br膠束形成溶菌酶-[C8mim]Br 膠束復(fù)合物,隨后以溶菌酶-[C8mim]Br 膠束復(fù)合物為基本單元形成聚集體,進(jìn)而成核。因此,與無(wú)[C8mim]Br 存在時(shí)相比,成核過(guò)程速率較慢,晶核數(shù)量較少。曲線C 和D 分別表示溶液中只含有溶菌酶與[C8mim]Br(不含沉淀劑)時(shí)聚集體的尺寸變化,可以看出隨著時(shí)間的增加,聚集體的尺寸穩(wěn)定不變,說(shuō)明溶菌酶-[C8mim]Br膠束復(fù)合物可以較長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定,且單獨(dú)離子液體[C8mim]Br 并不能作為溶菌酶結(jié)晶過(guò)程的沉淀劑。
圖8 成核階段聚集體尺寸變化Fig.8 Aggregates change during induction period
本文研究了以離子液體[C8mim]Br 為添加劑時(shí)溶菌酶的結(jié)晶過(guò)程。[C8mim]Br作為添加劑能明顯改善溶菌酶晶體形貌。[C8mim]Br對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響隨添加的濃度改變。[C8mim]Br濃度較低(<0.1 mol/L)時(shí)對(duì)溶菌酶的結(jié)晶過(guò)程有促進(jìn)作用,而高濃度[C8mim]Br(>0.1 mol/L)可以減緩溶菌酶的結(jié)晶過(guò)程。研究表明,當(dāng)濃度超過(guò)0.15 mol/L 時(shí),[C8mim]Br可以在溶液中形成膠束聚集體,故[C8mim]Br 的作用機(jī)制與[C8mim]Br 的聚集狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)[C8mim]Br 濃度較低時(shí)(<0.1 mol/L),[C8mim]Br 以單分子形式與溶菌酶發(fā)生疏水作用,促進(jìn)溶菌酶分子聚集,提高結(jié)晶速率。當(dāng)[C8mim]Br濃度增加時(shí),[C8mim]Br開(kāi)始與溶菌酶分子形成復(fù)合聚集體,并以該聚集體為基本單元形成無(wú)序聚集體,進(jìn)而成核,故晶核數(shù)量減少,成核速率減慢。