环形离子淌度“他们说“第二期 I 看科研前沿怎么做结构生物学？

密歇根大学位于美国密歇根州安娜堡市，是世界顶级的研究学府之一。密歇根大学化学教授Brandon Ruotolo研究团队专注于开发新的工具和方法，用以确定生物学和医学中重要的蛋白质和多蛋白组装体的三维(3D)结构和稳定性。团队利用离子淌度-质谱联用技术(IM-MS)开发创新方法，同时与其他结构生物学工具相结合，来解决结构基因组学领域中一些真正具有挑战性的问题。

项目组的长期目标是将IM-MS数据与其他蛋白质结构测定方法一起用以支持结构生物学新兴领域，将来自不同技术的多种数据组合在一起，生成比使用任何单一工具都更完整的蛋白质组装体数据。实验室购买了Waters SELECT SERIES Cyclic IMS，以帮助团队继续在该领域取得突破。

Ruotolo博士解释说：

我们的工作聚焦于结构生物学和药物发现研究之间的交点。Waters SELECT SERIES Cyclic IMS让我们几乎在各个领域都能进行新的实验，突破领域界限。

图1. 在Waters SELECT SERIES Cyclic IMS的开发过程中，Ruotolo博士及其团队与沃特世研发人员达成紧密合作。

蛋白质结构与功能之间的关联研究对理解生物化学和人类疾病至关重要。为了解蛋白质结构在功能中的作用，以及疾病状态下可能发生的任何变化，Ruotolo团队正致力于探索将这些生物物理参数/因素联系在一起。蛋白质稳定性（通常报告为蛋白质展开的自由能）就是其中一个重要方面，对理解蛋白质结构和功能方面有重要意义。然而，主要瓶颈之一就是确定大分子蛋白质复合物结构这一参数的分析技术有限。

Ruotolo团队的研究方向主要针对结构生物学相关的多个主题，例如开发IM-MS仪器和构建用于IM-MS数据分析的计算工具，并生成3D模型。也有项目聚焦于IM-MS气相中蛋白质复合物的碰撞诱导展开(Collision Induced Unfolding ,CIU)，研究人员正在建立一种用于蛋白质抑制剂发现和快速生物治疗表征的技术；还有一些涉及蛋白质自组装、聚集和淀粉样蛋白形成的研究。 

Ruotolo博士的工作重点是将IM-MS作为一项新兴技术，在存在杂质和结构异质性的情况下，使用少量样品确定蛋白质组装体的组成、大小和拓扑组织。在Waters SELECT SERIES Cyclic IMS的开发过程中，Ruotolo博士研究团队与沃特世研发人员通力合作，将通过IM-MS技术致力于结构生物学的研究、不断突破科学发的现界限作为长期目标，一同前行。

图2. Ruotolo研究团队使用SELECT SERIES Cyclic IMS仪器来解决结构基因组学领域的挑战。

快速表征蛋白质3D结构及其形成的多聚体仍然是现代生物和医学科学面临的巨大挑战之一。尤其是在药物发现过程中，IM-MS技术在表征这些功能性复合物方面发挥着越来越大的作用。

离子淌度(IM)与MS联用时，可以根据形状和m/z实现对异构体的分离，还可以提供更清晰的质谱数据和准确的碰撞截面(CCS)值。碰撞解离还能够帮助科学家分解蛋白质并记录其氨基酸序列，Ruotolo团队的研究目标之一是将此类测序工作扩展到超大分子蛋白质复合物。

密歇根大学化学教授BRANDON RUOTOLO博士说：

我们正在研究一些复杂的蛋白质复合物模型，查看我们获得的序列覆盖率。使用Waters SELECT SERIES Cyclic IMS的效果看起来非常棒！

Waters SELECT SERIES Cyclic IMS经过精心设计，可实现更高的离子淌度分辨率；还可支持按质量数和淌度选择离子，这是Cyclic IMS的专有功能。Cyclic IMS这些特点为学术前沿研究提供了良好的灵活性和强大的功能，可助力高水平科研人员解锁新的科学发现。

Ruotolo博士描述了该仪器在其研究领域中的影响：

Waters SELECT SERIES Cyclic IMS是一款非常特别的设备，它可以完成各种有趣的工作，影响当今生物化学领域的一些关键问题，这对研究人员来说有很大帮助。

图3. 在Waters SELECT SERIES Cyclic IMS的开发过程中，Ruotolo博士与沃特世人员通力合作，突破科学发现的界限。

Ruotolo团队研究项目之一为探索碰撞诱导展开(Collision Induced Unfolding ,CIU)作为指纹图谱分析技术的潜力，这项技术可用于研究蛋白质、蛋白质复合物和蛋白质配体复合物的结构和稳定性研究中。

蛋白质组装体的碰撞激活通常会产生大量部分折叠中间体，这些中间体在毫秒时间范围内稳定，可以提供与分离蛋白质复合物结构相关的一系列信息。Ruotolo博士阐释了这项研究：

我们团队最出名的可能是使用CIU的研究工作，我们借助该技术来进行蛋白质的稳定性测量。这些都是关键属性，可用于发现新的生物治疗药物，或获取蛋白质如何靶定药物或与药物相互作用的生物物理学信息。量热法是目前制药业的标杆技术，但速度非常慢。它需要相对大量的样品，且通常需要纯化的样品才能进行。CIU速度非常快，用我们实验室的仪器运行CIU实验时，每个样品只需几秒钟。我们正在运用这项技术与众多制药公司合作，以了解如何发现生物治疗药物，或者不同的生物治疗药物如何改变涉及的蛋白质。这项技术正处于发展阶段，Waters SELECT SERIES Cyclic IMS的独特优势非常适合这项工作。

Ruotolo团队的工作还试图捕捉生物治疗药物展开的特征，并将其与治疗相关的结构差异联系起来，最终构建快速分析新型治疗性蛋白质的高通量方法。与许多常见的筛选技术相比，CIU试验的信息含量高，可以实现更具针对性的药物筛选和改进蛋白质工程方法。

密歇根大学化学教授BRANDON RUOTOLO博士说：

现在对神经退行性疾病的不同生物标志物进行定量分析的需求巨大，因为我们需要早期诊断患者的方法。但是，由于生物标志物本质上具有结构性，因此很难围绕这些类型的靶标建立分析方法来解决这个问题。我们正在使用Waters SELECT SERIES Cyclic IMS及其CIU功能构建一种分析方法，该分析方法不仅基于生物分子的组成或特性，还基于其结构状态。我们为解决这个问题而正在构建的分析方法称为CIU²，这些方法创造性地利用了SELECT SERIES Cyclic IMS系统的功能。

图4. Ruotolo团队利用Waters SELECT SERIES Cyclic IMS仪器功能探索不同CIU方法的潜力。

其他项目包括蛋白质错误折叠和聚集在疾病中的作用。大多数蛋白质分子必须折叠成特定的3D结构才能具有功能活性。

生物质谱设施的两个重点领域是完整蛋白质、多蛋白质复合物和蛋白质结构的分析；以及结合定量分析，从复杂混合物中鉴定和纯化化合物。密歇根大学的研究人员对使用Waters SELECT SERIES Cyclic IMS仪器进行液相分离和天然产物分析有着浓厚的兴趣。Ruotolo博士认为这个新设施及仪器可作为大学研究人员继续在多个科学领域突破界限的资源：

生物化学异构体领域的任何研究都是适用于Waters SELECT SERIES Cyclic IMS的热门潜在应用。拥有这套设施很棒，因为我们需要足够的带宽来帮助校园里的不同研究人员。这就是我作为科学家的最终动力，即保证我们能够借助这些测量手段帮助人们，真正为他们带来实际利益。这是测量科学领域最吸引人的方面之一，你可以在实验室中开发出一些成果，例如用于测量生物标志物的新技术。真正的乐趣不是为我自己开发这项技术，而是看到它投入实际应用并帮助人们进行探索。我希望看到这个设施和Waters SELECT SERIES Cyclic IMS成为帮助人们从事他们想做的科学工作的有利资源。