聚乙烯醇调控溶菌酶晶体形态的分子机制：从六方结构到花瓣状结构的转变及其在生物大分子结晶中的应用

针对蛋白质晶体形态调控策略匮乏的难题，上海团队通过聚乙烯醇(PVA)的羟基定向作用，实现了溶菌酶晶体从六方体到花瓣状结构的可控转变。研究发现PVA通过降低α-螺旋56.89%并增加β-折叠42.78%，促使蛋白质分子形成2-37 nm低聚态，最终获得1.93 ?高分辨率晶体。该研究为生物大分子结晶提供了新思路，对结构生物学和药物研发具有重要意义。

　　

在结构生物学和药物研发领域，蛋白质晶体的质量直接决定着X射线衍射数据的精度。然而，如何精确调控晶体形态始终是困扰研究人员的难题——传统的六方体晶体虽常见，但其表面缺陷往往导致衍射质量不稳定。更令人困扰的是，现有调控手段如多金属氧酸盐(POMs)等"分子胶水"虽能改变形态，却难以兼顾晶体分辨率的提升。这一瓶颈严重制约着蛋白质结构解析的效率，也阻碍了基于晶体形态设计的药物递送系统发展。

上海的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有丰富羟基的聚乙烯醇(PVA)。这种常见的医用高分子材料，因其能与蛋白质形成多重氢键的特性，被创新性地应用于溶菌酶结晶调控。通过系统调整PVA质量分数(2%-20%)，研究人员首次观察到晶体形态的阶梯式演变：从标准六方体到板状结构，最终形成独特的花瓣状晶体。令人振奋的是，这些形态各异的晶体均保持优异衍射能力，最高分辨率达1.93 ?。

为揭示机制，团队采用分子动力学(MD)模拟结合光谱分析，发现PVA的聚羟基结构能特异性结合溶菌酶表面极性基团。这种相互作用使蛋白质分子聚集体尺寸控制在2-37 nm范围，同时诱导显著的构象重排：α-螺旋含量下降56.89%，β-折叠增加42.78%。这种结构转变增强了晶体生长的各向异性，通过增加空间位阻促使花瓣状结构的形成。更引人注目的是，该方法在蛋白酶K结晶中也展现出普适性，获得1.72 ?的高质量晶体。

关键技术方法
研究采用动态光散射(DLS)监测蛋白质聚集状态，圆二色谱(CD)分析二级结构变化，X射线衍射(SC-XRD)评估晶体质量。分子动力学模拟使用GROMACS软件包，力场选择AMBER99SB-ILDN。对比实验还考察了聚环氧乙烷(PEO)、透明质酸(HA)等五种生物聚合物的调控效果。

主要研究结果

1. 材料与方法：建立包含PVA质量梯度(0-20%)的结晶体系，以30/50 mg·mL^-1溶菌酶为模型蛋白。
2. 结果与讨论：
   • 形态转变呈现浓度依赖性，20% PVA组形成典型花瓣状晶体
   • DLS显示PVA使蛋白质聚集体尺寸减小至37 nm以下
   • CD谱证实β-折叠增加与α-螺旋减少的构象转变
   • MD模拟揭示PVA通过改变溶酶菌表面电荷分布增强各向异性生长

结论与意义
该研究开创性地利用PVA的聚羟基特性，实现了蛋白质晶体形态的精准调控。其核心价值在于：①突破传统添加剂难以兼顾形态与分辨率的局限；②阐明聚合物-蛋白质相互作用的分子机制；③为设计药物缓释晶体载体提供新思路。正如通讯作者Xiangyang Zhang强调的，这种方法可扩展至其他生物大分子结晶，对结构解析和生物制剂开发具有双重推动作用。相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为晶体工程领域树立了新标杆。