生物大分子热动力学相互作用分析仪

生物分子的活性功能是通过分子之间的相互作用来实现的，研究生物分子间的相互作用，可以从分子水平上了解生命现象，从而阐明生命活动的机理，发现生命的本质。大分子相互作用仪作为研究分子间相互作用的重要研究工具，在生命科学、临床医学、环境检测和药物筛选等研究中发挥了巨大作用。近年来，研究分子间相互作用的技术层出不穷，然而每一种技术都存在应用价值和局限性。小编将主流的技术流派进行汇总，以飨读者。非标记技术在分子间相互作用研究中扮演着越来越多的角色。顾名思义，非标记技术不需要通过标记荧光基团、抗体、探针等外在分子，而是通过检测物理性质（如质量、折光率、频率、分子尺寸、能量等）在分子间相互作用过程中的变化来定性定量地研究分子间相互作用。因此，非标记技术能够有效避免了荧光干扰、特异性等问题，被广泛应用于蛋白质、核酸、多肽以及小分子化合物等生物分子间相互作用的研究。目前，主流的非标记技术主要包括表面等离子共振技术和生物膜干涉技术。表面等离子共振技术提到非标记分子间相互作用检测技术，熟悉的人们首先会联想到SPR技术即表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技术。它是一种光学物理传感技术，其工作原理为当一束P偏振光以一定的角度范围内入射到棱镜端面，棱镜与金属薄膜（Au或Ag）的界面将产生表面等离子波。当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子体共振。首先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，若样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，会引起金膜表面折射率变化，最终导致SPR角变化，通过设备监测SPR的角度变化，获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等重要参数。SPR技术具有免标记、实时检测、所需样本量少、无需对样本进行复杂处理等优势，已广泛用来研究蛋白质、核酸、多肽、小分子化合物等生物分子的相互作用。1990年，瑞典Pharmacia公司与乌普萨拉大学的研究人员共同发明了全球第一台基于SPR技术的Biacore仪器，使人类第一次利用仪器就能对不同分子间的相互作用进行自动化检测。1996年，Biacore从Pharmacia公司剥离并独立运营，并于2006年被GE收购，成为GE医疗生命科学大家庭中的一员。2020年，丹纳赫集团正式完成对GE生命科学的收购，并更名为Cytiva（思拓凡）。自1990年至今，Biacore经历了30多年的发展，已成为分子互作的“金标准”和基础科研及药物开发的工具，先后推出了一系列的产品型号，从最初的Biacore 1000，到Biacore T系列，X系列以及最新的8K系列等。Biacore 8K/8K+生物分子互相作用分析系统 （点击查看）近年来，国内基于SPR技术研发的大分子相互作用仪在研发和商业化方面也取得了突破性进展，比如北京英柏生物科技有限公司利用SPR原理自主研发的MI-S200仪器，凭借其优异的性能和技术参数荣获2019年度中国分析测试协会科学技术奖BCEIA金奖。Inter-Bio 英柏表面 等离子共振检测仪MI-S200 （点击查看） 2019年，华中科技大学刘钢教授团队自主研发出一种新型纳米等离子光学传感器芯片，该芯片不需要光学耦合器件配合激发且具有更高的共振模式品质，借助这种传感器芯片后仅用常规的普通设备如光学显微镜和酶标仪等就能完成病毒表面蛋白和抗体之间结合过程的定量分析测定。生物膜干涉技术生物膜干涉（Bio-Layer Interferometry, BLI）又称生物层干涉，是一种通过检测干涉光谱的位移变化来检测传感器表面反应的技术。其工作原理为当一束可见光从光谱仪射出后，在传感器末端的光学膜层的两个界面会形成两束反射光谱，并形成一束干涉光谱。任何由分子结合或解离而形成的膜层厚度和密度变化，均能够通过干涉光谱的位移值而体现，并通过这个位移值做出实时的反应监测图谱。检测图谱示意图（图源赛多利斯官网）通过对分子结合过程的实时监测，系统会测定结合常数（ka）和解离常数（kd）以及起始结合速率，并通过拟合计算分析得到亲和力（KD）等重要数据。BLI技术具有实时分析、免标记、更高通量等优势，被广泛应用于蛋白结构靶点分析、药物研发与筛选及天然产物分析等生命科学研究领域。2020年底，BLI技术被正式收录于《美国2021版药典》1108章，这也表明BLI技术将作为药物检测标准规范，延展至更多的应用场景，推动科研和医疗健康行业的进步。ForteBio率先将BLI技术商业化， Octet分子互作分析系统凭借其高通量和简单易用的优点迅速获得了广大药物研发企业和科研工作者的青睐。后来，几经收购，目前Octet系列产品归属于赛多利斯公司，其最新产品Octet R系列，可提供2、4或8通道模式，满足不同科研需求，另外也可以升级成16或96通道，适用于工业应用。Octet R2分子互作分析系统 （点击查看） 随着科学技术发展，基于上述两种技术原理又衍生出一系列新技术，比如光栅耦合干涉技术、局域表面等离子体共振技术和新一代生物膜干涉检测技术等。近年来，基于这些新技术原理开发的仪器纷纷崭露头角，或能成为市场“黑马”。光栅耦合干涉技术光栅耦合干涉技术（Grating-Coupled Interferometry, GCI）由Creoptix AG（瑞士）开发。与传统的SPR技术相比，GCI技术巧妙的利用波导技术的原理，Creoptix WAVE产生的消逝波（evanescent field）仅在芯片表面与样品溶液接触，并且延长了其与样品相互作用的长度，以确保更低的信噪比(微量热泳动技术微量热泳动（MicroScale Thermophoresis, MST）是通过检测分子在微观温度梯度场中的运动来分析生物分子间相互作用的一种技术。将荧光检测的精准性与热泳动的灵活性及灵敏度结合起来，由红外激光建立微观温度梯度场，通过荧光染料标记、荧光融合蛋白、色氨酸自发荧光等信号追踪，分子在微观温度梯度场中的定向移动就可以被探测和量化，通过记录这个变化来计算出两个相互作用的分子之间的Kd值等重要参数。因为能够在液体环境中直接检测分子间相互作用力，MST技术成功避免了固定样品带来的使用上的局限。2010年底，德国NanoTemper公司创始人Dr. Stefan和 Dr. Philipp将MST测量生物溶液中蛋白-蛋白之间相互作用的研究成果发表在Nature杂志上，引起了很多科研人员的极大兴趣，随后NanoTemper公司基于MST技术开发的微量热泳动仪正式投入市场，并于2020年推出的新一代生物分子互作检测仪Monolith系列，提供更加简捷、快速并精准分析生物分子相互作用的分析方法。NanoTemper 新一代生物分子互作检测仪 Monolith（点击查看） 等温滴定量热技术等温滴定量热（Isothermal Titration Calorimetry, ITC）是一种是用于量化研究各种生物分子相互作用的一种技术，它可直接测量生物分子结合过程中释放或吸收的热量。ITC检测方式与化学反应中的酸碱滴定法相似，可以测定结合配偶体在自然状态下的亲和力，无需通过荧光标记或固定化技术对结合配偶体进行修饰。ITC技术通过测量结合过程中的热传递，就能够准确地确定结合常数 (KD)、反应化学量 (n)、焓 (ΔH) 、熵 (ΔS)和动力学数据（如酶促反应的Km和kcat）等重要参数。ITC技术具有快速、准确、样品用量小、对反应体系的要求不高（如对体系的透光度、浑浊度、粘滞度要求不高）等优势，被广泛应用于生物及医药等相关领域。商业化等温滴定量热仪最早出现在上世纪80年代后期，在过去的近30年中， ITC技术成为研究分子相互作用的常用方法之一。随着科学技术的发展，等温滴定量热仪将会更加灵敏、快速、易用。除此之外，还有许多基于主流技术流派开发出的一些新的分支流派，比如HORIBA scientific将等离子体共振技术、成像技术和微阵列芯片技术进行结合研发出的SPRi-OpenPlex灵活式表面等离子体共振成像系统，可以一次获取百种生物分子相互作用的信息；美国Biosensing Instrument将光学显微镜与SPR技术相结合开发的SPRm200系统，专为观察和测量细胞膜表面蛋白和其他目标分子结合亲和力及动力学常数，为分子相互作用的研究开辟了新的前沿；荷兰KEI研发的扫描角SPR技术，采用变化频率为76Hz的扫描镜改变入射光角度的方法，使光线产生4000m°的变化范围，从而提供更精确的测量结果；加拿大Affinité Instruments基于SPR原理开发出新一代非标记分子相互作用分析仪P4SPR，具有极大的便携性，且可与其它仪器（HPLC,MS等）联合使用。看到最后，相信大家对当前大分子相互作用仪的技术流派有了清晰的认识，但是心中也难免产生一丝丝疑惑，在纷繁复杂的品牌型号中，如何挑选到自己满意的大分子相互作用仪呢？敬请期待下篇——小编精选|大分子相互作用仪导购篇。(点击查看)

生物分子的活性功能是通过分子之间的相互作用来实现的，研究生物分子间的相互作用，可以从分子水平上了解生命现象，从而阐明生命活动的机理，发现生命的本质。大分子相互作用仪作为分子互作的重要研究工具，在生命科学、临床医学、食品安全、环境检测和药物筛选及相关药物动力学检测等研究中发挥了重要作用。随着检测分子间相互作用技术的迭代与创新，市面上出现了各种品牌型号的大分子相互作用仪，其技术原理主要包括表面等离子共振技术（SPR技术）、生物膜干涉技术（BLI技术）和微量热泳动技术（MST技术）等，那么如何挑选一款真正符合自己需要的大分子相互作用仪成为了一道难题，接下来，小编根据检测技术进行分类，遴选推荐一些靠谱品牌型号，以飨读者。首先是基于表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技术研发的大分子相互作用仪。1.Biacore 8K/8K+生物分子相互作用分析系统▲Biacore 8K/8K+生物分子相互作用分析系统（ 点击查看 ）Cytiva（思拓凡）公司推出的Biacore 8K/8K+生物分子相互作用分析系统正是基于SPR技术研发的，该产品能够满足化药于生物新药的高通量筛选及表征，16组检测通道，8根进样针平行分析；高灵敏度，可用于小分子量样品、超低偶联和低浓度样品的分析检测；8K可实现60小时无人值守作业，8K+可实现72小时无人值守作业；4-40℃样品仓控温，支持96/384孔板。自1990年至今，Biacore经历了30多年的发展，已成为分子互作的“金标准”和基础科研及药物开发的工具。2.HORIBA OpenPlex表面等离子体共振成像仪▲HORIBA OpenPlex 表面等离子体共振成像仪（ 点击查看 ）法国HORIBA scientific公司将等离子体共振技术、成像技术和微阵列芯片技术进行结合，研发出一次能够获取百种生物分子相互作用的信息的HORIBA OpenPlex表面等离子体共振成像仪。该产品采用阵列式检测，突破了传统通道式测量的局限，特别适用于快筛及实时成像的应用需求。此外可实时监测相互作用并获得动力学参数。 外置部件选择性灵活，可选附件包括蠕动泵、注入系统、自动脱气装置等。3.多参数表面等离子体共振分析仪 MP-SPR 220A▲多参数表面等离子体共振分析仪 MP-SPR 220A（ 点击查看 ）芬兰BioNavis公司的多参数表面等离子共振技术MP-SPR起源于芬兰国家技术研究中心，该技术技术突破了传统SPR技术的局限性，它不仅测量分子间的相互作用，而且也测高性能金属，石墨烯等材料。MP-SPR 220A可用于检测埃米至微米厚的薄层间相互作用和结构信息，并且具有附加波长的选项。4.BI-4500 表面等离子体共振仪▲BI-4500 表面等离子体共振仪（ 点击查看 ）全新的BI-4500表面等离子体激元共振(SPR)仪具有多通道流动模式，有助于对固定量低和分子量小(▲SPRm 200表面等离子体共振显微镜（ 点击查看 ）美国Biosensing Instrument公司研发的细胞原位分子互作动态分析系统SPRm 200，巧妙地将表面等离子体共振技术和光学显微镜结合为一体。SPRm200无需对观察目标进行标记，可以实时定量的进行检测，并且可同时可视化观察细胞结构和局部结合活性。此外无需提取细胞膜蛋白，即可在正常活细胞状态下观察和测量药物和膜蛋白的实时相互作用。样本容量为384*2，具有5条通道，进样体积最低为1μL。6.便携式4通道SPR仪-P4SPR▲便携式 4通道SPR仪-P4SPR（ 点击查看 ）加拿大Affinité Instruments基于SPR技术开发出新一代非标记分子相互作用分析仪P4SPR，仪器小巧，易于携带，可在用于各种户外环境中的现场检测。适用于小分子化合物、核酸、多肽、蛋白、脂类、多糖、纳米颗粒、病毒、微生物、细胞等各种样品，可4通道同时检测，实时扣除背景，自动做重复，获得可信数据。10分钟验证是否结合，并且获得亲和力和结合/解离速率，此外还可与其它仪器（HPLC,MS等）联合使用。7.Inter-Bio英柏表面等离子共振检测仪MI-S200▲Inter-Bio 英柏表面 等离子共振检测仪MI-S200（ 点击查看 ）北京英柏生物科技有限公司基于SPR技术研发的表面等离子共振检测仪MI-S200，荣获2019年度中国分析测试协会科学技术奖BCEIA金奖。MI-S200能够在各种条件下通过实时监控分子之间相互作用的全过程，从而获取结合解离动力学的过程和相关的结合解离常数等重要数据。该产品具有高灵敏度的柱面一体式传感器，自主研发的中英文控制及数据分析软件，支持个性化定制实验流程。8.表面等离子体共振仪SPR▲表面等离子体共振仪 SPR（ 点击查看 ）KEI公司成立于2012年，专注于设计并制造SPR 仪器和软件，并将其与分子间相互作用的电化学表征 (ESPR) 相结合。KEI 公司的表面等离子体共振仪SPR采用变化频率为76Hz的扫描镜改变入射光角度的方法，使光线产生4000m°的变化范围，另外配备分辨率达0.05 m°的检测器，提供更精确的测量结果。偏移角可以通过旋转手柄实现手动调节，以获得最广的动态角度范围。KEI SPR 采用开放式设计，可连接到任何其他恒电位仪/恒电流仪，同时采用进样针进样，对管道和样品无污染。其次是基于生物膜干涉（Bio-Layer Interferometry, BLI）研发的生物分子相互作用仪器。9.赛多利斯Octet® R8生物分子相互作用分析系统▲赛多利斯 Octet® R8 生物分子相互作用分析系统（点击查看）赛多利斯基于BLI技术研发的Octet® R8生物分子相互作用分析系统，在基础研究、生物制药发现与开发、药物质量控制等应用中展现更高的灵活性，并实现更广的功能性。进行定量分析，使用浸入即读TM的生物传感器提供实时的结合常数ka、解离常数kd以及亲和力常数KD。亲和力检测范围更广，从mM（毫摩尔）至pM（皮摩尔），可实现从片段、小分子、核酸、蛋白，到病毒、细菌、细胞等各类生物分子亲和力的检测。没有液流系统，不存在堵塞风险，即可即用，无需对仪器进行清洗和复杂维护，大大降低维护成本。兼容粗提样本，无需进行样品预处理（如纯化、标记等）。近年来，基于微量热泳动（MicroScale Thermophoresis, MST）技术开发的大分子相互作用仪也开始纷纷亮相。10.NanoTemper 新一代生物分子互作检测仪 Monolith▲NanoTemper 新一代生物分子互作检测仪 Monolith（ 点击查看 ）德国 NanoTemper 公司于2020年推出的新一代生物分子互作检测仪Monolith系列，提供更加简捷、快速并精准分析生物分子相互作用的分析方法。新一代Monolith系列是基于MST技术研发的新平台，能够实现24个样品的同时检测，精确的温度控制（20-40 °C +/-0.5 °C），具备灵活的检测方式，根据样品随意切换检测灵敏度，仅微量样品，即可在溶液中直接测定，无需固定，速度快，10分钟之内即可获得亲和力数据。随着科学技术发展，涌现了一系列新技术，比如光栅耦合干涉（GCI）技术、组分-梯度多角度光散射（CG-MALLS）技术和微流控扩散测量（MDS）技术等。近年来，基于这些新技术原理开发的大分子相互作用仪纷纷崭露头角，或能成为市场“黑马”。11. Creoptix分子相互作用仪 WAVE delta▲Creoptix 分子相互作用仪 WAVE delta（ 点击查看 ）Creoptix（瑞士）公司基于光栅耦合干涉技术（Grating-Coupled Interferometry , GCI）搭配微流体独特设计和Google公司研发的自动化软件研发出WAVE分子间相互检测系统，突破了SPR技术的局限性，Creoptix WAVE 系统产生的消逝波（evanescent field）仅在芯片表面与样品溶液接触，并且延长了其与样品相互作用的长度，以确保更低的信噪比(范围（流体动力学半径）0.7-20nm范围（分子量）0.5kDa-14MDa精度±10%准确度CV运行时间小分子量蛋白质和多肽-8分钟大分子蛋白质-14分钟适用缓冲液兼容纯缓冲液以及溶菌物原液试剂盒运行容量96尺寸40*40*43cm检测方式荧光适合标记物GFP,EITC，Alexa Fluor™ 488及同等产品 以上，就是小编为大家整理的大分子相互作用仪选型推荐相关内容，更多仪器，请点击进入“大分子相互作用仪”专场。 找靠谱仪器，就上仪器信息网【选仪器】栏目。它是科学仪器行业专业导购平台，旨在帮助仪器用户快速找到需要的仪器设备。栏目囊括了分析仪器、实验室设备、生命科学仪器、物性测试仪器、光学仪器及设备等14大类仪器，1000余个仪器品类。

Creoptix公司，光学生物传感器的领军企业，2022年加入马尔文帕纳科，拥有专利的光栅耦合干涉（GCI）技术，开创新一代动力学，实现了在更广泛的样品范围内提供更高质量的分子结合亲和力数据和动力学数据具备先进的GCI技术的WAVE系列分子互作分析仪，究竟能为生物开发领域带来什么样的支持呢？他和传统的分子互作技术相比又有哪些差异和优势呢？本文将针对以上问题予以解答。1关于光栅耦合干涉技术（GCI）光栅耦合干涉技术（Grating-Coupled Interferometry, GCI）是一种近年发展起来的具有极高灵敏度的基于芯片的非标记生物传感器技术，它区别于依赖荧光和免疫等标记分子的传统分子间相互作用技术。通过一次GCI实验，用户可以快速、准确、可靠的获取一整套描述分子间相互作用的信息，包括并不限于结合有无、结合特异性、描述结合强弱的亲和力KD或键合常数KA、描述结合快慢与稳定性的动力学常数（结合速率常数ka与解离速率常数kd）、样品活性浓度、分子间结合机制以及理论热力学信息（范德霍夫焓变）等。GCI技术的商业化产品是Creoptix WAVE系列（2022年初被马尔文帕纳科收购作为旗下Label-Free分子互作分析平台的一员）。 GCI技术具有高灵敏度、分析物的分子量无下限以及捕获快速解离动力学等优势，改进了基于片段的小分子筛选和动力学分析，与无堵塞的流路集成芯片配合使用，加速了药物开发的过程。图1 光栅耦合干涉技术（GCI）示意图2弱相互作用也能得到很好的数据在基于片段的筛选中发现的弱结合物通常是根据亲和力而不是动力学进行排名的，因为它们的解离速率常数kd非常快，这是传统的SPR仪器无法解决的问题。然而，由于具有超快速的流路切换时间，Creoptix WAVE系统可以提供出色的分辨率，在高达10 s-1的解离速率下仍然能够可靠地确定动力学，提供了一个多功能的片段药物筛选和分析平台。使用4PCZ WAVE芯片固定淀粉样纤维蛋白（Amyloid Fibrils），小分子硫黄素（ThT，319 Da）以4种浓度（50 mM ~ 6.25 mM）注入，拟合后显示出10 s-1左右的解离速率常数。图2 淀粉样纤维蛋白与硫黄素的结合分析下图为在PCP WAVE芯片上捕获的6-mer寡核苷酸（1.7 kDa）与其互补的ssDNA结合的传感图，拟合后显示出10 s-1左右的解离速率常数。图3 寡核苷酸与其互补的ssDNA的结合分析3创新的waveRAPID技术加快药物发现的早期阶段对于更快地将新药送到患者手中至关重要。为了满足用户需求，Creoptix推出了测量动力学的新方法。在传统的动力学实验中，分析物以不断增加的浓度被注入，每次注射的持续时间一样。然而，Creoptix创新的waveRAPID （Repeated Analyte Pulses of Increasing Duration）技术通过以不同时长注入单一浓度的分析物，不断增加在芯片表面的脉冲时间来进行动力学分析，该方法免去了浓度梯度的稀释步骤，大大减少了人为稀释误差和实验前的准备时间。图4 waveRAPID与传统动力学的方法比较用waveRAPID和传统的多循环动力学测量小分子化合物FUR（分析物）与碳酸酐酶CAII（配体）的结合。使用WAVEcontrol软件的“Direct Kinetics”分析，两种方法都能提供高度一致的结果。图5 waveRAPID与传统动力学的数据比较使用waveRAPID技术，在18小时内完成了对90个小分子的动力学分析，图中显示的结果为筛选过的具有低统计学误差的速率常数，突出展示了三种不同结合强度的相互作用的传感图和拟合图。图6 小分子药物苗头化合物的waveRAPID动力学筛选结论Conclusion通过Creoptix WAVE所提供的亲和力和动力学信息能够表征药物结合的详细动力学机制，为开发具有高选择性的药物提供了理论基础，使得未来药物设计中的计算和实验更加合理化。提高通量是药物发现过程中经常提到的需求，使用waveRAPID技术大大缩短了总测量时间，在药物发现领域得到了广泛应用。参考文献[1] Kartal O, Andres F, Lai MP, et al. waveRAPID-A Robust Assay for High-Throughput Kinetic Screens withthe Creoptix WAVEsystem. SLAS Discov. 2021 26(8): 995-1003.[2] FitzGerald EA, Butko MT, Boronat P, et al. Discovery of fragments inducing conformational effects in dynamicproteins using a second-harmonic generation biosensor. RSC Adv. 2021 11(13): 7527-7537.相关产品WAVE 分子相互作用分析仪WAVE分子相互作用分析仪拥有基于光栅耦合干涉技术（GCI）的光学生物传感器，且具有创新性的微流控技术，实现了在更广泛的样品范围内提供更高质量的分子结合亲和力数据和动力学数据，帮助药物和生物科学研究人员加快新药发现和开发的进程。与传统动力学分子互作分析技术相比具有如下优势：无需配置浓度梯度样品10倍于传统分子互作技术分析速度超高灵敏度，捕获快速动力学微流控技术，不堵塞流路点击下载产品手册马尔文帕纳科的使命是通过对材料进行化学、物性和结构分析，打造出更胜一筹的客户导向型创新解决方案和服务，从而提高效率和产生可观的经济效益。通过利用包括人工智能和预测分析在内的最近技术发展，我们能够逐步实现这一目标。这将让各个行业和组织的科学家和工程师可解决一系列难题，如最大程度地提高生产率、开发更高质量的产品，并缩短产品上市时间。