Nat. Prod. Rep. | 四大前沿单晶培养技术综述

期刊：Natural Product Reports

DOI：10.1039/d4np00071d

#1 前言

数据显示，1981-2019年间FDA批准的 1181 种小分子药物中，68% 直接或间接来源于天然产物。它们具有丰富的结构多样性、多手性中心特征，是探索治疗靶点与药理机制的关键研究工具，更是抗感染、抗肿瘤、神经退行性疾病等领域药物研发的重要资源基础。

但绝大多数天然产物存在含量极低、室温下呈油状/液态、难以形成满足SCXRD测试要求的高质量大尺寸单晶的问题，这成为了制约天然产物进一步研究设计与研发创新药的核心瓶颈。

#2 研究背景

 暨南大学叶文才教授、王莹教授团队联合宋建国副教授，在天然产物领域顶级期刊《Natural Product Reports》发表了题为“Advanced crystallography for structure determination of natural products”的综述。系统拆解了当前学术领域四大前沿单晶培养技术（晶体海绵法、晶体伴侣法、包封纳米液滴结晶法、微晶电子衍射法）的核心原理、关键特征与代表性应用，全面对比了各技术的优劣势与适用场景，填补了难结晶天然产物结构解析技术体系梳理的空白，为科研人员选择适配的结构解析方法提供了关键指引。

值得一提的是，这四种结晶技术的应用不止于天然产物领域的研究，在创新药研发、有机合成、食品化学、生物合成机制研究等领域亦拥有广泛的适用场景。

#3 研究内容

晶体海绵法：无需目标分子结晶，纳克级样品即可完成结构解析

晶体海绵法由藤田诚团队于2013年首次提出，是微量天然产物结构解析领域应用最成熟的技术之一。

原理：使用预制备的多孔金属有机框架（MOF，如ZnI2-tpt）作为"海绵"，有机分子通过主-客体相互作用被吸收并有序排列在孔道中，无需自身结晶即可进行X射线衍射分析。

特点：

- 样品需求量极少（纳克至微克级）

- 可确定绝对构型

- 可与HPLC/GC联用实现分离-结构测定一体化

局限性：分子量上限约428 Da；不适合强亲水性分子；需要高纯度样品。

 图1.晶体海绵用于分子结构测定的工作流程

晶体伴侣法：共结晶实现100%分子占有率，粗提物直接解析未知结构

晶体伴侣法受分子伴侣辅助蛋白结晶的思路启发，通过离散分子实体作为“晶体伴侣”与目标分子发生超分子共结晶，解决了油状、液态天然产物无法结晶的行业难题。

原理：利用离散分子实体（晶体伴侣）与目标分子通过非共价相互作用共结晶，实现100%占位率的高分辨率结构测定。

主要晶体伴侣类型：

四芳基金刚烷（TAAs）：如TEO、TBrO、TFM、TMAPA，适用于液体分子，分子量上限约338 Da

环三核配合物（CTCs）：如Ag3Pz3，适应性极强，可处理大分子和复杂形状分子

突破性应用：Ag3Pz3可直接从粗提物中结晶分离并测定结构，无需预先纯化，极大加速了天然产物发现流程。

局限性：TAAs不适合热不稳定化合物；CTCs不适合强氧化还原性分子。

 图2.基于四芳基金刚烷的晶体伴侣法。(A) TEO、TBrO、TFM和TMAPA的化学结构。(B)代表性共晶体中的分子堆积排布。

 图3.以Ag3Pz3为晶体伴侣直接解析粗提物中天然产物的结构

包封纳米液滴结晶法（ENaCt）：高通量自动化筛选，破解“无法结晶”化合物难题

包封纳米液滴结晶法（ENaCt）由Michael R. Probert团队开发，是目前有机小分子结晶条件筛选的高通量核心技术。

原理：将纳升级有机溶液封装在惰性油（如FC-40、PDMSO）纳米液滴中，通过缓慢溶剂蒸发诱导单晶生长。

特点：

- 半自动化、高通量筛选（96孔板，数百个平行实验）

- 仅需微克级样品

- 可获得真实的分子堆积和相互作用信息

局限性：需要大量条件筛选；不适合油状或液态室温分子。

 图4.高通量筛选示意图

微晶电子衍射法（MicroED）：纳米微晶即可测试，原子级分辨率解析复杂结构

微晶电子衍射法（MicroED）依托冷冻电镜平台，彻底打破了传统单晶X射线衍射对大尺寸单晶的依赖，是目前复杂天然产物结构解析最具潜力的前沿技术之一。

原理：利用冷冻电镜（CryoEM）对微/纳米晶体（<100 nm厚）进行电子衍射分析，电子束波长短、与物质作用强，可从极小晶体获得高分辨率数据。

特点：

- 可直接分析粉末样品中的微晶

- 数据收集快速（<3分钟）

- 可观察氢原子

- 能处理混合物中的不同化合物

局限性：必须有微晶；需真空条件（限制水合物研究）；设备昂贵。

 图5. 微晶电子衍射法（MicroED）解析天然产物结构

四大技术核心特征对比：精准匹配不同天然产物的解析需求

最后，文章为这四种技术提供了综合对比。

表1.适用于晶体学技术的分析物分子性质及晶体学分析所得信息

其中，液态分子适配性、大分子量（＞500 Da）化合物解析能力、混合物直接分析能力，是天然产物单晶培养与结构解析中最核心的三大痛点指标，四大技术的核心适配性差异清晰明确：

针对室温下呈油状、液态的难结晶天然产物，晶体海绵法、晶体伴侣法均能实现有效解析，而包封纳米液滴结晶法、微晶电子衍射法无法适配；

针对分子量超500 Da的复杂大尺寸天然产物，CTC型晶体伴侣法、包封纳米液滴结晶法、微晶电子衍射法均具备完整的解析能力，而晶体海绵法、TAA型晶体伴侣法受限于材料孔径与包封能力，无法实现有效解析；

针对混合物/粗提物直接解析，仅CTC型晶体伴侣法与微晶电子衍射法具备适配能力，可大幅缩短天然产物分离纯化与结构鉴定的全流程周期。