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蛋白結(jié)晶研究入門全攻略：輕松開(kāi)啟生命科學(xué)探索之旅

蛋白質(zhì)結(jié)晶是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵手段，對(duì)理解生物大分子作用、疾病機(jī)制及藥物開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。它涉及蛋白質(zhì)分子在溶液中規(guī)則堆積形成有序晶體的過(guò)程，受蛋白質(zhì)純度、濃度、緩沖液成分等多種因素影響。為獲高質(zhì)量晶體，需進(jìn)行樣品制備、條件篩選與優(yōu)化等。蛋白結(jié)晶研究推動(dòng)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展，支持藥物設(shè)計(jì)和蛋白質(zhì)工程。本文概述了蛋白質(zhì)結(jié)晶的制備、方法、篩選、優(yōu)化等要點(diǎn)，為相關(guān)研究提供參考。

一蛋白質(zhì)晶體的發(fā)展史

蛋白質(zhì)晶體的研究始于19世紀(jì)中期，Hunefeld首先報(bào)道了血紅蛋白晶體。到了20世紀(jì)，結(jié)晶技術(shù)成為提純和研究蛋白質(zhì)的重要方法，特別是John Jacob Abel對(duì)胰島素的結(jié)晶，以及James B. Sumner對(duì)酶作為晶體蛋白質(zhì)的確認(rèn)。1930年代末，蛋白質(zhì)晶體開(kāi)始用X射線分析，開(kāi)啟了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新篇章。隨著遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展，特別是DNA技術(shù)的應(yīng)用，蛋白質(zhì)晶體的研究在1980年代后得到了極大的加速和變革。

二 蛋白結(jié)晶：藝術(shù)與科學(xué)的結(jié)合

盡管現(xiàn)代分子生物學(xué)和晶體學(xué)的進(jìn)步為許多實(shí)驗(yàn)提供了便捷，但蛋白質(zhì)結(jié)晶仍然是一個(gè)既簡(jiǎn)單又復(fù)雜的挑戰(zhàn)。這一過(guò)程結(jié)合了科學(xué)的方法與藝術(shù)般的直覺(jué)和創(chuàng)造力，然而又高度依賴經(jīng)驗(yàn)的積累。

由于生物大分子（如蛋白質(zhì)）由大量不同原子以復(fù)雜方式組合，結(jié)晶過(guò)程中存在諸多變量和影響因素。這些因素包括蛋白質(zhì)純度、濃度、pH值、離子強(qiáng)度等，每一個(gè)變量都可能對(duì)結(jié)晶結(jié)果產(chǎn)生顯著影響（表1和2）。

表1. 影響蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)的化學(xué)變量
樣品的純度	基因修飾
樣品的構(gòu)象靈活性	分子的對(duì)稱性
樣品的均一性	樣品的穩(wěn)定性和變性程度
PH值和緩沖液	等電點(diǎn)
沉淀劑的類型和濃度	存在his標(biāo)簽和其他純化標(biāo)簽與否
樣品的濃度	熱穩(wěn)定性
添加劑、輔助因子、配體、抑制劑、效應(yīng)劑和輔料	PH穩(wěn)定性
混沌劑，如尿素、鹽酸胍、硫酸銨等	樣本的獲取、處理、保存等歷史過(guò)程
洗滌劑	蛋白水解
金屬離子	微生物污染
離子強(qiáng)度	樣品保存
還原劑或氧化劑	樣品處理及相關(guān)的清潔度
樣品是來(lái)源	陰、陽(yáng)離子類型及濃度
無(wú)定形顆粒物質(zhì)	相對(duì)過(guò)飽和度
翻譯后修飾	其他試劑的初始濃度和最終濃度
化學(xué)修飾	平衡的路徑和速率
表2.可能或確實(shí)影響蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)的物理變量
溫度		電磁場(chǎng)
平衡速率		結(jié)晶裝置的表面
結(jié)晶方法		試劑的粘度
重力、對(duì)流和沉降		異質(zhì)和外延成核劑
振動(dòng)和聲音		結(jié)晶裝置的幾何形狀
樣品和試劑的體積		時(shí)間
壓力		試劑的介電性能

結(jié)晶實(shí)驗(yàn)通常從篩選開(kāi)始，旨在找到能產(chǎn)生晶體的關(guān)鍵變量組合。然而，為了獲得具有特定特性的晶體（如用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)、純化或生物治療研究），往往需要進(jìn)一步的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)（表3和表4）。

表3.結(jié)晶方法-過(guò)飽和度的實(shí)現(xiàn)
氣相擴(kuò)散法(Sitting, Hanging, Sandwich)		序列提?。〝?shù)據(jù)處理和分析技術(shù)）
分批結(jié)晶法(微分批結(jié)晶)		pH誘導(dǎo)（簡(jiǎn)單、可控）
透析技術(shù) (微透析技術(shù)發(fā)揮輔助作用)		溫度誘導(dǎo)（操作簡(jiǎn)便、成本較低，需與其他方法結(jié)合使用）
自由界面擴(kuò)散(逆擴(kuò)散, 液橋)		效應(yīng)物添加(也加Silver Bullet)
控制蒸發(fā)
表4.蛋白質(zhì)結(jié)晶所用試劑
鹽類 (硫酸銨、甲酸鈉、磷酸銨等)	非揮發(fā)性有機(jī)物((±)-2-甲基-2,4-戊二醇、1,6-己二醇、甘油等)
聚合物 (聚乙二醇、分子量范圍在200到20,000之間、乙烯亞胺、杰凡尼^®等)	緩沖液 (HEPES、Tris、醋酸鈉、MES等)
揮發(fā)性有機(jī)物 (2-丙醇、1,4-二氧六環(huán)、乙醇等)	添加劑 (氯化鈣、氯化鈉、三(2-羧乙基)膦、n-辛基-β-D-葡糖苷等)

盡管現(xiàn)代技術(shù)提供了豐富的資源和工具，但結(jié)晶并非僅僅是使用這些工具那么簡(jiǎn)單。成功的結(jié)晶策略需要基于一些基本原則，正如Alex McPherson等結(jié)晶領(lǐng)域的先驅(qū)所提出的，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，考慮這些原則將為您的結(jié)晶工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三 蛋白結(jié)晶的關(guān)鍵要素

樣本：樣本的純度是結(jié)晶成功的基石，需細(xì)致處理以保證樣本高均一性。
均一性：蛋白質(zhì)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子量的一致性對(duì)形成有序晶體至關(guān)重要。
溶解度：優(yōu)化樣本在緩沖液中的溶解條件，追求單分散性，避免聚集和沉淀。
穩(wěn)定性：確保蛋白質(zhì)在結(jié)晶過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定，避免變性。
超飽和：通過(guò)控制超飽和度，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分子有序排列形成晶核。
締合：調(diào)控蛋白質(zhì)分子間的有序相互作用，促進(jìn)有序聚集，避免非特異性聚集。
成核：控制溶液中蛋白質(zhì)初始結(jié)晶核的形成，以優(yōu)化晶體數(shù)量、大小和質(zhì)量。
多樣性：嘗試多種方法和條件來(lái)發(fā)現(xiàn)適合特定蛋白質(zhì)的結(jié)晶條件。
控制：精確調(diào)控實(shí)驗(yàn)條件和過(guò)程，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。
雜質(zhì)：保持樣品純度，減少雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶和后續(xù)研究的干擾。
保存：妥善保護(hù)結(jié)晶出的蛋白質(zhì)晶體，防止其受到損害，確保后續(xù)研究的可靠性。

西美杰代理的美國(guó)Hampton Research公司是一家專注于蛋白質(zhì)晶體研究的領(lǐng)先生產(chǎn)商，其廣泛的產(chǎn)品組合涵蓋了從結(jié)晶初步篩選到結(jié)晶優(yōu)化篩選，再到定制單組分結(jié)晶試劑和結(jié)晶生長(zhǎng)優(yōu)化試劑等全方位產(chǎn)品。這些產(chǎn)品能夠滿足不同蛋白結(jié)晶研究的需求，包括普通蛋白、膜蛋白以及蛋白復(fù)合體的結(jié)晶。

西美杰代理的Hampton Research以其尖端的生物大分子結(jié)晶技術(shù)和實(shí)用豐富的產(chǎn)品線，為全球晶體研究人員提供了全面的晶體研究試劑和實(shí)驗(yàn)耗材。這些產(chǎn)品不僅極大地提升了科研人員的工作效率，而且?guī)椭麄內(nèi)〉昧俗吭降目蒲谐晒?/span>Hampton Research已成為晶體研究領(lǐng)域備受信賴的品牌之一。

西美杰Hampton Research蛋白結(jié)晶熱銷產(chǎn)品

Hampton Research蛋白結(jié)晶篩選試劑盒

品牌	貨號(hào)	品名	規(guī)格	簡(jiǎn)介
Hampton	HR2-144	Index	10 ml, tube format	蛋白質(zhì)、絡(luò)合物、多肽、核酸和水溶性小分子等多種試劑體系的經(jīng)典結(jié)晶條件初篩選試劑盒，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-110	Crystal Screen	10 ml, tube format	蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多種試劑體系結(jié)晶條件初篩試劑盒，包含50個(gè)條件
Hampton	HR2-112	Crystal Screen 2	10 ml, tube format	蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多種試劑體系結(jié)晶條件初篩試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-114	MembFac	10 ml, tube format	適用于膜蛋白的結(jié)晶條件初篩試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-116	Natrix	10 ml, tube format	核酸、核酸/蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)晶條件初篩試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-117	Natrix 2	10 ml, tube format	核酸、核酸/蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)晶條件初篩試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-082	PEGRx 1	10 ml, tube format	聚合物和pH條件初篩與二次篩選試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-084	PEGRx 2	10 ml, tube format	聚合物和pH條件初篩與二次篩選試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-126	PEG/Ion Screen	10 ml, tube format	聚合物、鹽和pH條件初篩與二次篩選試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-098	PEG/Ion 2 Screen	10 ml, tube format	聚合物、鹽和pH條件初篩與二次篩選試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-107	SaltRx 1	10 ml, tube format	鹽和pH條件初篩與二次篩選試劑盒，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-109	SaltRx 2	10 ml, tube format	鹽和pH條件初篩與二次篩選試劑盒，包含48個(gè)條件

除上述產(chǎn)品外，西美杰還提供包括GRAS Screen?、Grid Screen系列、Low Ionic Strength Screen、XP Screen、JBScreen Wizard等等在內(nèi)的多種結(jié)晶條件篩選試劑盒，歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購(gòu)。

Hampton Research蛋白結(jié)晶優(yōu)化試劑盒

品牌	貨號(hào)	品名	規(guī)格	簡(jiǎn)介
Hampton	HR2-072	Solubility & Stability Screen	0.5 ml, Deep Well block format	溶解度和穩(wěn)定性篩選，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-413	Solubility & Stability Screen 2	0.5 ml, Deep Well block format	溶解度和穩(wěn)定性篩選，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-070	Slice pH	0.5 ml, Deep Well block format	pH篩選試劑盒，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-138	Additive Screen	1 ml, Deep Well block format	添加劑篩選試劑盒，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-459	GRAS Additive	1 ml, Deep Well block format	GRAS添加劑篩選，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-096	Silver Bullets	0.50 ml, Deep Well block format	添加劑篩選試劑盒，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-407	Detergent Screen	0.25 ml, Deep Well block format	洗滌劑篩選試劑盒，包含96個(gè)條件
Hampton	HR2-214	Ionic Liquid Screen	0.5 ml, tube format	離子液體篩選試劑盒，包含24個(gè)條件
Hampton	HR2-241	StockOptions pH	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含45個(gè)條件
Hampton	HR2-235	StockOptions Sodium Citrate	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含24個(gè)條件
Hampton	HR2-239	StockOptions Sodium Cacodylate	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含24個(gè)條件
Hampton	HR2-243	StockOptions MES	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含20個(gè)條件
Hampton	HR2-103	StockOptions Bis-Tris Propane	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含33個(gè)條件
Hampton	HR2-102	StockOptions HEPES	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含15個(gè)條件
Hampton	HR2-227	StockOptions Polymer	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含23個(gè)條件
Hampton	HR2-245	StockOptions Salt	10 ml, tube format	晶體生長(zhǎng)篩選試劑盒，包含49個(gè)條件
Hampton	HR2-073	CryoPro	1 ml, tube format	晶體冷凍保護(hù)劑篩選，包含48個(gè)條件
Hampton	HR2-501	50% v/v Jeffamine^® M-600^® pH 7.0	200 ml	結(jié)晶級(jí)Jeffamine M-600用于結(jié)晶條件優(yōu)化
Hampton	HR2-525	50% w/v Polyethylene glycol 1,500	200 mL	結(jié)晶級(jí)PEG 1500用于結(jié)晶條件優(yōu)化
Hampton	HR2-527	50% w/v Polyethylene glycol 3,350 Monodisperse	200 mL	結(jié)晶級(jí)PEG 3350用于結(jié)晶條件優(yōu)化
Hampton	HR2-529	50% w/v Polyethylene glycol 4,000	200 mL	結(jié)晶級(jí)PEG 4000用于結(jié)晶條件優(yōu)化

以上試劑盒中的單組分條件可單獨(dú)訂購(gòu)。除上述試劑盒外，西美杰還提供包括Proti-Ace?、Silica Hydrogel Kit、Heavy Atom Screens、I3C Phasing Kit等多款結(jié)晶優(yōu)化篩選試劑盒及試劑，歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購(gòu)。

Hampton Research蛋白結(jié)晶耗材工具

品牌	貨號(hào)	品名	規(guī)格	簡(jiǎn)介
Hampton	HR2-320	Seed Bead Kit	24 tubes with PTFE Seed Bead	晶種制備珠
Hampton	HR3-105	MASTERBLOCK® 96 Deep Well polypropylene plate	50 plate case	96孔深孔板
Hampton	HR3-081	72 Well Microbatch Plate, Greiner 654102	untreated, hydrophobic - 270 plate case	72孔油下結(jié)晶板
Hampton	HR3-125	Swissci 3 Well Midi Crystallization Plate in UVP (40)	40 plate case	3微孔/96孔坐滴板
Hampton	HR3-158	Cryschem Plate	24 plate case	24孔坐滴板
Hampton	HR3-231	22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides	1.0 ounce pack (~120 slides)	圓形硅化玻璃蓋玻片
Hampton	HR3-233	22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides	10.0 ounce case (~1,200 slides)	圓形硅化玻璃蓋玻片
Hampton	HR3-609	Crystal Clear Sealing Film	100 pack	結(jié)晶板封口膜
Hampton	HR4-216	Crystal Crusher	5 pack	晶體粉碎器
Hampton	HR4-217	Crystal Probe	12 pack	一次性不銹鋼晶體針
Hampton	HR4-733	CrystalCap	with Vial - 60 pack	晶體環(huán)底座
Hampton	HR4-811	Micro-Tools Set	each	晶體處理工具套裝，含8個(gè)不同形狀的晶體探針

除上述產(chǎn)品外，西美杰還提供各種規(guī)格結(jié)晶板、loop、微橋、密封膠，Pucks等工具耗材及整套工具箱，幫助研究人員更快更高效的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購(gòu)。

西美杰作為Hampton Research在中國(guó)的官方授權(quán)代理，致力于為用戶提供卓越的技術(shù)支持和周到的售后服務(wù)。西美杰始終秉持“We promise what we can do. We do what we have promised”的核心理念，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。若您想了解更多產(chǎn)品信息，歡迎致電北京西美杰全國(guó)客服熱線400-050-4006或登錄官網(wǎng)m.rlj.org.cn進(jìn)行查詢和了解。

References and Readings

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