蛋白結(jié)晶研究入門全攻略：輕松開啟生命科學(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，對理解生物大分子作用、疾病機(jī)制及藥物開發(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)晶研究推動生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展，支持藥物設(shè)計和蛋白質(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，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對胰島素的結(jié)晶，以及James B. Sumner對酶作為晶體蛋白質(zhì)的確認(rèn)。1930年代末，蛋白質(zhì)晶體開始用X射線分析，開啟了結(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)步為許多實驗提供了便捷，但蛋白質(zhì)結(jié)晶仍然是一個既簡單又復(fù)雜的挑戰(zhàn)。這一過程結(jié)合了科學(xué)的方法與藝術(shù)般的直覺和創(chuàng)造力，然而又高度依賴經(jīng)驗的積累。
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，每一個變量都可能對結(jié)晶結(jié)果產(chǎn)生顯著影響（表1和2）。
結(jié)晶實驗通常從篩選開始，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)化實驗（表3和表4）。
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)行實驗之前，考慮這些原則將為您的結(jié)晶工作提供堅實的基礎(chǔ)。
三 蛋白結(jié)晶的關(guān)鍵要素
西美杰代理的美國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驗耗材。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�，Hampton Research已成為晶體研究領(lǐng)域備受信賴的品牌之一。
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。
Hampton Research蛋白結(jié)晶優(yōu)化試劑盒
以上試劑盒中的單組分條件可單獨訂購。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。
Hampton Research蛋白結(jié)晶耗材工具
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展實驗。歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購。
西美杰作為Hampton Research在中國的官方授權(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客服熱線400-050-4006或登錄官網(wǎng)www.xmjsci.com進(jìn)行查詢和了解。
References and Readings
1.Der Chemismus in der tierescher Organization, Hunefeld, F 1. (1840)p.160.Leipzig University, Germany.
2.A brief h istory of protein crystal growth, MePherson, A. (1991). J. Cryst.Growth, 110,1-10.
3 über die Eiweisskorper verschiedenen Oelsamen, Ritthausen, H. (1880)Pfluegers Arch. 21,81-104.
4 The proteins of the Brazil nut, Osborne T.(1891). Am. Chem. J. 13,212-218.
5 Crystalline insulin., Abel, 」.J., Geiling, E. M. K., Roultier, O. A., Bell, F. M.&Wintersteiner, 0.(1927).]. Pharmacol. Exp. Ther. 31,65-85.
6 The Enzymes, Sumner, J.B.& Somers, G.F(1943). New York: Aca-demic Press.
7 Crystalline enzymes, Northrop, M., Kunitz, M. & Herriott, R. M. (1948)New York: Columbia University Press.
8 Present at the flood: How structural molecular biology came about,Dickerson,R.E.(2005).FASEB J.20,809-810.
9 Preparation and Analysis of Protein Crystals, McPherson, A.(1982)New York: lohn Wiley & Sons.
10.Current approaches to macromolecular crystallization. McPherson, A. (1990).Eur.Biochem.189,1-23.
11.Crystallization of Biological Macromolecules, McPherson, A.(1999)Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
12Introduction to protein crystallization, McPherson, A. and Gavira, J.A.(2014) Acta Crystallographica F, Volume 70, Part 1, 2-20.
13.Some Words of Advice from an Old Hand, Alexander McPherson, pages1-9, in Protein Crystallization, Second Edition, Edited by Terese Berg-fors. International University Line, 2009.
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對胰島素的結(jié)晶，以及James B. Sumner對酶作為晶體蛋白質(zhì)的確認(rèn)。1930年代末，蛋白質(zhì)晶體開始用X射線分析，開啟了結(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)步為許多實驗提供了便捷，但蛋白質(zhì)結(jié)晶仍然是一個既簡單又復(fù)雜的挑戰(zhàn)。這一過程結(jié)合了科學(xué)的方法與藝術(shù)般的直覺和創(chuàng)造力，然而又高度依賴經(jīng)驗的積累。
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，每一個變量都可能對結(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 | ||
| 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 | ||
| 樣品是來源 | 陰、陽離子類型及濃度 | ||
| 無定形顆粒物質(zhì) | 相對過飽和度 | ||
| 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.可能或確實影響蛋白質(zhì)晶體生長的物理變量 | |||
| 溫度 | 電磁場 | ||
| 平衡速率 | 結(jié)晶裝置的表面 | ||
| 結(jié)晶方法 | 試劑的粘度 | ||
| 重力、對流和沉降 | 異質(zhì)和外延成核劑 | ||
| 振動和聲音 | 結(jié)晶裝置的幾何形狀 | ||
| 樣品和試劑的體積 | 時間 | ||
| 壓力 | 試劑的介電性能 | ||
結(jié)晶實驗通常從篩選開始，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)化實驗（表3和表4）。
| 表3.結(jié)晶方法-過飽和度的實現(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)行實驗之前，考慮這些原則將為您的結(jié)晶工作提供堅實的基礎(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)晶過程中保持結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定，避免變性。
- 超飽和：通過控制超飽和度，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)控實驗條件和過程，確保實驗結(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。
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References and Readings
1.Der Chemismus in der tierescher Organization, Hunefeld, F 1. (1840)p.160.Leipzig University, Germany.
2.A brief h istory of protein crystal growth, MePherson, A. (1991). J. Cryst.Growth, 110,1-10.
3 über die Eiweisskorper verschiedenen Oelsamen, Ritthausen, H. (1880)Pfluegers Arch. 21,81-104.
4 The proteins of the Brazil nut, Osborne T.(1891). Am. Chem. J. 13,212-218.
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7 Crystalline enzymes, Northrop, M., Kunitz, M. & Herriott, R. M. (1948)New York: Columbia University Press.
8 Present at the flood: How structural molecular biology came about,Dickerson,R.E.(2005).FASEB J.20,809-810.
9 Preparation and Analysis of Protein Crystals, McPherson, A.(1982)New York: lohn Wiley & Sons.
10.Current approaches to macromolecular crystallization. McPherson, A. (1990).Eur.Biochem.189,1-23.
11.Crystallization of Biological Macromolecules, McPherson, A.(1999)Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
12Introduction to protein crystallization, McPherson, A. and Gavira, J.A.(2014) Acta Crystallographica F, Volume 70, Part 1, 2-20.
13.Some Words of Advice from an Old Hand, Alexander McPherson, pages1-9, in Protein Crystallization, Second Edition, Edited by Terese Berg-fors. International University Line, 2009.
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