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北京西美杰科技有限公司
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蛋白結晶研究入門全攻略
2024-5-11 閱讀(1016)
蛋白質結晶是研究蛋白質結構和功能的關鍵手段，對理解生物大分子作用、疾病機制及藥物開發至關重要。它涉及蛋白質分子在溶液中規則堆積形成有序晶體的過程，受蛋白質純度、濃度、緩沖液成分等多種因素影響。為獲高質量晶體，需進行樣品制備、條件篩選與優化等。蛋白結晶研究推動生物學和醫學領域發展，支持藥物設計和蛋白質工程。本文概述了蛋白質結晶的制備、方法、篩選、優化等要點，為相關研究提供參考。
一 蛋白質晶體的發展史
蛋白質晶體的研究始于19世紀中期，Hunefeld首先報道了血紅蛋白晶體。到了20世紀，結晶技術成為提純和研究蛋白質的重要方法，特別是John Jacob Abel對胰島素的結晶，以及James B. Sumner對酶作為晶體蛋白質的確認。1930年代末，蛋白質晶體開始用X射線分析，開啟了結構生物學的新篇章。隨著遺傳學和分子生物學的發展，特別是DNA技術的應用，蛋白質晶體的研究在1980年代后得到了極大的加速和變革。
二 蛋白結晶：藝術與科學的結合
盡管現代分子生物學和晶體學的進步為許多實驗提供了便捷，但蛋白質結晶仍然是一個既簡單又復雜的挑戰。這一過程結合了科學的方法與藝術般的直覺和創造力，然而又高度依賴經驗的積累。
由于生物大分子（如蛋白質）由大量不同原子以復雜方式組合，結晶過程中存在諸多變量和影響因素。這些因素包括蛋白質純度、濃度、pH值、離子強度等，每一個變量都可能對結晶結果產生顯著影響（表1和2）。
表1. 影響蛋白質晶體生長的化學變量 | |||
樣品的純度 | 基因修飾 | ||
樣品的構象靈活性 | 分子的對稱性 | ||
樣品的均一性 | 樣品的穩定性和變性程度 | ||
PH值和緩沖液 | 等電點 | ||
沉淀劑的類型和濃度 | 存在his標簽和其他純化標簽與否 | ||
樣品的濃度 | 熱穩定性 | ||
添加劑、輔助因子、配體、抑制劑、效應劑和輔料 | PH穩定性 | ||
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 | ||
離子強度 | 樣品保存 | ||
還原劑或氧化劑 | 樣品處理及相關的清潔度 | ||
樣品是來源 | 陰、陽離子類型及濃度 | ||
無定形顆粒物質 | 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 | ||
化學修飾 | 平衡的路徑和速率 | ||
表2.可能或確實影響蛋白質晶體生長的物理變量 | |||
溫度 | 電磁場 | ||
平衡速率 | 結晶裝置的表面 | ||
結晶方法 | 試劑的粘度 | ||
重力、對流和沉降 | 異質和外延成核劑 | ||
振動和聲音 | 結晶裝置的幾何形狀 | ||
樣品和試劑的體積 | 時間 | ||
壓力 | 試劑的介電性能 | ||
結晶實驗通常從篩選開始，旨在找到能產生晶體的關鍵變量組合。然而，為了獲得具有特定特性的晶體（如用于結構生物學、純化或生物治療研究），往往需要進一步的優化實驗（表3和表4）。
表3.結晶方法-過飽和度的實現 | ||
氣相擴散法(Sitting, Hanging, Sandwich) | 序列提取（數據處理和分析技術） | |
分批結晶法(微分批結晶) | pH誘導（簡單、可控） | |
透析技術 (微透析技術發揮輔助作用) | 溫度誘導（操作簡便、成本較低，需與其他方法結合使用） | |
自由界面擴散(逆擴散, 液橋) | 效應物添加(也加Silver Bullet) | |
控制蒸發 | ||
表4.蛋白質結晶所用試劑 | ||
鹽類 (硫酸銨、甲酸鈉、磷酸銨等) | 非揮發性有機物((±)-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) | |
揮發性有機物 (2-丙醇、1,4-二氧六環、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) | |
盡管現代技術提供了豐富的資源和工具，但結晶并非僅僅是使用這些工具那么簡單。成功的結晶策略需要基于一些基本原則，正如Alex McPherson等結晶領域的先驅所提出的，在進行實驗之前，考慮這些原則將為您的結晶工作提供堅實的基礎。
三 蛋白結晶的關鍵要素
樣本：樣本的純度是結晶成功的基石，需細致處理以保證樣本高均一性。
均一性：蛋白質樣品的化學結構和分子量的一致性對形成有序晶體至關重要。
溶解度：優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。
穩定性：確保蛋白質在結晶過程中保持結構和功能穩定，避免變性。
超飽和：通過控制超飽和度，誘導蛋白質分子有序排列形成晶核。
締合：調控蛋白質分子間的有序相互作用，促進有序聚集，避免非特異性聚集。
成核：控制溶液中蛋白質初始結晶核的形成，以優化晶體數量、大小和質量。
多樣性：嘗試多種方法和條件來發現適合特定蛋白質的結晶條件。
控制：精確調控實驗條件和過程，確保實驗結果的準確性和可重復性。
雜質：保持樣品純度，減少雜質對結晶和后續研究的干擾。
保存：妥善保護結晶出的蛋白質晶體，防止其受到損害，確保后續研究的可靠性。
美國Hampton Research公司是一家專注于蛋白質晶體研究的生產商，其廣泛的產品組合涵蓋了從結晶初步篩選到結晶優化篩選，再到定制單組分結晶試劑和結晶生長優化試劑等產品。這些產品能夠滿足不同蛋白結晶研究的需求，包括普通蛋白、膜蛋白以及蛋白復合體的結晶。
Hampton Research以生物大分子結晶技術和實用豐富的產品線，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。這些產品不僅極大地提升了科研人員的工作效率，而且幫助他們取得了的眾多科研成果，Hampton Research已成為晶體研究領域備受信賴的品牌之一。
西美杰Hampton Research蛋白結晶熱銷產品
Hampton Research蛋白結晶篩選試劑盒
品牌 | 貨號 | 品名 | 規格 | 簡介 |
Hampton | HR2-144 | Index | 10 ml, tube format | 蛋白質、絡合物、多肽、核酸和水溶性小分子等多種試劑體系的經典結晶條件初篩選試劑盒，包含96個條件 |
Hampton | HR2-110 | Crystal Screen | 蛋白、可溶性多肽、核酸和水溶性小分子等多種試劑體系結晶條件初篩試劑盒，包含50個條件 | |
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晶條件初篩試劑盒，包含48個條件 |
HR2-114 | MembFac | 10 ml, tube format | 適用于膜蛋白的結晶條件初篩試劑盒，包含48個條件 | |
Hampton | HR2-116 | Natrix | 10 ml, tube format | |
Hampton | HR2-117 | Natrix 2 | 10 ml, tube format | 核酸、核酸/蛋白質復合物結晶條件初篩試劑盒，包含48個條件 |
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個條件 |
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個條件 | |
Hampton | 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個條件 |
除上述產品外，西美杰還提供包括GRAS Screen™、Grid Screen系列、Low Ionic Strength Screen、XP Screen、JBScreen Wizard等等在內的多種結晶條件篩選試劑盒。
Hampton Research蛋白結晶優化試劑盒
品牌 | 貨號 | 品名 | 規格 | 簡介 |
Hampton | HR2-072 | Solubility & Stability Screen | 0.5 ml, Deep Well block format | 溶解度和穩定性篩選，包含96個條件 |
HR2-413 | Solubility & Stability Screen 2 | 0.5 ml, Deep Well block format | 溶解度和穩定性篩選，包含96個條件 | |
Hampton | HR2-070 | Slice pH | 0.5 ml, Deep Well block format | pH篩選試劑盒，包含96個條件 |
Hampton | HR2-138 | Additive Screen | 1 ml, Deep Well block format | |
Hampton | HR2-459 | GRAS Additive | 1 ml, Deep Well block format | GRAS添加劑篩選，包含96個條件 |
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個條件 |
Hampton | HR2-241 | StockOptions pH | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含45個條件 |
Hampton | HR2-235 | StockOptions Sodium Citrate | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含24個條件 |
Hampton | HR2-239 | StockOptions Sodium Cacodylate | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含24個條件 |
Hampton | HR2-243 | StockOptions MES | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含20個條件 |
Hampton | HR2-103 | StockOptions Bis-Tris Propane | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含33個條件 |
Hampton | HR2-102 | StockOptions HEPES | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含15個條件 |
Hampton | HR2-227 | StockOptions Polymer | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含23個條件 |
Hampton | HR2-245 | StockOptions Salt | 10 ml, tube format | 晶體生長篩選試劑盒，包含49個條件 |
HR2-073 | CryoPro | 1 ml, tube format | 晶體冷凍保護劑篩選，包含48個條件 | |
Hampton | HR2-501 | 50% v/v Jeffamine® M-600® pH 7.0 | 200 ml | 結晶級Jeffamine M-600用于結晶條件優化 |
Hampton | HR2-525 | 50% w/v Polyethylene glycol 1,500 | 200 mL | 結晶級PEG 1500用于結晶條件優化 |
Hampton | HR2-527 | 50% w/v Polyethylene glycol 3,350 Monodisperse | 200 mL | 結晶級PEG 3350用于結晶條件優化 |
Hampton | HR2-529 | 50% w/v Polyethylene glycol 4,000 | 200 mL | 結晶級PEG 4000用于結晶條件優化 |
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等多款結晶優化篩選試劑盒及試劑。
Hampton Research蛋白結晶耗材工具
品牌 | 貨號 | 品名 | 規格 | 簡介 |
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 | 晶體環底座 |
Hampton | HR4-811 | Micro-Tools Set | each | 晶體處理工具套裝，含8個不同形狀的晶體探針 |
除上述產品外，西美杰還提供各種規格結晶板、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。
西美杰作為Hampton Research在中國的授權代理，致力于為用戶提供周到的技術支持和售后服務。西美杰始終秉持“We promise what we can do. We do what we have promised"的核心理念，為用戶提供優質的服務。
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.
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8 Present at the flood: How structural molecular biology came about,Dickerson,R.E.(2005).FASEB J.20,809-810.
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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.
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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.
