蛋白结晶研究入门全攻略：轻松开启生命科学探索之旅
2024-05-11 来源:本站 点击次数:1046
蛋白质结晶是研究蛋白质结构和功能的关键手段，对理解生物大分子作用、疾病机制及药物开发至关重要。它涉及蛋白质分子在溶液中规则堆积形成有序晶体的过程，受蛋白质纯度、浓度、缓冲液成分等多种因素影响。为获高质量晶体，需进行样品制备、条件筛选与优化等。蛋白结晶研究推动生物学和医学领域发展，支持药物设计和蛋白质工程。本文概述了蛋白质结晶的制备、方法、筛选、优化等要点，为相关研究提供参考。
一 蛋白质晶体的发展史
蛋白质晶体的研究始于19世纪中期，Hunefeld首先报道了血红蛋白晶体。到了20世纪，结晶技术成为提纯和研究蛋白质的重要方法，特别是John Jacob Abel对胰岛素的结晶，以及James B. Sumner对酶作为晶体蛋白质的确认。1930年代末，蛋白质晶体开始用X射线分析，开启了结构生物学的新篇章。随着遗传学和分子生物学的发展，特别是DNA技术的应用，蛋白质晶体的研究在1980年代后得到了极大的加速和变革。
二 蛋白结晶：艺术与科学的结合
尽管现代分子生物学和晶体学的进步为许多实验提供了便捷，但蛋白质结晶仍然是一个既简单又复杂的挑战。这一过程结合了科学的方法与艺术般的直觉和创造力，然而又高度依赖经验的积累。
由于生物大分子（如蛋白质）由大量不同原子以复杂方式组合，结晶过程中存在诸多变量和影响因素。这些因素包括蛋白质纯度、浓度、pH值、离子强度等，每一个变量都可能对结晶结果产生显著影响（表1和2）。
结晶实验通常从筛选开始，旨在找到能产生晶体的关键变量组合。然而，为了获得具有特定特性的晶体（如用于结构生物学、纯化或生物治疗研究），往往需要进一步的优化实验（表3和表4）。
尽管现代技术提供了丰富的资源和工具，但结晶并非仅仅是使用这些工具那么简单。成功的结晶策略需要基于一些基本原则，正如Alex McPherson等结晶领域的先驱所提出的，在进行实验之前，考虑这些原则将为您的结晶工作提供坚实的基础。
三 蛋白结晶的关键要素
西美杰代理的美国Hampton Research公司是一家专注于蛋白质晶体研究的领先生产商，其广泛的产品组合涵盖了从结晶初步筛选到结晶优化筛选，再到定制单组分结晶试剂和结晶生长优化试剂等全方位产品。这些产品能够满足不同蛋白结晶研究的需求，包括普通蛋白、膜蛋白以及蛋白复合体的结晶。
西美杰代理的Hampton Research以其尖端的生物大分子结晶技术和实用丰富的产品线，为全球晶体研究人员提供了全面的晶体研究试剂和实验耗材。这些产品不仅极大地提升了科研人员的工作效率，而且帮助他们取得了卓越的科研成果，Hampton Research已成为晶体研究领域备受信赖的品牌之一。
除上述产品外，西美杰还提供包括GRAS Screen™、Grid Screen系列、Low Ionic Strength Screen、XP Screen、JBScreen Wizard等等在内的多种结晶条件筛选试剂盒，欢迎致电西美杰客服热线400-050-4006咨询订购。
Hampton Research蛋白结晶优化试剂盒
以上试剂盒中的单组分条件可单独订购。除上述试剂盒外，西美杰还提供包括Proti-Ace™、Silica Hydrogel Kit、Heavy Atom Screens、I3C Phasing Kit等多款结晶优化筛选试剂盒及试剂，欢迎致电西美杰客服热线400-050-4006咨询订购。
Hampton Research蛋白结晶耗材工具
除上述产品外，西美杰还提供各种规格结晶板、loop、微桥、密封胶，Pucks等工具耗材及整套工具箱，帮助研究人员更快更高效的开展实验。欢迎致电西美杰客服热线400-050-4006咨询订购。
西美杰作为Hampton Research在中国的官方授权代理，致力于为用户提供卓越的技术支持和周到的售后服务。西美杰始终秉持“We promise what we can do. We do what we have promised”的核心理念，为用户提供优质的服务。若您想了解更多产品信息，欢迎致电北京西美杰全国客服热线400-050-4006或登录官网www.xmjsci.com进行查询和了解。
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 蛋白质晶体的发展史
蛋白质晶体的研究始于19世纪中期，Hunefeld首先报道了血红蛋白晶体。到了20世纪，结晶技术成为提纯和研究蛋白质的重要方法，特别是John Jacob Abel对胰岛素的结晶，以及James B. Sumner对酶作为晶体蛋白质的确认。1930年代末，蛋白质晶体开始用X射线分析，开启了结构生物学的新篇章。随着遗传学和分子生物学的发展，特别是DNA技术的应用，蛋白质晶体的研究在1980年代后得到了极大的加速和变革。
二 蛋白结晶：艺术与科学的结合
尽管现代分子生物学和晶体学的进步为许多实验提供了便捷，但蛋白质结晶仍然是一个既简单又复杂的挑战。这一过程结合了科学的方法与艺术般的直觉和创造力，然而又高度依赖经验的积累。
由于生物大分子（如蛋白质）由大量不同原子以复杂方式组合，结晶过程中存在诸多变量和影响因素。这些因素包括蛋白质纯度、浓度、pH值、离子强度等，每一个变量都可能对结晶结果产生显著影响（表1和2）。
| 表1. 影响蛋白质晶体生长的化学变量 | |||
| 样品的纯度 | 基因修饰 | ||
| 样品的构象灵活性 | 分子的对称性 | ||
| 样品的均一性 | 样品的稳定性和变性程度 | ||
| PH值和缓冲液 | 等电点 | ||
| 沉淀剂的类型和浓度 | 存在his标签和其他纯化标签与否 | ||
| 样品的浓度 | 热稳定性 | ||
| 添加剂、辅助因子、配体、抑制剂、效应剂和辅料 | PH稳定性 | ||
| 混沌剂，如尿素、盐酸胍、硫酸铵等 | 样本的获取、处理、保存等历史过程 | ||
| 洗涤剂 | 蛋白水解 | ||
| 金属离子 | 微生物污染 | ||
| 离子强度 | 样品保存 | ||
| 还原剂或氧化剂 | 样品处理及相关的清洁度 | ||
| 样品是来源 | 阴、阳离子类型及浓度 | ||
| 无定形颗粒物质 | 相对过饱和度 | ||
| 翻译后修饰 | 其他试剂的初始浓度和最终浓度 | ||
| 化学修饰 | 平衡的路径和速率 | ||
| 表2.可能或确实影响蛋白质晶体生长的物理变量 | |||
| 温度 | 电磁场 | ||
| 平衡速率 | 结晶装置的表面 | ||
| 结晶方法 | 试剂的粘度 | ||
| 重力、对流和沉降 | 异质和外延成核剂 | ||
| 振动和声音 | 结晶装置的几何形状 | ||
| 样品和试剂的体积 | 时间 | ||
| 压力 | 试剂的介电性能 | ||
结晶实验通常从筛选开始，旨在找到能产生晶体的关键变量组合。然而，为了获得具有特定特性的晶体（如用于结构生物学、纯化或生物治疗研究），往往需要进一步的优化实验（表3和表4）。
| 表3.结晶方法-过饱和度的实现 | ||
| 气相扩散法(Sitting, Hanging, Sandwich) | 序列提取（数据处理和分析技术） | |
| 分批结晶法(微分批结晶) | pH诱导（简单、可控） | |
| 透析技术 (微透析技术发挥辅助作用) | 温度诱导（操作简便、成本较低，需与其他方法结合使用） | |
| 自由界面扩散(逆扩散, 液桥) | 效应物添加(也加Silver Bullet) | |
| 控制蒸发 | ||
| 表4.蛋白质结晶所用试剂 | ||
| 盐类 (硫酸铵、甲酸钠、磷酸铵等) | 非挥发性有机物((±)-2-甲基-2,4-戊二醇、1,6-己二醇、甘油等) | |
| 聚合物 (聚乙二醇、分子量范围在200到20,000之间、乙烯亚胺、杰凡尼®等) | 缓冲液 (HEPES、Tris、醋酸钠、MES等) | |
| 挥发性有机物 (2-丙醇、1,4-二氧六环、乙醇等) | 添加剂 (氯化钙、氯化钠、三(2-羧乙基)膦、n-辛基-β-D-葡糖苷等) | |
尽管现代技术提供了丰富的资源和工具，但结晶并非仅仅是使用这些工具那么简单。成功的结晶策略需要基于一些基本原则，正如Alex McPherson等结晶领域的先驱所提出的，在进行实验之前，考虑这些原则将为您的结晶工作提供坚实的基础。
三 蛋白结晶的关键要素
- 样本：样本的纯度是结晶成功的基石，需细致处理以保证样本高均一性。
- 均一性：蛋白质样品的化学结构和分子量的一致性对形成有序晶体至关重要。
- 溶解度：优化样本在缓冲液中的溶解条件，追求单分散性，避免聚集和沉淀。
- 稳定性：确保蛋白质在结晶过程中保持结构和功能稳定，避免变性。
- 超饱和：通过控制超饱和度，诱导蛋白质分子有序排列形成晶核。
- 缔合：调控蛋白质分子间的有序相互作用，促进有序聚集，避免非特异性聚集。
- 成核：控制溶液中蛋白质初始结晶核的形成，以优化晶体数量、大小和质量。
- 多样性：尝试多种方法和条件来发现适合特定蛋白质的结晶条件。
- 控制：精确调控实验条件和过程，确保实验结果的准确性和可重复性。
- 杂质：保持样品纯度，减少杂质对结晶和后续研究的干扰。
- 保存：妥善保护结晶出的蛋白质晶体，防止其受到损害，确保后续研究的可靠性。
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西美杰Hampton Research蛋白结晶热销产品
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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.
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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.
12Introduction to protein crystallization, McPherson, A. and Gavira, J.A.(2014) Acta Crystallographica F, Volume 70, Part 1, 2-20.
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