蛋白結(jié)晶研究入門全攻略

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(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）。

結(jié)晶實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（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(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。

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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.

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.