蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白質(zhi)結晶(jing)是研(yan)究(jiu)蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白質(zhi)結構和功能的(de)關(guan)鍵手段，對理解生(sheng)物(wu)(wu)大分(fen)子作用、疾病機制及藥物(wu)(wu)開發(fa)至關(guan)重要。它(ta)涉及蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白質(zhi)分(fen)子在溶(rong)液中規則堆積形成有序晶(jing)體的(de)過(guo)程，受蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白質(zhi)純度(du)、濃度(du)、緩沖液成分(fen)等(deng)多種(zhong)因素影響(xiang)。為(wei)獲高質(zhi)量晶(jing)體，需進行(xing)樣品制備、條件篩選與優化(hua)等(deng)。蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白結晶(jing)研(yan)究(jiu)推動生(sheng)物(wu)(wu)學(xue)和醫學(xue)領域發(fa)展，支持藥物(wu)(wu)設(she)計和蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白質(zhi)工(gong)程。本文概述了蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白質(zhi)結晶(jing)的(de)制備、方法、篩選、優化(hua)等(deng)要點，為(wei)相關(guan)研(yan)究(jiu)提供參考。
一 蛋白質晶(jing)體的發(fa)展(zhan)史
蛋白(bai)質晶體的研究(jiu)始于19世紀中期，Hunefeld首先(xian)報(bao)道了血(xue)紅蛋白晶體。到了20世紀，結晶技術成為提純和研(yan)究蛋白質的重(zhong)要(yao)方法，特別是John Jacob Abel對胰島素的結晶(jing)，以及James B. Sumner對(dui)酶作(zuo)為(wei)晶體蛋白質的確認(ren)。1930年代末，蛋白質(zhi)晶體開始(shi)用X射(she)線分析，開啟了結構生(sheng)物(wu)學的新(xin)篇章。隨著遺傳(chuan)學和分子生(sheng)物(wu)學的發展，特(te)別是DNA技術(shu)的應用(yong)，蛋白質晶體的研究在1980年代后(hou)得到了極大的加速(su)和(he)變革。
二 蛋白結晶：藝術與科學的結合
盡管現代(dai)分子生(sheng)物學(xue)和晶(jing)體學(xue)的(de)進步為(wei)許多(duo)實驗提供了便(bian)捷，但蛋(dan)白質結晶(jing)仍然是一個(ge)既(ji)簡單(dan)又復雜的(de)挑戰。這(zhe)一過程結合了科學(xue)的(de)方法與藝術般(ban)的(de)直覺和創造(zao)力，然而又高度依賴經驗的(de)積(ji)累。
由于(yu)生物大分子(zi)（如(ru)蛋(dan)(dan)白質(zhi)）由大量(liang)不同原子(zi)以復雜方式組(zu)合，結(jie)晶(jing)過程中存在(zai)諸(zhu)多變量(liang)和(he)影響因素。這些(xie)因素包括蛋(dan)(dan)白質(zhi)純(chun)度(du)(du)、濃度(du)(du)、pH值、離子(zi)強度等，每一個變量都可能對結(jie)晶結(jie)果(guo)產生(sheng)顯著(zhu)影響（表1和2）。
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表1. 影響蛋白質晶(jing)體生長的(de)化學變量 |
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樣品的純度 |
基因(yin)修飾 |
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樣(yang)品(pin)的構象靈活性 |
分子的對(dui)稱性 |
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樣品的均一性 |
樣品(pin)的穩定性和變(bian)性程度(du) |
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PH值(zhi)和(he)緩(huan)沖(chong)液 |
等電點 |
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沉淀劑(ji)的類型和濃度 |
存在his標簽和其他(ta)純化(hua)標簽與否 |
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樣品的濃(nong)度 |
熱穩定(ding)性(xing) |
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添加劑、輔(fu)助因子、配體、抑(yi)制(zhi)劑、效應(ying)劑和輔(fu)料 |
PH穩定性 |
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混沌劑，如(ru)尿素、鹽酸(suan)胍、硫(liu)酸(suan)銨等 |
樣(yang)本的獲取、處理、保存等歷史過程(cheng) |
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洗(xi)滌(di)劑 |
蛋白水解 |
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金(jin)屬離子 |
微(wei)生(sheng)物污染 |
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離(li)子強度 |
樣品(pin)保存 |
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還(huan)原(yuan)劑或氧(yang)化劑 |
樣(yang)品處理及相關的清(qing)潔度 |
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樣品是來源 |
陰、陽離子類型(xing)及濃度 |
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無定形顆粒物質 |
相對過飽和(he)度 |
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翻譯后修飾 |
其(qi)他試劑的初始濃(nong)度(du)和最終濃(nong)度(du) |
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化學修飾 |
平(ping)衡(heng)的路徑和速率 |
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表2.可能或確實影(ying)響(xiang)蛋白質晶體生長(chang)的物理變量 |
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溫度 |
電(dian)磁場 |
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平衡速率 |
結晶裝置的表面 |
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結晶方法 |
試劑的粘度 |
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重力、對流和沉降 |
異質(zhi)和外延成核劑 |
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振(zhen)動(dong)和聲音(yin) |
結晶裝置的幾何形狀 |
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樣品和(he)試劑的體(ti)積 |
時間(jian) |
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壓力(li) |
試劑的介(jie)電(dian)性能 |
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結(jie)晶實(shi)驗(yan)通常從篩選開始，旨(zhi)在找到能產生晶體的(de)關(guan)鍵變量組合。然而，為(wei)了(le)獲得具(ju)有特(te)定(ding)特(te)性的(de)晶體（如用于結(jie)構生物學、純化或(huo)生物治療(liao)研究），往往需要進一步的(de)優化實(shi)驗(yan)（表3和表4）。
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表3.結(jie)晶方(fang)法-過飽和度的實現(xian) |
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氣(qi)相擴散法(fa)(Sitting, Hanging, Sandwich) |
序列提取（數據處理和分(fen)析技(ji)術） |
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分批(pi)結(jie)晶(jing)法(微分(fen)批結晶) |
pH誘導（簡(jian)單、可控） |
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透析技術 (微透析(xi)技術發揮輔助作用) |
溫度誘導（操作(zuo)簡(jian)便、成本較低，需與(yu)其他方法(fa)結合(he)使用） |
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自(zi)由界面擴散(san)(逆擴(kuo)散, 液橋) |
效應物添加(jia)(也加Silver Bullet) |
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控制蒸(zheng)發(fa) |
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表4.蛋白質結晶所用試劑 |
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鹽類 (硫酸銨、甲酸鈉、磷酸銨等) |
非揮發性有機(ji)物((±)-2-甲基(ji)-2,4-戊二醇、1,6-己二醇(chun)、甘(gan)油等) |
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聚合物 (聚乙二(er)醇、分子量范圍在(zai)200到(dao)20,000之間(jian)、乙烯亞胺、杰(jie)凡尼®等) |
緩(huan)沖液 (HEPES、Tris、醋酸鈉、MES等) |
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揮發性有機(ji)物 (2-丙(bing)醇、1,4-二氧六環、乙醇(chun)等) |
添加(jia)劑 (氯(lv)化鈣(gai)、氯(lv)化鈉、三(san)(2-羧乙基)膦(lin)、n-辛基(ji)-β-D-葡糖苷(gan)等) |
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盡管現代(dai)技術(shu)提供(gong)了豐富的(de)資(zi)源(yuan)和工具，但結(jie)晶并非僅(jin)僅(jin)是使用(yong)這些(xie)工具那么簡單。成(cheng)功的(de)結(jie)晶策略需要基于一些(xie)基本原則(ze)，正(zheng)如(ru)Alex McPherson等結晶領域的(de)先(xian)驅所(suo)提(ti)(ti)出的(de)，在進行(xing)實驗之前，考(kao)慮這些原則將(jiang)為(wei)您(nin)的(de)結晶工(gong)作提(ti)(ti)供堅實的(de)基礎(chu)。
三 蛋白結晶的關鍵要(yao)素
- 樣(yang)本：樣(yang)本的純(chun)度(du)是結晶成功(gong)的基石，需細致處(chu)理(li)以保證樣(yang)本高均一性。
- 均一性(xing)(xing)：蛋白質(zhi)樣品的化學結構和分子量的一致性(xing)(xing)對形成有序(xu)晶體至關重(zhong)要。
- 溶(rong)解(jie)度：優化樣本(ben)在緩沖液(ye)中的溶(rong)解(jie)條(tiao)件，追求單分(fen)散性，避免聚集(ji)和沉(chen)淀。
- 穩(wen)定(ding)性：確保蛋白(bai)質在結晶過程中(zhong)保持結構和功能穩(wen)定(ding)，避免(mian)變性。
- 超飽和：通(tong)過控制(zhi)超飽和度，誘導(dao)蛋(dan)白質(zhi)分子有序(xu)排列形(xing)成晶(jing)核。
- 締合：調(diao)控蛋白質分子(zi)間(jian)的有序相互作用，促進(jin)有序聚集(ji)(ji)，避免非特異(yi)性聚集(ji)(ji)。
- 成核：控(kong)制(zhi)溶液中(zhong)蛋白質初始(shi)結晶核的形成，以(yi)優化(hua)晶體數量(liang)、大小和質量(liang)。
- 多樣性(xing)：嘗試多種方法和條件(jian)來發現適合特定蛋白質的(de)結(jie)晶條件(jian)。
- 控制：精(jing)確(que)調控實(shi)驗條件和過程，確(que)保(bao)實(shi)驗結果(guo)的準確(que)性和可重(zhong)復性。
- 雜質(zhi)：保持樣(yang)品純度，減少雜質(zhi)對結晶和后續研究的干(gan)擾。
- 保存：妥善保護結晶出的(de)蛋白質(zhi)晶體，防止其受到損害(hai)，確保后續研(yan)究(jiu)的(de)可(ke)靠(kao)性。
西美杰代理的美國Hampton Research公司(si)是一家(jia)專注于(yu)蛋白質晶體研究的(de)領(ling)先生(sheng)產(chan)商，其廣泛(fan)的(de)產(chan)品組(zu)(zu)合(he)涵蓋了(le)從結(jie)(jie)晶初步篩(shai)選(xuan)到結(jie)(jie)晶優化篩(shai)選(xuan)，再到定制單組(zu)(zu)分結(jie)(jie)晶試劑和(he)結(jie)(jie)晶生(sheng)長(chang)優化試劑等(deng)全方位產(chan)品。這些產(chan)品能夠滿足不同蛋白結(jie)(jie)晶研究的(de)需求，包括普通蛋白、膜(mo)蛋白以及(ji)蛋白復合(he)體的(de)結(jie)(jie)晶。
西(xi)美杰代理的Hampton Research以其(qi)尖端的(de)生物(wu)大分子結晶(jing)(jing)技術和(he)實用豐富的(de)產品線，為全球(qiu)晶(jing)(jing)體研(yan)究人(ren)員提供了(le)全面的(de)晶(jing)(jing)體研(yan)究試劑(ji)和(he)實驗耗(hao)材。這些產品不僅(jin)極大地提升了(le)科研(yan)人(ren)員的(de)工作效(xiao)率(lv)，而且幫(bang)助他(ta)們取得了(le)卓越的(de)科研(yan)成果，Hampton Research已成為晶體(ti)研(yan)究(jiu)領域(yu)備受(shou)信賴的品(pin)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
除上述(shu)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(deng)(deng)等(deng)(deng)在內的多種結晶條(tiao)件(jian)篩選試劑(ji)盒，歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購。
Hampton Research蛋白結晶優化試劑盒
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品牌 |
貨號 |
品(pin)名 |
規格 |
簡介 |
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Hampton |
HR2-072 |
Solubility & Stability Screen |
0.5 ml, Deep Well block format |
溶解度和穩(wen)定(ding)性(xing)篩(shai)選，包含96個條件 |
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HR2-413 |
Solubility & Stability Screen 2 |
0.5 ml, Deep Well block format |
溶(rong)解度和穩(wen)定性篩選(xuan)，包含96個條(tiao)件(jian) |
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Hampton |
HR2-070 |
Slice pH |
0.5 ml, Deep Well block format |
pH篩選(xuan)試劑盒，包含(han)96個(ge)條(tiao)件 |
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Hampton |
HR2-138 |
Additive Screen |
1 ml, Deep Well block format |
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Hampton |
HR2-459 |
GRAS Additive |
1 ml, Deep Well block format |
GRAS添加劑篩選，包含(han)96個條件 |
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Hampton |
HR2-096 |
Silver Bullets |
0.50 ml, Deep Well block format |
添加(jia)劑篩選試劑盒，包含96個(ge)條件 |
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Hampton |
HR2-407 |
Detergent Screen |
0.25 ml, Deep Well block format |
洗滌劑篩選試劑盒(he)，包含96個條件(jian) |
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Hampton |
HR2-214 |
Ionic Liquid Screen |
0.5 ml, tube format |
離子液體(ti)篩選試劑盒，包(bao)含24個條(tiao)件 |
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Hampton |
HR2-241 |
StockOptions pH |
10 ml, tube format |
晶體生長(chang)篩選試(shi)劑(ji)盒，包(bao)含45個條件 |
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Hampton |
HR2-235 |
StockOptions Sodium Citrate |
10 ml, tube format |
晶體生長篩選試劑盒，包(bao)含24個條(tiao)件 |
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Hampton |
HR2-239 |
StockOptions Sodium Cacodylate |
10 ml, tube format |
晶體(ti)生長篩選試劑盒，包(bao)含24個條件 |
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Hampton |
HR2-243 |
StockOptions MES |
10 ml, tube format |
晶(jing)體生長(chang)篩(shai)選試劑(ji)盒，包含20個(ge)條件 |
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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 |
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Hampton |
HR2-102 |
StockOptions HEPES |
10 ml, tube format |
晶(jing)體生(sheng)長篩選試劑盒，包含15個條(tiao)件 |
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Hampton |
HR2-227 |
StockOptions Polymer |
10 ml, tube format |
晶體生長篩選試劑(ji)盒，包含23個條(tiao)件(jian) |
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Hampton |
HR2-245 |
StockOptions Salt |
10 ml, tube format |
晶體生長(chang)篩選試(shi)劑盒，包(bao)含49個條件 |
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HR2-073 |
CryoPro |
1 ml, tube format |
晶體冷凍保護劑(ji)篩選，包含48個條件 |
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Hampton |
HR2-501 |
50% v/v Jeffamine® M-600® pH 7.0 |
200 ml |
結晶(jing)級Jeffamine M-600用于結晶(jing)條件優化 |
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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 |
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Hampton |
HR2-527 |
50% w/v Polyethylene glycol 3,350 Monodisperse |
200 mL |
結晶級PEG 3350用于結(jie)晶條件(jian)優化 |
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Hampton |
HR2-529 |
50% w/v Polyethylene glycol 4,000 |
200 mL |
結(jie)晶級PEG 4000用于結晶條件(jian)優化(hua) |
以上試劑盒中的(de)單組分條(tiao)件可(ke)單獨訂購。除上述試劑盒外，西(xi)美杰(jie)還提供包(bao)括(kuo)Proti-Ace?、Silica Hydrogel Kit、Heavy Atom Screens、I3C Phasing Kit等(deng)多(duo)款結晶優化篩選試(shi)劑盒及試(shi)劑，歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購。
Hampton Research蛋白結晶耗材工具
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品牌(pai) |
貨(huo)號 |
品(pin)名(ming) |
規格 |
簡(jian)介 |
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HR2-320 |
Seed Bead Kit |
24 tubes with PTFE Seed Bead |
晶種制備(bei)珠(zhu) |
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Hampton |
HR3-105 |
MASTERBLOCK® 96 Deep Well polypropylene plate |
50 plate case |
96孔深孔板 |
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Hampton |
HR3-081 |
72 Well Microbatch Plate, Greiner 654102 |
untreated, hydrophobic - 270 plate case |
72孔(kong)油下結晶板(ban) |
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Hampton |
HR3-125 |
Swissci 3 Well Midi Crystallization Plate in UVP (40) |
40 plate case |
3微孔(kong)/96孔坐滴(di)板(ban) |
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Hampton |
HR3-158 |
Cryschem Plate |
24 plate case |
24孔坐滴(di)板 |
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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(li)蓋玻片 |
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Hampton |
HR3-233 |
22 mm x 0.22 mm Siliconized circle cover slides |
10.0 ounce case (~1,200 slides) |
圓形硅化(hua)玻璃蓋玻片 |
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Hampton |
HR3-609 |
Crystal Clear Sealing Film |
100 pack |
結晶(jing)板封口膜 |
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Hampton |
HR4-216 |
Crystal Crusher |
5 pack |
晶體粉碎器 |
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Hampton |
HR4-217 |
Crystal Probe |
12 pack |
一次性(xing)不銹鋼晶(jing)體針(zhen) |
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Hampton |
HR4-733 |
CrystalCap |
with Vial - 60 pack |
晶體環底(di)座 |
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Hampton |
HR4-811 |
Micro-Tools Set |
each |
晶體(ti)處理工具套裝，含8個不(bu)同形狀(zhuang)的晶體探針 |
除上(shang)述(shu)產品外，西美杰還提供各種規格結晶板(ban)、loop、微橋、密封膠，Pucks等工具耗(hao)材及整(zheng)套工具箱，幫助研(yan)究人員更快更高效的開展實驗。歡(huan)迎致電西(xi)美杰客服熱線(xian)400-050-4006咨詢(xun)訂購。
西美杰作為Hampton Research在(zai)中國的官方授權代理，致(zhi)力于為用戶提供卓越(yue)的技術(shu)支持(chi)和周到的售(shou)后服務。西美杰始終秉持(chi)“We promise what we can do. We do what we have promised”的核(he)心理念，為用戶提(ti)供(gong)優質的服務。若您想(xiang)了解(jie)更多(duo)產(chan)品信息，歡(huan)迎致(zhi)電北京(jing)西美(mei)杰全國客(ke)服熱(re)線400-050-4006或登錄(lu)官網ljxbs.cn進行(xing)查詢和(he)了(le)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.
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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.
