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蛋白質(zhì)結晶是研究蛋白質(zhì)結構和功能的關(guān)鍵手段，對理解生物大分子作用、疾病機制及藥物開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。它涉及蛋白質(zhì)分子在溶液中規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。蛋白結晶研究推動(dòng)生物學(xué)和醫學(xué)領(lǐng)域發(fā)展，支持藥物設計和蛋白質(zhì)工程。本文概述了蛋白質(zhì)結晶的制備、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世紀中期，Hunefeld首先報道了血紅蛋白晶體。到了20世紀，結晶技術(shù)成為提純和研究蛋白質(zhì)的重要方法，特別是John Jacob Abel對胰島素的結晶，以及James B. Sumner對酶作為晶體蛋白質(zhì)的確認。1930年代末，蛋白質(zhì)晶體開(kāi)始用X射線(xiàn)分析，開(kāi)啟了結構生物學(xué)的新篇章。隨著(zhù)遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展，特別是DNA技術(shù)的應用，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 蛋白結晶：藝術(shù)與科學(xué)的結合
盡管現代分子生物學(xué)和晶體學(xué)的進(jìn)步為許多實(shí)驗提供了便捷，但蛋白質(zhì)結晶仍然是一個(gè)既簡(jiǎn)單又復雜的挑戰。這一過(guò)程結合了科學(xué)的方法與藝術(shù)般的直覺(jué)和創(chuàng )造力，然而又高度依賴(lài)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雜方式組合，結晶過(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、離子強度等，每一個(gè)變量都可能對結晶結果產(chǎn)生顯著(zhù)影響（表1和2）。
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表1. 影響蛋白質(zhì)晶體生長(cháng)的化學(xué)變量 |
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樣品的純度 |
基因修飾 |
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樣品的構象靈活性 |
分子的對稱(chēng)性 |
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樣品的均一性 |
樣品的穩定性和變性程度 |
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PH值和緩沖液 |
等電點(diǎn) |
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沉淀劑的類(lèi)型和濃度 |
存在his標簽和其他純化標簽與否 |
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樣品的濃度 |
熱穩定性 |
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添加劑、輔助因子、配體、抑制劑、效應劑和輔料 |
PH穩定性 |
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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(guò)程 |
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洗滌劑 |
蛋白水解 |
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金屬離子 |
微生物污染 |
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離子強度 |
樣品保存 |
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還原劑或氧化劑 |
樣品處理及相關(guān)的清潔度 |
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樣品是來(lái)源 |
陰、陽(yáng)離子類(lèi)型及濃度 |
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無(wú)定形顆粒物質(zhì) |
相對過(guò)飽和度 |
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翻譯后修飾 |
其他試劑的初始濃度和最終濃度 |
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化學(xué)修飾 |
平衡的路徑和速率 |
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表2.可能或確實(shí)影響蛋白質(zhì)晶體生長(cháng)的物理變量 |
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溫度 |
電磁場(chǎng) |
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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(zhì)和外延成核劑 |
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振動(dòng)和聲音 |
結晶裝置的幾何形狀 |
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樣品和試劑的體積 |
時(shí)間 |
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壓力 |
試劑的介電性能 |
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結晶實(shí)驗通常從篩選開(kāi)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（如用于結構生物學(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（表3和表4）。
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表3.結晶方法-過(guò)飽和度的實(shí)現 |
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氣相擴散法(Sitting, Hanging, Sandwich) |
序列提取（數據處理和分析技術(shù)） |
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分批結晶法(微分批結晶) |
pH誘導（簡(jiǎn)單、可控） |
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透析技術(shù) (微透析技術(shù)發(fā)揮輔助作用) |
溫度誘導（操作簡(jiǎn)便、成本較低，需與其他方法結合使用） |
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自由界面擴散(逆擴散, 液橋) |
效應物添加(也加Silver Bullet) |
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控制蒸發(fā) |
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表4.蛋白質(zhì)結晶所用試劑 |
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鹽類(lèi) (硫酸銨、甲酸鈉、磷酸銨等) |
非揮發(fā)性有機物((±)-2-甲基-2,4-戊二醇、1,6-己二醇、甘油等) |
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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) |
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揮發(fā)性有機物 (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) |
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盡管現代技術(shù)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(jiǎn)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(lǐng)域的先驅所提出的，在進(jìn)行實(shí)驗之前，考慮這些原則將為您的結晶工作提供堅實(shí)的基礎。
三 蛋白結晶的關(guān)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(zhì)樣品的化學(xué)結構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。
- 穩定性：確保蛋白質(zhì)在結晶過(guò)程中保持結構和功能穩定，避免變性。
- 超飽和：通過(guò)控制超飽和度，誘導蛋白質(zhì)分子有序排列形成晶核。
- 締合：調控蛋白質(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)初始結晶核的形成，以?xún)?yōu)化晶體數量、大小和質(zhì)量。
- 多樣性：嘗試多種方法和條件來(lái)發(fā)現適合特定蛋白質(zhì)的結晶條件。
- 控制：精確調控實(shí)驗條件和過(guò)程，確保實(shí)驗結果的準確性和可重復性。
- 雜質(zhì)：保持樣品純度，減少雜質(zhì)對結晶和后續研究的干擾。
- 保存：妥善保護結晶出的蛋白質(zhì)晶體，防止其受到損害，確保后續研究的可靠性。
西美杰代理的美國Hampton Research公司是一家專(zhuān)注于蛋白質(zhì)晶體研究的領(lǐng)先生產(chǎn)商，其廣泛的產(chǎn)品組合涵蓋了從結晶初步篩選到結晶優(yōu)化篩選，再到定制單組分結晶試劑和結晶生長(cháng)優(yōu)化試劑等全方位產(chǎn)品。這些產(chǎn)品能夠滿(mǎn)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。
西美杰代理的Hampton Research以其尖端的生物大分子結晶技術(shù)和實(shí)用豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，為全球晶體研究人員提供了全面的晶體研究試劑和實(shí)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，而且幫助他們取得了卓越的科研成果，Hampton Research已成為晶體研究領(lǐng)域備受信賴(lài)的品牌之一。
西美杰Hampton Research蛋白結晶熱銷(xiāo)產(chǎn)品
Hampton Research蛋白結晶篩選試劑盒
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品牌 |
貨號 |
品名 |
規格 |
簡(jiǎn)介 |
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Hampton |
HR2-144 |
Index |
10 ml, tube format |
蛋白質(zhì)、絡(luò )合物、多肽、核酸和水溶性小分子等多種試劑體系的經(jīng)典結晶條件初篩選試劑盒，包含96個(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-116 |
Natrix |
10 ml, tube format |
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Hampton |
HR2-117 |
Natrix 2 |
10 ml, tube format |
核酸、核酸/蛋白質(zhì)復合物結晶條件初篩試劑盒，包含48個(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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等等在內的多種結晶條件篩選試劑盒，歡迎致電西美杰客服熱線(xiàn)400-050-4006咨詢(xún)訂購。
Hampton Research蛋白結晶優(yōu)化試劑盒
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品牌 |
貨號 |
品名 |
規格 |
簡(jiǎn)介 |
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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(gè)條件 |
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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(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-070 |
Slice pH |
0.5 ml, Deep Well block format |
pH篩選試劑盒，包含96個(gè)條件 |
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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96個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-096 |
Silver Bullets |
0.50 ml, Deep Well block format |
添加劑篩選試劑盒，包含96個(gè)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，包含96個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-214 |
Ionic Liquid Screen |
0.5 ml, tube format |
離子液體篩選試劑盒，包含24個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-241 |
StockOptions pH |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含45個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-235 |
StockOptions Sodium Citrate |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含24個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-239 |
StockOptions Sodium Cacodylate |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含24個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-243 |
StockOptions MES |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含20個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-103 |
StockOptions Bis-Tris Propane |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含33個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-102 |
StockOptions HEPES |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含15個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-227 |
StockOptions Polymer |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含23個(gè)條件 |
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Hampton |
HR2-245 |
StockOptions Salt |
10 ml, tube format |
晶體生長(cháng)篩選試劑盒，包含49個(gè)條件 |
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HR2-073 |
CryoPro |
1 ml, tube format |
晶體冷凍保護劑篩選，包含48個(gè)條件 |
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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(yōu)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(yōu)化 |
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Hampton |
HR2-527 |
50% w/v Polyethylene glycol 3,350 Monodisperse |
200 mL |
結晶級PEG 3350用于結晶條件優(yōu)化 |
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Hampton |
HR2-529 |
50% w/v Polyethylene glycol 4,000 |
200 mL |
結晶級PEG 4000用于結晶條件優(yōu)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(yōu)化篩選試劑盒及試劑，歡迎致電西美杰客服熱線(xiàn)400-050-4006咨詢(xún)訂購。
Hampton Research蛋白結晶耗材工具
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品牌 |
貨號 |
品名 |
規格 |
簡(jiǎn)介 |
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HR2-320 |
Seed Bead Kit |
24 tubes with PTFE Seed Bead |
晶種制備珠 |
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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孔油下結晶板 |
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Hampton |
HR3-125 |
Swissci 3 Well Midi Crystallization Plate in UVP (40) |
40 plate case |
3微孔/96孔坐滴板 |
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Hampton |
HR3-158 |
Cryschem Plate |
24 plate case |
24孔坐滴板 |
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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) |
圓形硅化玻璃蓋玻片 |
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Hampton |
HR3-609 |
Crystal Clear Sealing Film |
100 pack |
結晶板封口膜 |
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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 |
一次性不銹鋼晶體針 |
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Hampton |
HR4-733 |
CrystalCap |
with Vial - 60 pack |
晶體環(huán)底座 |
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Hampton |
HR4-811 |
Micro-Tools Set |
each |
晶體處理工具套裝，含8個(gè)不同形狀的晶體探針 |
除上述產(chǎn)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(kāi)展實(shí)驗。歡迎致電西美杰客服熱線(xiàn)400-050-4006咨詢(xún)訂購。
西美杰作為Hampton Research在中國的官方授權代理，致力于為用戶(hù)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(hù)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(xiàn)400-050-4006或登錄官網(wǎng)www.wlsfby.com進(jìn)行查詢(xún)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.
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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.
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.
京公網(wǎng)安備 11010802028692號 
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