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(fā)至關重要。它涉及蛋白質分子在溶液中規(guī)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(yōu)化等。蛋白結晶研究推動生物學和醫(yī)學領域發(fā)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(yōu)化等要點，為相關研究提供參考。
一 蛋白質晶體的發(fā)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(fā)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(xiàn)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(zhàn)。這一過程結合了科學的方法與藝術般的直覺和創(chuàng)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）。
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表1. 影響蛋白質晶體生長的化學變量 |
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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 |
分子的對稱性 |
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樣品的均一性 |
樣品的穩(wěn)定性和變性程度 |
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PH值和緩沖液 |
等電點 |
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沉淀劑的類型和濃度 |
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(wěn)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(wěn)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 |
樣品處理及相關的清潔度 |
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樣品是來源 |
陰、陽離子類型及濃度 |
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無定形顆粒物質 |
相對過飽和度 |
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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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化學修飾 |
平衡的路徑和速率 |
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表2.可能或確實影響蛋白質晶體生長的物理變量 |
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溫度 |
電磁場 |
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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 |
異質和外延成核劑 |
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振動和聲音 |
結晶裝置的幾何形狀 |
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樣品和試劑的體積 |
時間 |
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壓力 |
試劑的介電性能 |
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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(yōu)化實驗（表3和表4）。
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表3.結晶方法-過飽和度的實現(xiàn) |
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氣相擴散法(Sitting, Hanging, Sandwich) |
序列提?。〝?shù)據處理和分析技術） |
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分批結晶法(微分批結晶) |
pH誘導（簡單、可控） |
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透析技術 (微透析技術發(fā)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） |
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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(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(xiàn)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(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：確保蛋白質在結晶過程中保持結構和功能穩(wěn)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(yōu)化晶體數(shù)量、大小和質量。
- 多樣性：嘗試多種方法和條件來發(fā)現(xiàn)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(xù)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(xù)研究的可靠性。
西美杰代理的美國Hampton Research公司是一家專注于蛋白質晶體研究的領先生產商，其廣泛的產品組合涵蓋了從結晶初步篩選到結晶優(yōu)化篩選，再到定制單組分結晶試劑和結晶生長優(yōu)化試劑等全方位產品。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。
西美杰代理的Hampton Research以其尖端的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?guī)椭麄內〉昧俗吭降目蒲谐晒?/span>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
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品牌 |
貨號 |
品名 |
規(guī)格 |
簡介 |
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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 |
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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/蛋白質復合物結晶條件初篩試劑盒，包含48個條件 |
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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，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(yōu)化試劑盒
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品牌 |
貨號 |
品名 |
規(guī)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(wěn)定性篩選，包含96個條件 |
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HR2-413 |
Solubility & Stability Screen 2 |
0.5 ml, Deep Well block format |
溶解度和穩(wěn)定性篩選，包含96個條件 |
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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個條件 |
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Hampton |
HR2-241 |
StockOptions pH |
10 ml, tube format |
晶體生長篩選試劑盒，包含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，包含24個條件 |
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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 |
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Hampton |
HR2-243 |
StockOptions MES |
10 ml, tube format |
晶體生長篩選試劑盒，包含20個條件 |
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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 |
晶體生長篩選試劑盒，包含15個條件 |
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Hampton |
HR2-227 |
StockOptions Polymer |
10 ml, tube format |
晶體生長篩選試劑盒，包含23個條件 |
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Hampton |
HR2-245 |
StockOptions Salt |
10 ml, tube format |
晶體生長篩選試劑盒，包含49個條件 |
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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400-050-4006咨詢訂購。
Hampton Research蛋白結晶耗材工具
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品牌 |
貨號 |
品名 |
規(guī)格 |
簡介 |
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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個不同形狀的晶體探針 |
除上述產品外，西美杰還提供各種規(guī)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。歡迎致電西美杰客服熱線400-050-4006咨詢訂購。
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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.
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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.
京公網安備 11010802028692號 
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