ır.

Doğal bir proteinin laboratuvar uygulamaları için yeterince saf olarak elde edilebilmesi için bir seri saflaştırma aşamasından geçmesi gerekebilir. Bu süreci basitleştirmek için çoğu zaman genetik mühendislik kullanılarak proteinin yapı ve etkinliğine etki etmeden saflaştırılmasını kolaylaştıracak kimyasal özellikler eklenir. Belli bir amino asit dizisinden oluşan bir işaret ("tag"), çoğu zaman bir seri histidin kalıntısı ("His-tag"), proteinin bir ucuna eklenir. Bunun sonucunda, nikel içeren bir kromatografi kolonundan lizat geçirilince histidin kalıntıları nikele bağlanır ve kolonda tutulur, lizattaki işaretlenmemiş diğer her şey kolondan geçip gider.

Proteinlerin "in vivo" araştırılmalarında hücre içinde sentez ve yerleşimine (lokalizasyonuna) bakılır. Çoğu hücre içi protein sitoplamada sentezlenir, çoğu membran proteini veya salgılanan protein protein isie endoplazmik retikulumda sentezlenir. Ancak, proteinlerin sentezlendikten sonra belli organellere veya hücre içi yapılara nasıl yollandıklarının ayrıntıları çoğu zaman bir araştırma konusu olur. Hücresel yerleşimi belirlemek için kullanılan faydalı bir teknik, genetik mühendislikle ilgilenilen protein flüoresan bir protein ("Green Fluorescent Protein", GFP) ile birleştirerek bir füzyon protein oluşturulmasıdır. Füzyon proteinin hücre içindeki yeri, mikroskop kullanarak kolayca ve açık bir şekilde görüntülenebilir, bunun örnekleri yandaki şekilde görülebilir.

Yönlendirilmiş mutagenez ("site-directed mutagenesis") olarak bilinen bir diğer genetik mühendislik yöntemi ile proteinin dizisi ve dolayısıyla onun yapısı, hücresel yerleşimi ve düzenlenmesi değiştirilebilir. Değiştirilmiş protein "in vivo" olarak GFP işaretlemesi ile, "in vitro" ise enzim kinetik ve bağlanma ölçümleri ile izlenebilir.

Bir hücre veya hücre tipinde bulunan proteinlerin tamamına onun proteomu ade verilir, bu tür büyük boyutlu veri kümelerinin araştırılması da proteomik sahasının konusudur (bu dalın ismi ilgili bir saha olan genomikten türetilmiştir). Proteomikte kullanılan anahtar teknikler arasında protein mikrodizilimleri ("protein microarray") ve iki-hibrit taraması sayılabilir. Protein mikrodizilimleri hücredeki çok sayıda proteinin seviyelerinin belirlenmesini, iki-hibrit taraması ise protein-protein etkileşimlerinin sistematik olarak incelenmesini sağlar. Olası biyolojik etkileşimlerin tümüne interaktom ("interactome") adı verilir. Mevcut olan her protein katlamasına sahip olan proteinlerin yapılarının sistematik olarak çözme girişimine yapısal genomik adı verilmiştir.

Çeşitli organizmalara ait genomik ve proteomik veriler sayesinde araştırmacılar evimsel olarak birbirine uzak canlılarda bulunan homolog proteinleri dizi hizalaması ("sequence alignment") ile verimli bir şekilde tanımlayabilmektedirler. Dizi profilleme programları ile nükleotit dizilerinde restriksiyon enzimi haritaları, açık okuma çerçevesi ("open reading frame") analizleri, protein dizilerinden ikincil yapı tahminleri gibi analizler yapılabilir. Bu verilerden ilogenetik ağaçlar inşa edilebilir ve ClustalW gibi özel yazılımlar kullanarak modern canlılar ve genlerinin ataları hakkında evrimsel hipotezler geliştirilebilir. Biyoenformatik sahası genomik ve proteomik verileri birleştirerek, anlamlandırmak ve analiz eder. Bu yolla biyolojik problemlere gen bulma ve kladistik gibi bilişsel teknikler uygular.

Yapısal genomik sahasını tamamlayıcı bir yaklaşım olarak protein yapı tahmini, yapısı çözülmemiş proteinler için makul modeller geliştirmeyi amaçlar. Yapı tahmininin en başarılı tipi olan homoloji modellemesi, modellenecek proteine dizin benzerliği olan "şablon" bir yapıya dayanır. Yapısal genomiğin amacı çözülmüş yapılar arasında yeterince çeşitlilik elde edip geri kalanları modellemektir. Mevcut şablon yapılar modelenecek proteine uzaktan ilişkili olduğu durumlarda güvenilir modeller üretmek zordur. Bu sorunun çüzümü dizin hızalamasının en doğru şekilde yapılmasından geçmesi gerektiği öne sürülmüştür. Yapı tahmin yöntemleri yeni bir saha olarak gelişmekte olan protein mühendisliğine yol göstermektedir, bu yolla yeni protein katlamaları tasarlanabilmiştir. Moleküler yanaşma ("molecular docking") ve protein protein etkileşimleri gibi moleküller arası etkileşimlerin tahmini bu sahada çözülmeye çalışılan daha karmaşık bir problemlerdendir.

Protein katlanması ve bağlanma süreci moleküler dinamik teknikleri ile simüle edilebilir. Moleküler dinamik yöntemlerle kuantum mekanik hesaplamalarının birleştirilmesi yoluyla da proteinlerin elektronik yapıları incelenmektedir.

Çoğu mikroorganizma ve bitki standart amino asitlerin 20'sini de sentezleyebilmesine karşın hayvanlar bazı amino asitleri diyetlerinden elde etmek zorundadırlar. Bazı amino asitlerin sentezlendiği biyosentetik yollarda yer alan anahtar enzimler, örneğin aspartattan başlayarak lizin, metionin ve treonin sentezinin ilk adımını katalizleyen aspartokinaz, hayvanlarda yoktur. Bir organizmanın sentezleyemediği amino asitler esansiyel amino asitler olarak bilinir (bu terim sıkça insanlar için gerekli olanları kastetmek için kullanılır). Eğer bir amino asit ortamda mevcutsa çoğu canlı enerji tasarufu için biyosentetik yolu durdurarak amino asiti ortamdan içine alır. Laboratuvarda bakteriler çoğu zaman belli amino asitleri sentezlemek için gereken genlerden yoksun bırakılarak seçilebilir bir işaret ("selectable marker") yaratılır. Bu yolla hücre içine yabancı DNA sokmanın (transfeksiyon) başarısı belirlenebilir.

Hayvanlarda amino asitler protein içeren besinlerin tüketilmesi yoluyla elde edilir. Yenen proteinler sindirim yoluyla parçalanırlar, bu süreç zarfında protein önce mide asitlerinin etkisiyle doğal yapısı bozulur (denatüre olur) ve ardından proteaz olarak adlandırılan enzimler tarafından yıkıma uğrar. Esansiyel amino asitlerin vücuda alınması canlının sağlığı için çok önemlidir çünkü bu amino asitleri içeren proteinlerin sentezi onların düşük konsantrasyonda olmaları halinde ketlenir (inhibe olur). Amino asitler önemli bir azot kaynağıdır. Vücuda alınan bazı amino asitler, özellikle esansiyel olmayanlar, protein sentezi için doğrudan kullanılmazlar. Onun yerine glukoneogenez yoluyla karbonhidratlara dönüşürler. Glukoneogenez açlık durumunda vücudun kendi proteinlerinden, özelikle kas proteinlerinden, glikoz elde edilmesinde de kullanılır. Protein için gerekli amino asitler; peynir, süt, et gibi hayvansal gıdalardan alınabileceği gibi mercimek, baklagiller, buğday gluteni, tam tahıl, tohumlar (ör: susam/tahin) ve tofu gibi bitkisel besinlerden yeterli miktarda alınabilir.

Proteinlerin ayrı bir sınıf biyolojik molekül olduğu On sekizinci yüzyılda Antoine Fourcroy ve diğerleri tarafından fark edilmiştir. Bu sınıftaki maddeler ("albüminoid", "Eiweisskörper", veya "matières albuminoides" olarak adlandırılmışlardı) asit veya ısının etkisiyle pıhtılaşma veya topaklanma özellikleriyle tanınmışlardı. 19 yy. başlarında bunların iyi bilinen örnekleri yumurta beyazında bulunan albümen, serum albümini, fibrin ve buğday gluteniydi. Yumurta beyazının pişmesi ile sütün kesilmesi arasındaki benzerlik eski çağlarda da fark edilmişti, örneğin yumurta beyazı için albümen adı Yaşlı Plinius tarafından yumurta beyazı anlamına gelen Latince "albus ovi" 'den türetilmişti.

Jöns Jakob Berzelius'un tavsiyesi üzerine Hollandalı kimyager Gerhardus Johannes Mulder yaygın hayvan ve bitki proteinleri üzerinde element analizi yapmıştır. Herkesi şaşırtan bir sonuç, tüm proteinlerin yaklaşık aynı empirik formüle sahip olduklarıydı: birkaç fosfor ve kükürt atomunun yanı sıra yaklaşık olarak CHNO. Mulder sonuçlarını 1837 ve 1838 tarihlerinde iki makale olarak yayınladı ve "Grundstoff" olarak adlandırdığı bir temel protein maddesi olduğunu, bunun bitkiler tarafından sentezlendiği, hayvanların da onu sindirim yoluyla elde ettiğini hipotezledi. Berzelius bu teorinin ilk savunucularındandı ve 10 Temmuz 1838 tarihli bir mektupta bu madde için "protein" adını önerdi:

Mulder protein yıkımı sonucu ortaya çıkan amino asitleri tanımlamaya girişmiş, lösin için (yaklaşık olarak doğru) molekül ağırlığı olan 131 Da bulmuştur.

Mulder'in analizlerinden proteinler için ortaya çıkan en küçük molekül ağırlığı yaklaşık 9 kDa idi, bu rakam o zamanlar üzerinde çalışılan diğer moleküllerden yüzlerce kere daha büyüktü. Bu yüzden proteinlerin kimyasal yapısı (birincil yapıları) 1949'a kadar öenmli bir araştırma konusuydu, o tarihte Fred Sanger insülinin dizisini çözdü. Proteinlerin peptit bağlarıyla bağlanmış amino asitlerin lineer polimerleri olduğu teorisi 1902'de bir konferansta Franz Hofmeister ve Emil Fischer tarafından aynı zamanda ve birbirlerinden bağımsız olarak sunuldu. Ancak, bazı bilim adamları bu kadar uzun makromoleküllerin çözelti halinde kararlı olabilecekleri konusunda şüpheciydiler. Bu yüzden protein birincil yapısına dair çeşitli alternatif teoriler de geliştirildi, örneğin proteinlerin küçük moleküllerden oluşan kümeler olduğunu öne süren kolloid hipotezi, Dorothy Wrinch'in siklol hipotezi, Emil Abderhalen'in diketopiperazin hipotezi ve Troensgard'ın pirrol/piperidin hipotezi (1942). Bu teorilerin çoğu, proteinlerin yıkımı sonucunda peptit ve amino asit oluşumunu açıklamakta zorlanıyordu. Nihayet Theodor Svedberg, analitik ultrasantrifüjleme tekniği ile proteinlerin tanımlı terkibi olan makromoleküller olduğunu, kolloid karışımlar olmadığını gösterdi. Bazı proteinlerin daha küçük proteinlerin kovalent olmayan birleşimleri olabileceği Gilbert Smithson Adair tarafından (hemoglobinin osmotik basıncını ölçerek), daha sonradan da Frederic M. Richards tarafından (Ribonükleaz S üzerindeki çalışmaları ile) gösterildi. Proteinlerde translasyon sonrası değişimlerin tanımlanmasında kullanılan faydalı bir teknik kütle spektrometrisi olmuştur, bu teknik yakın zamanda protein dizini çözmekte de kullanılmıştır.

Çoğu proteinin modern tekniklerle dahi milligram miktarlardan daha fazla saflaştırılması zordur. Bu yüzden ilk çalışmalar bol miktarda saflaştırılması kolay olan proteinler üzerine odaklan