重組蛋白的生產工藝流程
日期：2024-01-26 10:17:03
蛋白質具有重要的功能，因此被廣泛應用于工業、營養和醫療領域。DNA 重組技術是生產大量特定蛋白質的一種重要方法，該技術通過基因重組將多種來源的遺傳物質結合在一起，創造出基因組中天然不存在的 DNA 序列。利用 DNA 重組技術生產的蛋白質就是所謂的重組蛋白。
為了幫助你更好地了解重組蛋白是如何產生的，本文將介紹這些內容：
什么是重組 DNA？
如何制造重組 DNA？
什么是重組蛋白？
如何生產重組蛋白？
1. 什么是重組 DNA？
要弄清什么是重組 DNA 以及如何利用重組 DNA 技術生產特定蛋白質，首先應該了解生物體內蛋白質表達的相關知識。
對于任何生物體來說，蛋白質都是構成機體并發揮重要功能的最重要物質之一。例如，人之所以能夠消化食物，是因為消化道分泌消化酶，將食物中的大分子分解成可以被人體吸收的小分子。所有這些酶都是蛋白質。
自從 DNA 螺旋結構于 1953 年被發現以來，人們對遺傳原理進行了廣泛的研究。現在，人們已經清楚地認識到，蛋白質是由 DNA 通過兩個步驟制造出來的。第一步稱為轉錄，即從 DNA 生成 mRNA。下一步是翻譯，由 mRNA 生成蛋白質。換句話說，DNA 序列提供了制造特定蛋白質的指令。因此，基因表達實際上與蛋白質表達具有相同的含義。
圖 1 基因表達
重組 DNA（rDNA）是由兩個或多個 DNA 序列組合而成的 DNA 鏈。基因重組是一個自然發生的過程。這一過程也可以為各種目的進行人工操作，這就是所謂的 DNA 重組技術。利用 DNA 重組技術，科學家能夠創造出在正常情況和環境條件下不會自然存在的新 DNA 序列。由此產生的重組 DNA 被放入宿主細胞，在那里表達成一種新的蛋白質，這就是所謂的重組蛋白。DNA 重組技術在生產用于制藥、醫療、農業和其他用途的重組蛋白方面發揮著至關重要的作用。
2. 如何制造重組 DNA？
DNA 重組技術還有其他名稱，包括 DNA 克隆、分子克隆和基因克隆。它們都是指將外來 DNA 轉移到生物體內可自我復制的遺傳元件中，最終導致外來 DNA 的擴增。目前，制造重組 DNA 的方法主要有以下三種：
① 轉化
將外來 DNA 片段切割并插入載體，通常是質粒。然后，將產生的載體放入宿主細胞，如大腸桿菌，在其中表達外來 DNA 片段。細菌細胞吸收外來 DNA 的過程稱為轉化。
② 非細菌轉化
非細菌轉化不使用細菌作為宿主細胞。其中一個例子是 DNA 微注射，即把外來 DNA 直接注射到受體細胞的細胞核中。生物彈射法是一種利用高速微彈丸將外來 DNA 射入受體細胞的方法。
③ 噬菌體導入
噬菌體導入法是利用噬菌體將外來 DNA 轉入宿主細胞，最終將含有外來 DNA 的噬菌體 DNA 植入宿主細胞的基因組。
3. 什么是重組蛋白？
重組蛋白是通過 DNA 重組技術人工制造的蛋白質。蛋白質可用于許多領域，如診斷工具、疫苗、治療劑、洗滌劑、化妝品、食品生產和飼料添加劑等。僅僅從天然來源中分離蛋白質無法滿足日益增長的蛋白質需求。DNA 重組技術為獲取大量蛋白質提供了一種更有效的方法。
這種方法有利有弊。例如，胰島素是一種對血糖起關鍵調節作用的激素，糖尿病患者的胰島素會減少，而 DNA 重組技術已經生產出了胰島素，挽救了許多人的生命。此外，DNA 重組技術還可以操縱相關蛋白質的特性。從這些方面來看，DNA 重組技術和重組蛋白都是有益的。然而，人們對使用重組 DNA 技術的安全性和倫理道德仍有擔憂。
4. 如何生產重組蛋白？
重組蛋白的生產曾經是專家的領域。現在，由于簡單的商業化系統的發展，重組蛋白的生產已經成為一項非常成熟和廣泛的技術。在重組蛋白的生產過程中，仍然存在的一個挑戰是，你將面臨一系列令人困惑的選擇。
應該使用哪種系統來表達蛋白質？
使用哪種表達載體？
蛋白質應該全長表達還是部分表達？
是否應該標記蛋白質？
如何純化蛋白質？
……
在生產重組蛋白時，您必須做出很多決定。如果選擇明智，就能獲得高質量的重組蛋白，后續實驗也更有可能成功。但如果決策失誤，就可能得不到所需的重組蛋白，或者重組蛋白的質量和純度達不到要求。
此外，由于每種蛋白質都不盡相同，因此沒有永遠正確的答案。如何在如此眾多的生產策略中做出選擇，很大程度上取決于你打算表達的蛋白質。
過去幾十年來，人們利用 DNA 重組技術從各種生物（病毒、古生菌、細菌和真核生物）中生產出了大量蛋白質，并在實驗室中進行了純化。一些研究人員總結了重組蛋白生產的幾個主要步驟，具體如下：
l 獲取 cDNA 并創建表達克隆
l 克隆
l 在合適的系統中表達蛋白質
l 小規模試驗表達
l 蛋白純化
l 蛋白質表征
目前，表達重組蛋白的系統有很多種，包括基于細胞的系統和無細胞系統。基于細胞的系統又可分為真核系統和原核系統。最常用的五種表達策略如下：
無細胞表達系統表達重組蛋白
大腸桿菌表達系統表達重組蛋白
酵母表達系統表達重組蛋白
昆蟲-桿狀病毒表達系統表達重組蛋白
哺乳動物細胞表達系統表達重組蛋白
您可以點擊這些鏈接，獲取有關這些系統的更多信息。
所有表達系統的方法基本相似。其基本要求是：編碼相關蛋白質的 DNA 序列、插入 DNA 序列的載體以及表達外來 DNA 序列的合適宿主。
盡管方法相似，表達系統的應用范圍卻各不相同。最常用的五種系統各有利弊。因此，在重組蛋白的生產中，表達系統的選擇是一個關鍵的考慮因素。選擇哪種表達系統主要取決于要表達的異源蛋白的性質。
如果您對選擇合適的表達系統仍有疑問，可參考本頁的表格 "哪種表達系統最適合您的實驗？"： www.yidonglou.cn/Protein_Service.html
除了選擇合適的表達系統，如何選擇合適的表達載體也是生產重組蛋白的一個難題。如果要表達具有生物活性的蛋白質，還需要考慮其他因素。
影響重組蛋白表達的因素很多。例如，我們一般需要高產蛋白，但如果重組蛋白生產速度過快，可能會形成包涵體；許多重組蛋白需要糖基化等修飾，而糖基化只有真核細胞才有，因此在這種情況下，大腸桿菌等原核細胞不適合表達蛋白。
總的來說，重組蛋白生產是一項成熟的技術，市場上有多種系統可供選擇。但在重組蛋白的生產和純化過程中仍存在一些挑戰。
為了幫助你更好地了解重組蛋白是如何產生的，本文將介紹這些內容：
什么是重組 DNA？
如何制造重組 DNA？
什么是重組蛋白？
如何生產重組蛋白？
1. 什么是重組 DNA？
要弄清什么是重組 DNA 以及如何利用重組 DNA 技術生產特定蛋白質，首先應該了解生物體內蛋白質表達的相關知識。
對于任何生物體來說，蛋白質都是構成機體并發揮重要功能的最重要物質之一。例如，人之所以能夠消化食物，是因為消化道分泌消化酶，將食物中的大分子分解成可以被人體吸收的小分子。所有這些酶都是蛋白質。
自從 DNA 螺旋結構于 1953 年被發現以來，人們對遺傳原理進行了廣泛的研究。現在，人們已經清楚地認識到，蛋白質是由 DNA 通過兩個步驟制造出來的。第一步稱為轉錄，即從 DNA 生成 mRNA。下一步是翻譯，由 mRNA 生成蛋白質。換句話說，DNA 序列提供了制造特定蛋白質的指令。因此，基因表達實際上與蛋白質表達具有相同的含義。
圖 1 基因表達重組 DNA（rDNA）是由兩個或多個 DNA 序列組合而成的 DNA 鏈。基因重組是一個自然發生的過程。這一過程也可以為各種目的進行人工操作，這就是所謂的 DNA 重組技術。利用 DNA 重組技術，科學家能夠創造出在正常情況和環境條件下不會自然存在的新 DNA 序列。由此產生的重組 DNA 被放入宿主細胞，在那里表達成一種新的蛋白質，這就是所謂的重組蛋白。DNA 重組技術在生產用于制藥、醫療、農業和其他用途的重組蛋白方面發揮著至關重要的作用。
2. 如何制造重組 DNA？
圖 2 重組 DNA
DNA 重組技術還有其他名稱，包括 DNA 克隆、分子克隆和基因克隆。它們都是指將外來 DNA 轉移到生物體內可自我復制的遺傳元件中，最終導致外來 DNA 的擴增。目前，制造重組 DNA 的方法主要有以下三種：
① 轉化
將外來 DNA 片段切割并插入載體，通常是質粒。然后，將產生的載體放入宿主細胞，如大腸桿菌，在其中表達外來 DNA 片段。細菌細胞吸收外來 DNA 的過程稱為轉化。
② 非細菌轉化
非細菌轉化不使用細菌作為宿主細胞。其中一個例子是 DNA 微注射，即把外來 DNA 直接注射到受體細胞的細胞核中。生物彈射法是一種利用高速微彈丸將外來 DNA 射入受體細胞的方法。
③ 噬菌體導入
噬菌體導入法是利用噬菌體將外來 DNA 轉入宿主細胞，最終將含有外來 DNA 的噬菌體 DNA 植入宿主細胞的基因組。
3. 什么是重組蛋白？
重組蛋白是通過 DNA 重組技術人工制造的蛋白質。蛋白質可用于許多領域，如診斷工具、疫苗、治療劑、洗滌劑、化妝品、食品生產和飼料添加劑等。僅僅從天然來源中分離蛋白質無法滿足日益增長的蛋白質需求。DNA 重組技術為獲取大量蛋白質提供了一種更有效的方法。
這種方法有利有弊。例如，胰島素是一種對血糖起關鍵調節作用的激素，糖尿病患者的胰島素會減少，而 DNA 重組技術已經生產出了胰島素，挽救了許多人的生命。此外，DNA 重組技術還可以操縱相關蛋白質的特性。從這些方面來看，DNA 重組技術和重組蛋白都是有益的。然而，人們對使用重組 DNA 技術的安全性和倫理道德仍有擔憂。
4. 如何生產重組蛋白？
重組蛋白的生產曾經是專家的領域。現在，由于簡單的商業化系統的發展，重組蛋白的生產已經成為一項非常成熟和廣泛的技術。在重組蛋白的生產過程中，仍然存在的一個挑戰是，你將面臨一系列令人困惑的選擇。
應該使用哪種系統來表達蛋白質？
使用哪種表達載體？
蛋白質應該全長表達還是部分表達？
是否應該標記蛋白質？
如何純化蛋白質？
……
在生產重組蛋白時，您必須做出很多決定。如果選擇明智，就能獲得高質量的重組蛋白，后續實驗也更有可能成功。但如果決策失誤，就可能得不到所需的重組蛋白，或者重組蛋白的質量和純度達不到要求。
此外，由于每種蛋白質都不盡相同，因此沒有永遠正確的答案。如何在如此眾多的生產策略中做出選擇，很大程度上取決于你打算表達的蛋白質。
過去幾十年來，人們利用 DNA 重組技術從各種生物（病毒、古生菌、細菌和真核生物）中生產出了大量蛋白質，并在實驗室中進行了純化。一些研究人員總結了重組蛋白生產的幾個主要步驟，具體如下：
l 獲取 cDNA 并創建表達克隆
l 克隆
l 在合適的系統中表達蛋白質
l 小規模試驗表達
l 蛋白純化
l 蛋白質表征
目前，表達重組蛋白的系統有很多種，包括基于細胞的系統和無細胞系統。基于細胞的系統又可分為真核系統和原核系統。最常用的五種表達策略如下：
無細胞表達系統表達重組蛋白
大腸桿菌表達系統表達重組蛋白
酵母表達系統表達重組蛋白
昆蟲-桿狀病毒表達系統表達重組蛋白
哺乳動物細胞表達系統表達重組蛋白
您可以點擊這些鏈接，獲取有關這些系統的更多信息。
圖 3 在大腸桿菌表達系統中表達重組蛋白
所有表達系統的方法基本相似。其基本要求是：編碼相關蛋白質的 DNA 序列、插入 DNA 序列的載體以及表達外來 DNA 序列的合適宿主。
盡管方法相似，表達系統的應用范圍卻各不相同。最常用的五種系統各有利弊。因此，在重組蛋白的生產中，表達系統的選擇是一個關鍵的考慮因素。選擇哪種表達系統主要取決于要表達的異源蛋白的性質。
如果您對選擇合適的表達系統仍有疑問，可參考本頁的表格 "哪種表達系統最適合您的實驗？"： www.yidonglou.cn/Protein_Service.html
除了選擇合適的表達系統，如何選擇合適的表達載體也是生產重組蛋白的一個難題。如果要表達具有生物活性的蛋白質，還需要考慮其他因素。
影響重組蛋白表達的因素很多。例如，我們一般需要高產蛋白，但如果重組蛋白生產速度過快，可能會形成包涵體；許多重組蛋白需要糖基化等修飾，而糖基化只有真核細胞才有，因此在這種情況下，大腸桿菌等原核細胞不適合表達蛋白。
總的來說，重組蛋白生產是一項成熟的技術，市場上有多種系統可供選擇。但在重組蛋白的生產和純化過程中仍存在一些挑戰。
