重组蛋白的生产工艺流程
日期：2024-01-26 10:17:03
蛋白质具有重要的功能，因此被广泛应用于工业、营养和医疗领域。DNA 重组技术是生产大量特定蛋白质的一种重要方法，该技术通过基因重组将多种来源的遗传物质结合在一起，创造出基因组中天然不存在的 DNA 序列。利用 DNA 重组技术生产的蛋白质就是所谓的重组蛋白。
为了帮助你更好地了解重组蛋白是如何产生的，本文将介绍这些内容：
什么是重组 DNA？
如何制造重组 DNA？
什么是重组蛋白？
如何生产重组蛋白？
1. 什么是重组 DNA？
要弄清什么是重组 DNA 以及如何利用重组 DNA 技术生产特定蛋白质，首先应该了解生物体内蛋白质表达的相关知识。
对于任何生物体来说，蛋白质都是构成机体并发挥重要功能的最重要物质之一。例如，人之所以能够消化食物，是因为消化道分泌消化酶，将食物中的大分子分解成可以被人体吸收的小分子。所有这些酶都是蛋白质。
自从 DNA 螺旋结构于 1953 年被发现以来，人们对遗传原理进行了广泛的研究。现在，人们已经清楚地认识到，蛋白质是由 DNA 通过两个步骤制造出来的。第一步称为转录，即从 DNA 生成 mRNA。下一步是翻译，由 mRNA 生成蛋白质。换句话说，DNA 序列提供了制造特定蛋白质的指令。因此，基因表达实际上与蛋白质表达具有相同的含义。
图 1 基因表达
重组 DNA（rDNA）是由两个或多个 DNA 序列组合而成的 DNA 链。基因重组是一个自然发生的过程。这一过程也可以为各种目的进行人工操作，这就是所谓的 DNA 重组技术。利用 DNA 重组技术，科学家能够创造出在正常情况和环境条件下不会自然存在的新 DNA 序列。由此产生的重组 DNA 被放入宿主细胞，在那里表达成一种新的蛋白质，这就是所谓的重组蛋白。DNA 重组技术在生产用于制药、医疗、农业和其他用途的重组蛋白方面发挥着至关重要的作用。
2. 如何制造重组 DNA？
DNA 重组技术还有其他名称，包括 DNA 克隆、分子克隆和基因克隆。它们都是指将外来 DNA 转移到生物体内可自我复制的遗传元件中，最终导致外来 DNA 的扩增。目前，制造重组 DNA 的方法主要有以下三种：
① 转化
将外来 DNA 片段切割并插入载体，通常是质粒。然后，将产生的载体放入宿主细胞，如大肠杆菌，在其中表达外来 DNA 片段。细菌细胞吸收外来 DNA 的过程称为转化。
② 非细菌转化
非细菌转化不使用细菌作为宿主细胞。其中一个例子是 DNA 微注射，即把外来 DNA 直接注射到受体细胞的细胞核中。生物弹射法是一种利用高速微弹丸将外来 DNA 射入受体细胞的方法。
③ 噬菌体导入
噬菌体导入法是利用噬菌体将外来 DNA 转入宿主细胞，最终将含有外来 DNA 的噬菌体 DNA 植入宿主细胞的基因组。
3. 什么是重组蛋白？
重组蛋白是通过 DNA 重组技术人工制造的蛋白质。蛋白质可用于许多领域，如诊断工具、疫苗、治疗剂、洗涤剂、化妆品、食品生产和饲料添加剂等。仅仅从天然来源中分离蛋白质无法满足日益增长的蛋白质需求。DNA 重组技术为获取大量蛋白质提供了一种更有效的方法。
这种方法有利有弊。例如，胰岛素是一种对血糖起关键调节作用的激素，糖尿病患者的胰岛素会减少，而 DNA 重组技术已经生产出了胰岛素，挽救了许多人的生命。此外，DNA 重组技术还可以操纵相关蛋白质的特性。从这些方面来看，DNA 重组技术和重组蛋白都是有益的。然而，人们对使用重组 DNA 技术的安全性和伦理道德仍有担忧。
4. 如何生产重组蛋白？
重组蛋白的生产曾经是专家的领域。现在，由于简单的商业化系统的发展，重组蛋白的生产已经成为一项非常成熟和广泛的技术。在重组蛋白的生产过程中，仍然存在的一个挑战是，你将面临一系列令人困惑的选择。
应该使用哪种系统来表达蛋白质？
使用哪种表达载体？
蛋白质应该全长表达还是部分表达？
是否应该标记蛋白质？
如何纯化蛋白质？
……
在生产重组蛋白时，您必须做出很多决定。如果选择明智，就能获得高质量的重组蛋白，后续实验也更有可能成功。但如果决策失误，就可能得不到所需的重组蛋白，或者重组蛋白的质量和纯度达不到要求。
此外，由于每种蛋白质都不尽相同，因此没有永远正确的答案。如何在如此众多的生产策略中做出选择，很大程度上取决于你打算表达的蛋白质。
过去几十年来，人们利用 DNA 重组技术从各种生物（病毒、古生菌、细菌和真核生物）中生产出了大量蛋白质，并在实验室中进行了纯化。一些研究人员总结了重组蛋白生产的几个主要步骤，具体如下：
l 获取 cDNA 并创建表达克隆
l 克隆
l 在合适的系统中表达蛋白质
l 小规模试验表达
l 蛋白纯化
l 蛋白质表征
目前，表达重组蛋白的系统有很多种，包括基于细胞的系统和无细胞系统。基于细胞的系统又可分为真核系统和原核系统。最常用的五种表达策略如下：
无细胞表达系统表达重组蛋白
大肠杆菌表达系统表达重组蛋白
酵母表达系统表达重组蛋白
昆虫-杆状病毒表达系统表达重组蛋白
哺乳动物细胞表达系统表达重组蛋白
您可以点击这些链接，获取有关这些系统的更多信息。
所有表达系统的方法基本相似。其基本要求是：编码相关蛋白质的 DNA 序列、插入 DNA 序列的载体以及表达外来 DNA 序列的合适宿主。
尽管方法相似，表达系统的应用范围却各不相同。最常用的五种系统各有利弊。因此，在重组蛋白的生产中，表达系统的选择是一个关键的考虑因素。选择哪种表达系统主要取决于要表达的异源蛋白的性质。
如果您对选择合适的表达系统仍有疑问，可参考本页的表格 "哪种表达系统最适合您的实验？"： www.dagongcnc.com/Protein_Service.html
除了选择合适的表达系统，如何选择合适的表达载体也是生产重组蛋白的一个难题。如果要表达具有生物活性的蛋白质，还需要考虑其他因素。
影响重组蛋白表达的因素很多。例如，我们一般需要高产蛋白，但如果重组蛋白生产速度过快，可能会形成包涵体；许多重组蛋白需要糖基化等修饰，而糖基化只有真核细胞才有，因此在这种情况下，大肠杆菌等原核细胞不适合表达蛋白。
总的来说，重组蛋白生产是一项成熟的技术，市场上有多种系统可供选择。但在重组蛋白的生产和纯化过程中仍存在一些挑战。
为了帮助你更好地了解重组蛋白是如何产生的，本文将介绍这些内容：
什么是重组 DNA？
如何制造重组 DNA？
什么是重组蛋白？
如何生产重组蛋白？
1. 什么是重组 DNA？
要弄清什么是重组 DNA 以及如何利用重组 DNA 技术生产特定蛋白质，首先应该了解生物体内蛋白质表达的相关知识。
对于任何生物体来说，蛋白质都是构成机体并发挥重要功能的最重要物质之一。例如，人之所以能够消化食物，是因为消化道分泌消化酶，将食物中的大分子分解成可以被人体吸收的小分子。所有这些酶都是蛋白质。
自从 DNA 螺旋结构于 1953 年被发现以来，人们对遗传原理进行了广泛的研究。现在，人们已经清楚地认识到，蛋白质是由 DNA 通过两个步骤制造出来的。第一步称为转录，即从 DNA 生成 mRNA。下一步是翻译，由 mRNA 生成蛋白质。换句话说，DNA 序列提供了制造特定蛋白质的指令。因此，基因表达实际上与蛋白质表达具有相同的含义。
图 1 基因表达重组 DNA（rDNA）是由两个或多个 DNA 序列组合而成的 DNA 链。基因重组是一个自然发生的过程。这一过程也可以为各种目的进行人工操作，这就是所谓的 DNA 重组技术。利用 DNA 重组技术，科学家能够创造出在正常情况和环境条件下不会自然存在的新 DNA 序列。由此产生的重组 DNA 被放入宿主细胞，在那里表达成一种新的蛋白质，这就是所谓的重组蛋白。DNA 重组技术在生产用于制药、医疗、农业和其他用途的重组蛋白方面发挥着至关重要的作用。
2. 如何制造重组 DNA？
图 2 重组 DNA
DNA 重组技术还有其他名称，包括 DNA 克隆、分子克隆和基因克隆。它们都是指将外来 DNA 转移到生物体内可自我复制的遗传元件中，最终导致外来 DNA 的扩增。目前，制造重组 DNA 的方法主要有以下三种：
① 转化
将外来 DNA 片段切割并插入载体，通常是质粒。然后，将产生的载体放入宿主细胞，如大肠杆菌，在其中表达外来 DNA 片段。细菌细胞吸收外来 DNA 的过程称为转化。
② 非细菌转化
非细菌转化不使用细菌作为宿主细胞。其中一个例子是 DNA 微注射，即把外来 DNA 直接注射到受体细胞的细胞核中。生物弹射法是一种利用高速微弹丸将外来 DNA 射入受体细胞的方法。
③ 噬菌体导入
噬菌体导入法是利用噬菌体将外来 DNA 转入宿主细胞，最终将含有外来 DNA 的噬菌体 DNA 植入宿主细胞的基因组。
3. 什么是重组蛋白？
重组蛋白是通过 DNA 重组技术人工制造的蛋白质。蛋白质可用于许多领域，如诊断工具、疫苗、治疗剂、洗涤剂、化妆品、食品生产和饲料添加剂等。仅仅从天然来源中分离蛋白质无法满足日益增长的蛋白质需求。DNA 重组技术为获取大量蛋白质提供了一种更有效的方法。
这种方法有利有弊。例如，胰岛素是一种对血糖起关键调节作用的激素，糖尿病患者的胰岛素会减少，而 DNA 重组技术已经生产出了胰岛素，挽救了许多人的生命。此外，DNA 重组技术还可以操纵相关蛋白质的特性。从这些方面来看，DNA 重组技术和重组蛋白都是有益的。然而，人们对使用重组 DNA 技术的安全性和伦理道德仍有担忧。
4. 如何生产重组蛋白？
重组蛋白的生产曾经是专家的领域。现在，由于简单的商业化系统的发展，重组蛋白的生产已经成为一项非常成熟和广泛的技术。在重组蛋白的生产过程中，仍然存在的一个挑战是，你将面临一系列令人困惑的选择。
应该使用哪种系统来表达蛋白质？
使用哪种表达载体？
蛋白质应该全长表达还是部分表达？
是否应该标记蛋白质？
如何纯化蛋白质？
……
在生产重组蛋白时，您必须做出很多决定。如果选择明智，就能获得高质量的重组蛋白，后续实验也更有可能成功。但如果决策失误，就可能得不到所需的重组蛋白，或者重组蛋白的质量和纯度达不到要求。
此外，由于每种蛋白质都不尽相同，因此没有永远正确的答案。如何在如此众多的生产策略中做出选择，很大程度上取决于你打算表达的蛋白质。
过去几十年来，人们利用 DNA 重组技术从各种生物（病毒、古生菌、细菌和真核生物）中生产出了大量蛋白质，并在实验室中进行了纯化。一些研究人员总结了重组蛋白生产的几个主要步骤，具体如下：
l 获取 cDNA 并创建表达克隆
l 克隆
l 在合适的系统中表达蛋白质
l 小规模试验表达
l 蛋白纯化
l 蛋白质表征
目前，表达重组蛋白的系统有很多种，包括基于细胞的系统和无细胞系统。基于细胞的系统又可分为真核系统和原核系统。最常用的五种表达策略如下：
无细胞表达系统表达重组蛋白
大肠杆菌表达系统表达重组蛋白
酵母表达系统表达重组蛋白
昆虫-杆状病毒表达系统表达重组蛋白
哺乳动物细胞表达系统表达重组蛋白
您可以点击这些链接，获取有关这些系统的更多信息。
图 3 在大肠杆菌表达系统中表达重组蛋白
所有表达系统的方法基本相似。其基本要求是：编码相关蛋白质的 DNA 序列、插入 DNA 序列的载体以及表达外来 DNA 序列的合适宿主。
尽管方法相似，表达系统的应用范围却各不相同。最常用的五种系统各有利弊。因此，在重组蛋白的生产中，表达系统的选择是一个关键的考虑因素。选择哪种表达系统主要取决于要表达的异源蛋白的性质。
如果您对选择合适的表达系统仍有疑问，可参考本页的表格 "哪种表达系统最适合您的实验？"： www.dagongcnc.com/Protein_Service.html
除了选择合适的表达系统，如何选择合适的表达载体也是生产重组蛋白的一个难题。如果要表达具有生物活性的蛋白质，还需要考虑其他因素。
影响重组蛋白表达的因素很多。例如，我们一般需要高产蛋白，但如果重组蛋白生产速度过快，可能会形成包涵体；许多重组蛋白需要糖基化等修饰，而糖基化只有真核细胞才有，因此在这种情况下，大肠杆菌等原核细胞不适合表达蛋白。
总的来说，重组蛋白生产是一项成熟的技术，市场上有多种系统可供选择。但在重组蛋白的生产和纯化过程中仍存在一些挑战。
