一种基于半乳糖的自动表达系统可提高大肠杆菌中 T7 诱导的蛋白质产量

【字体: 时间:2025年03月16日 来源:Scientific Reports 3.8

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  为解决大肠杆菌蛋白生产难题,研究人员开发自动表达培养基 BB,提升多种蛋白产量,推动生物技术发展。

  在生物技术领域,蛋白质生产就像一座 “富矿”,吸引着无数科研人员去探索。其中,利用大肠杆菌生产蛋白质是现代生物技术的重要基石,而 T7 表达系统凭借其简单高效的特点,成为大肠杆菌蛋白质生产的 “主力军”。但这座 “矿山” 并非一帆风顺,在标准条件下,T7 表达系统面临着 scalability 和可重复性表达的挑战,尤其是对于某些特定的目标蛋白(POI),产量和质量都难以满足需求。就好比在一场赛跑中,T7 表达系统虽然起跑快,但跑到一半却遇到了各种障碍,无法顺利冲过终点。
为了攻克这些难题,来自美国蒙大拿大学(University of Montana)等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种新型的自动表达培养基,期望能够打破现有的生产瓶颈,提高蛋白质的产量和质量。经过不懈努力,研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员为开展此项研究,主要运用了以下关键技术方法:

  1. 蛋白表达与检测技术:通过多种蛋白表达系统,如利用 eGFP 荧光监测、蛋白纯化和产量定量、免疫印迹等技术,分析不同培养基中蛋白的表达情况。
  2. 共表达与活性验证技术:构建共表达系统,如人细胞色素 c(Hu-Cytc)与酵母血红素裂解酶的共表达,通过检测蛋白活性和产量,评估培养基性能。
  3. 基因编辑技术:利用 CRISPR-Cas9 技术,将 SpCas9-siriusGFP 融合蛋白用于果蝇基因编辑实验,验证蛋白活性。

下面来详细看看研究结果:

  1. BB 是生产 eGFP 的优质培养基:研究人员推测可以用 eGFP 荧光来衡量和监测使用 BB 的自动表达过程。为此,他们将表达 6xHis-eGFP 的大肠杆菌 BL21 (DE3) 细胞,在 BB、ThermoFisher’s MagicMedia?(MM)等多种培养基中培养。结果发现,BB 支持的细菌光密度(OD600)与 TB、MM 和 ZYM 相近,但 eGFP 荧光强度却显著更高。进一步研究表明,BB 能产生更多 eGFP,且细胞内荧光可用于监测和优化自动表达过程中的蛋白生产,这是因为 BB 中蛋白的折叠效率更高,有助于提高目标蛋白产量。
  2. BB 提高双表达系统的效率:在具有挑战性的共表达场景中,研究人员选择 Hu-Cytc 作为模型,它需要与酵母血红素裂解酶同时表达。以往使用 TB 或 2xYT 培养基时,30 - 40% 的培养物无法表达 Hu-Cytc。而在 BB 中,12 个培养物均成功表达,且产量约为 2xYT 的三倍。对纯化的 Hu-Cytc 进行检测发现,其具有与之前报道数据一致的酶活性参数,这表明 BB 能可靠地生产有活性、功能正常的酶。
  3. BB 在双表达系统中维持更多产生目标蛋白的细胞:为探究 BB 在双表达系统中的优势机制,研究人员使用流式细胞术和由 mStayGold 绿色荧光蛋白和 mTagBFP2 蓝色荧光蛋白组成的荧光双表达系统。结果显示,BB 产生的双荧光细胞数量比 LB 和 TB 多 10 倍,且双阳性细胞中每个荧光团的平均荧光强度在三种培养基中相似,在 BB 中还有所增加。这说明 BB 能支持更多细胞同时产生两种目标蛋白,且表达更均衡。
  4. BB 使用半乳糖作为诱导剂生产天然折叠的富含二硫键的蛋白质:BB 依赖半乳糖诱导 T7 系统,研究人员通过在不同大肠杆菌菌株中测试,发现半乳糖能诱导 T7 表达系统,且在 SHuffle T7 Express 菌株中与 IPTG 诱导效果相当。利用该系统,研究人员成功生产并结晶了 GluN1 和 GluN2A 亚基的激动剂结合域(ABD),晶体结构显示其具有正确的二硫键配对,这为后续研究含二硫键蛋白提供了有力支持。
  5. BB 增加重组 SpCas9 的产量:研究人员验证了 BB 用于生产关键蛋白 SpCas9 的效果,通过表达 SpCas9-siriusGFP 融合蛋白,观察到 siriusGFP 的积累。与之前报道的产量相比,使用 BB 后,纯度大于 95% 的 apo-SpCas9 产量提高了 8 倍。
  6. BB 产生的 SpCas9 在体内具有催化活性:研究人员通过靶向果蝇的 ebony 基因,验证了 BB 表达的 SpCas9-siriusGFP 的活性。结果显示,注射 SpCas9/sgRNA 复合物后,部分果蝇出现体细胞镶嵌表型,且部分存活果蝇能够将编辑传递给后代,这表明 BB 生产的 SpCas9 具有体内催化活性。

研究结论和讨论部分指出,该研究开发的自动表达肉汤(BB)在重组蛋白生产方面具有显著优势。它无需添加急性诱导剂,就能提高多种重组蛋白的产量,包括 eGFP、人细胞色素 c 等,在与其他常用培养基的比较中表现优异。BB 不仅能支持高细菌培养密度,还能使目标蛋白更多地存在于可溶部分,提高折叠效率。在复杂的共表达过程中,BB 的成功率更高,且能有效生产含二硫键的蛋白,拓展了其在药物发现和结构生物学领域的应用潜力。此外,BB 在生产高纯度、高活性的 SpCas9 方面效果显著,这对于加速基因编辑研究和临床应用具有重要意义。总之,Bosco Broth(BB)为大肠杆菌蛋白生产领域树立了新的标杆,为学术研究和工业生物技术带来了新的机遇。

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