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重組大腸桿菌表達(dá)載體的構(gòu)建與培養(yǎng)條件的優(yōu)化策略


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前言

圖片1.png


大腸桿菌表達(dá)蛋白

(來(lái)源于:Reduced background expression and improved plasmid stability with pET vectors in BL21(DE3). BioTechniques 29, 1234–1238)



在這個(gè)后基因組時(shí)代,蛋白質(zhì)的表達(dá)和純化在生物化學(xué)中起著核心作用。重組蛋白可以通過(guò)原核系統(tǒng)(大腸桿菌和枯草芽孢桿菌)、真核系統(tǒng)(酵母、昆蟲(chóng)細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞)或體外系統(tǒng)進(jìn)行表達(dá)。大腸桿菌系統(tǒng)是初始篩選重組蛋白表達(dá)的首選宿主,因?yàn)樗子诓僮?,培養(yǎng)成本低,生長(zhǎng)迅速。近年來(lái),許多新的菌株、載體和標(biāo)簽被開(kāi)發(fā)出來(lái),以克服該系統(tǒng)的局限性,包括密碼子偏好性、包涵體形成、毒性、蛋白質(zhì)失活、mRNA不穩(wěn)定和缺乏翻譯后修飾。本期我們將重點(diǎn)介紹大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)中表達(dá)載體的構(gòu)建和培養(yǎng)條件的優(yōu)化策略。


 表達(dá)載體的構(gòu)建

完整的表達(dá)載體,其基本構(gòu)成主要包括復(fù)制起點(diǎn)、選擇性篩選標(biāo)記、啟動(dòng)子、插入的目的基因片段以及轉(zhuǎn)錄終止子。性能好的表達(dá)載體一般具有以下特點(diǎn):拷貝數(shù)高、應(yīng)用范圍廣、在宿主細(xì)胞中穩(wěn)定性好。


目的基因的獲取

1、逆轉(zhuǎn)錄后,從cDNA文庫(kù)中獲得

2、PCR從基因組DNA中獲

3、基于陣列的寡核苷酸組裝技術(shù),合成定制基因

其中,基因合成的主要優(yōu)點(diǎn)是研究人員可以自由地設(shè)計(jì)感興趣的基因,而不受使用天然模板的限制。此外,使用密碼子優(yōu)化的基因可以確??煽康谋磉_(dá),提高蛋白質(zhì)產(chǎn)量和蛋白質(zhì)溶解度。


啟動(dòng)子的選擇

在大腸桿菌中表達(dá)外源蛋白的有效啟動(dòng)子具有四個(gè)關(guān)鍵特征:

1、啟動(dòng)子足夠強(qiáng)

2、最小的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄活性

3、誘導(dǎo)方式簡(jiǎn)單

4、活性可以精確調(diào)節(jié)

在大腸桿菌中T7啟動(dòng)子具有很強(qiáng)的活性,重組蛋白可累積到細(xì)胞總蛋白的 50%,pET表達(dá)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的異源表達(dá)系統(tǒng)。


5'UTR和n端密碼子

蛋白質(zhì)的表達(dá)是通過(guò)核糖體與5'UTR中的Shine Dalgarno (SD)序列結(jié)合而啟動(dòng)的。SD序列與起始密碼子之間的間距對(duì)翻譯效率和蛋白質(zhì)產(chǎn)量有顯著影響


融合標(biāo)簽的篩選


1、容易檢測(cè)蛋白質(zhì)表達(dá)

2、高蛋白表達(dá)和溶解度

3、容易從大腸桿菌中分離出高純度的蛋白質(zhì)。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了種類繁多的標(biāo)簽,常用標(biāo)簽的一般特征列于下表。


表1.png



大腸桿菌宿主菌株

選擇合適的宿主對(duì)蛋白的表達(dá)、溶解度和產(chǎn)量起著重要作用。到目前為止,已經(jīng)有多種大腸桿菌菌株被改造成能顯著提高膜蛋白的產(chǎn)量。下表總結(jié)了常用大腸桿菌宿主及其特點(diǎn)。


表2.png

大腸桿菌的培養(yǎng)


大腸桿菌培養(yǎng)工藝的優(yōu)化策略


1、培養(yǎng)基組成;2、培養(yǎng)條件優(yōu)化;3、代謝產(chǎn)物控制。


培養(yǎng)基主要成分

碳源、氮源、水、無(wú)機(jī)鹽、微量元素。其中各組分的濃度和比例不同,會(huì)極大的影響重組菌株的生長(zhǎng)和外源基因的表達(dá)。其中碳源與氮源的比例極為重要,控制碳/氮比可以調(diào)控菌體生長(zhǎng)與蛋白表達(dá),提高轉(zhuǎn)化率,降低成本。常用的大腸桿菌培養(yǎng)基有LB、TB、SB、MBL等。通常,碳氮源以及各種金屬離子的抑菌濃度為 Glucose 50 g/L、NH33g/L、Mg2+8.7g/L、PO43-10g/L、Zn2+0.038g/L、Fe2+1.15g/L。


培養(yǎng)條件

pH、溫度、溶氧、補(bǔ)料速率。pH和溫度會(huì)影響菌體內(nèi)各種酶的活性,從而影響其代謝產(chǎn)物的合成,影響目標(biāo)蛋白的合成。溶氧水平也是影響轉(zhuǎn)化率的重要因素,過(guò)高和過(guò)低都不利于發(fā)酵。補(bǔ)料速率與轉(zhuǎn)化率息息相關(guān),合適的補(bǔ)料速率是提高轉(zhuǎn)化率、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。


代謝產(chǎn)物控制

乙酸是大腸桿菌發(fā)酵過(guò)程中的代謝副產(chǎn)物,5~10g/L 的乙酸濃度就能對(duì)滯后期、最大比生長(zhǎng)速率、菌體濃度以及最后蛋白收率等都產(chǎn)生可觀測(cè)到的抑制作用。比生長(zhǎng)速率越高,乙酸產(chǎn)生越多,可以通過(guò)降低溫度,調(diào)節(jié)酸堿度,控制補(bǔ)料等方法來(lái)降低比生長(zhǎng)速率,從而抑制乙酸產(chǎn)生。葡萄糖是大腸桿菌發(fā)酵過(guò)程中重要的碳源之一,將其控制在一個(gè)較低的水平上,可減少乙酸的產(chǎn)生。


百林科蘇州應(yīng)用中心

蛋白表達(dá)與純化


蛋白表達(dá)(大腸桿菌)、純化基本流程


圖1新.png


純化實(shí)驗(yàn)結(jié)果(膠原蛋白項(xiàng)目為例)

圖2新.png

此外,大腸桿菌表達(dá)項(xiàng)目還包括蛋白A、蛋白L、GLP-1、SNAP25重組蛋白、GFP的表達(dá)、純化研究。


服務(wù)

圖3新.png

項(xiàng)目類型包括:抗體(單抗/雙抗/三抗),疫苗(VLP疫苗,亞單位等),血液制品,重組蛋?(膠原蛋?/其他)等。百林科能夠?qū)崿F(xiàn)上游構(gòu)建與下游分離純化相結(jié)合,完成完整的產(chǎn)品?產(chǎn)?藝開(kāi)發(fā)及優(yōu)化服務(wù)。


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