蛋白質表達系統 Protein Expression System

蛋白質表達(protein expression) 是獲得蛋白質的生物技術，利用人工合成的DNA或RNA從不同的宿主表達系統中取得目標蛋白質。

原核生物中的大腸桿菌是目前最普遍的表達系統，具有遺傳背景清楚、生長繁殖快、易於快速大量生產目標蛋白，所需的成本也相對較低。將欲表現外源基因的質體轉型 (transform)至菌體，經培養放大細菌總量，以及誘導蛋白質表現後，可收集菌體經破菌與純化流程，即可得到大量高純度的蛋白。得到目標重組蛋白需要多層面的配合，包括挑選適合的菌種、質體、誘導、以及蛋白質純化方式。但原核表現系統的一大缺點在蛋白質分子的轉譯後修飾(post translational modification，PTM)及摺疊等機構(machinery)在處理量能上，相較於真核與哺乳動物細胞粗陋，所以當外源性重組蛋白被大量誘導表現時，目標蛋白常被堆積在細胞質中成為包涵體(inclusion body)，包涵體內沉澱的蛋白質成變性狀態(denature)，喪失原本的結構及功能，破菌收穫後需目標蛋白的特性選用一系列工法將沉澱狀態的目標蛋白團塊溶解，再逐步地調整條件，使其重新正確折疊(refolding)，並恢復與對象結合、催化反應、組建複合體等功能性。

 
影響大腸桿菌表現系統產率主要有以下幾項因素：

• 基因序列的優化(gene optimization):
  根據表現的載體以及表達宿主系統的選擇，需替換成宿主偏愛的密碼子，以及調整序列中的GC含量來提升蛋白質的表達量與成功率。
• 表達載體的選擇:
  適用於蛋白質表現的質體種類繁多，原則上挑選高複本數(copy number)以及帶有高度活化的啟動子(promoter)為表達載體，目前主要有 pET系列、pGEX系列及pQE系列。應用最多的是pET系列，因其能在大腸桿菌中高效且高產表達蛋白，在誘發表現幾小時後，目標蛋白產量可佔總蛋白的50%以上。
• 合適表現蛋白質的菌種:
  根據所使用表達載體的特點，目標基因密碼子的組成等因素選擇特定的表達宿主菌。
  目前最廣泛被使用的菌株有
  -BL-21：缺乏內生性蛋白酶ompT, ompP, Lon protease，因此能防止產出之目標蛋白質被降解。
  -BL21 (DE3)：菌種染色體帶有可受IPTG驅動表現之T7 polymerase，T7 polymerase為高活性之RNA polymerase，辨認質體上之T7 polymerase結合位置後可驅動表現外源目標蛋白。
  -Rosetta：經過修飾，專門使用於帶有大腸桿菌稀有密碼子的真核蛋白表達的菌株，可提升真核基因表達效率。

哺乳類細胞具完整的蛋白質轉譯後修飾作用(PTM)，雙硫鍵形成以及正確的蛋白分子摺疊功能，哺乳類細胞表達系統所產生的蛋白質更接近真實的蛋白質狀態。一般最常用來表達的細胞有HEK293、CHO及NS0細胞，會使用哺乳類細胞表達系統來表達分泌型的蛋白質以及重組抗體的生成，可由細胞培養液中收集所表現的蛋白質或抗體進而執行純化的步驟，但因為細胞培養的培養液費用較高，因此哺乳細胞表達系統的成本也較高，也較難建立穩定表達的細胞株。

酵母菌是單細胞低等真核生物，其具有部分的蛋白質轉譯後修飾作用(PTM)，蛋白質的折疊也較大腸桿菌正確，並具有雙硫鍵的形成能力。酵母菌可大規模生產，可降低生產成本。

昆蟲細胞具有與大多數高等真核生物相似的蛋白質轉譯後修飾作用(PTM)，一般用來表達的細胞是草地貪夜蛾(Spodoptera frugiperda)sf9或sf21細胞，是利用桿狀病毒在昆蟲細胞中擴增目標蛋白，昆蟲細胞適合高密度懸浮培養，也適用於分泌型蛋白表達。

重組蛋白表達系統比較

PTMs (post-translational modifications)：轉譯後修飾

重組蛋白表現技術可研究基因調控，所表現的重組蛋白運用廣泛，包含:

1. 生產抗體
2. 結構分析
3. 細胞療法
4. 活性分析
5. 藥物開發
6. 疫苗改良及開發
7. 檢測試劑
8. 動物實驗
9. 細胞實驗
10. 保養品原料

• 表現穩定
  a. 原核細胞表現：以大腸桿菌為表達載體，表達不具轉譯後修飾的蛋白，已上架300多個產品。
  b. 真核細胞表現：以HEK293細胞為表達載體，表現具轉譯後修飾的蛋白。
• Antibiotic-free
• Animal-free
• 豐富的製備經驗
  具有完整且嚴謹的重組蛋白製造產線，目前已成功表達500多種不同種屬，包括Human、Mouse、Swine等，皆為自主研發生產並優化，蛋白表現成功率高達90%。這些重組蛋白已成功的用於抗體製備、抗體藥研發、診斷試劑 (ELISA、快篩)、疫苗研究等領域。

• 優化蛋白質凍乾製程，於保存上更具優勢

• 嚴格的檢驗標準

   

• 蛋白純度高
  ->98%，經HPLC分析驗證

• 具生物活性

• 低內毒素
  - <0.1 EU per 1 μg of the protein by the LAL method

• Embryonic stem cell & iPSC
• Somatic stem cell (adult stem cell)
• CAR-T cell
• Immunology cell