摘要
酶是自然界重要的功能蛋白分子，其催化活性在基因編輯及干細胞技術、靶向藥物的生產、食品工業、紡織工業、醫學診斷、藥物制備等領域都有著重要的作用。本文中，我們以phi29 DNA聚合酶為代表，利用無細胞蛋白表達技術，搭建了高通量酶篩選平臺。結果顯示，在三天內，我們就完成了96個phi29 DNA聚合酶突變體的表達，并對其活性進行了檢測，找到了較為高效的phi29 DNA聚合酶突變體。
近幾年，隨著AI技術的進步，AI輔助蛋白設計正在逐漸成為現實。在AI的設計-構建-測試-學習周期中，構建和測試對AI的成長有著極大的作用。
一般傳統的蛋白表達流程為：
利用半理性的方式完成突變體基因的構建后，將構建的基因搭載至質粒上，再將質粒轉化進載體細胞內。然后從涂布的平板上挑取單克隆進行擴大培養，隨后可以得到表達突變體蛋白的細胞株。通過細胞株的擴大培養，之后裂解相應細胞，即可得到含有目的突變蛋白的混合液。在此之后就可以進行突變蛋白的純化和測試操作。該方法操作復雜且流程較長，如果目的突變蛋白對宿主細胞有毒害作用的話，可能會導致表達失敗。
對于這種高通量篩選來說，無細胞蛋白表達顯然是一種更有效的選擇。無細胞蛋白表達技術，利用裂解的生物體的生物質，如核糖體、轉錄翻譯酶等成分，再加入合適的能量氨基酸等支持體系，即可在體外借助加入的模板DNA，實現快速高效的蛋白表達。無細胞蛋白表達技術可以有效地簡化蛋白表達的操作，使其更易于匹配高通量的應用場景。同時其快速表達的特點，可以縮短蛋白表達的時間，有效縮短項目周期。
本文我們以phi29 DNA聚合酶為例子，利用無細胞蛋白表達技術，在三天內高效表達出了96個蛋白酶突變體，并檢測其活性。揭示了無細胞技術在蛋白酶及藥物高通量篩選中的潛在應用。
突變引入及環化
我們選取了phi29DNA聚合酶的第221位和第350位氨基酸作為突變位點。先利用PCR的方式，將突變通過引物引入片段；再通過重疊PCR的方式整合突變片段。將整合好的目的基因片段和線性化的環狀片段通過seamless酶進行連接，形成環化質粒。
在此過程中，每次以質粒為模板進行PCR之后，使用Dpn I 酶37℃消化1h以去除原始模板。
質粒轉化并涂板
取5μL引入突變的質粒，加入到100μL DH5α感受態細胞中，輕輕混勻，置于冰上30min。接著，將上述感受態細胞置于42°C水浴中，熱激90秒后迅速放回冰浴中，靜置3~5min；再將其加入到500 ul不含抗生素的SOC或LB培養液中，輕輕混勻，37°C震蕩培養1h。隨后，通過離心菌液（5000 rpm ，1min）沉淀菌體，再將大部分培養液移除，剩余約50-100μL的培養液后重懸菌體，最后，全部均勻涂布到含卡那霉素的LB平板上，在37°C培養箱中培養過夜。
挑取單克隆并保菌
向96孔板中加入100μL含有卡那霉素的LB培養基，然后從LB培養板上挑取單克隆菌落加入96孔板中。再置于37℃的搖床中180rpm震蕩培養1h。
菌體PCR及高通量蛋白表達
從震蕩培養1h的96孔板的每個孔中取出1μL培養基，作為模板加入PCR體系。在經過適當的PCR程序后，取5μLPCR反應體系，作為模板加入無細胞表達體系中。表達4個小時后，即可在體系中產生目的蛋白酶——phi29 DNA 聚合酶。
活性測定
Phi29 DNA聚合酶的活性測定是利用聚合酶活性來擴增綠色熒光蛋白基因的線性模板，通過最終產物綠色熒光的強度對phi29 DNA聚合酶的活性做出判斷。首先從最終的無細胞反應體系中直接取出1μL的反應上清液作為酶溶液加入到擴增體系，該體系含有使phi29起效的緩沖液、綠色熒光蛋白基因的質粒模板以及擴增所需的引物。然后在42℃的條件下擴增2h生成線性模板。最后取5μL的線性模板加入到終體積為50μL的無細胞反應體系中，6小時后測定其熒光值，找出活性較強的phi29 DNA聚合酶突變體。
活性結果
在激發波長485nm發射波長535nm的條件下，測定綠色熒光蛋白的熒光值。不同孔中的熒光值有明顯的不同，表明不同phi29 DNA聚合酶的突變體有不同的活性強度。
突變測序
測定活性之后，從之前保存的96孔培養板上取活性強度較高的幾個孔位所對應的菌體，擴大培養后進行測序操作。我們成功找到了在此板上活性強度的phi29 DNA聚合酶突變體。其在221位和350位的氨基酸組合如下所示。
| 活性排名 | 221 | 350 |
| 1 | 苯丙氨酸 | 苯丙氨酸 |
| 2 | 苯丙氨酸 | 酪氨酸 |
| 3 | 異亮氨酸 | 蘇氨酸 |
通過上述實驗，珀羅汀生物展示了一種運用無細胞蛋白表達技術，高通量篩選并驗證突變蛋白的方法。該方法在3天內完成了近百種突變蛋白的構建表達及活性驗證，顯著縮短了蛋白篩選的時間，減少了人工操作成本，提高了研發效率。
蛋白質生物活性和穩定性的不斷提升，對于蛋白類產品在醫療、農業、造紙、紡織、生物能源、家庭護理等方面推廣應用，有著舉足輕重的作用。運用無細胞蛋白表達技術，能夠更高效快速地完成蛋白質改造與篩選，縮短酶制劑、蛋白藥物等各類蛋白產品的研發周期，降低研發成本，從而促進新型重組蛋白、酶、抗體等蛋白產品的快速發展。
珀羅汀生物作為一家專業的無細胞蛋白表達生物技術公司，將繼續利用無細胞蛋白表達技術優勢，開發更為廣泛的應用場景。
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