在重組蛋白研究與製備領域，獲得高產量、高活性的目標蛋白是核心目標。其中，可溶性蛋白表達是實現這一目標的關鍵環節。與以不溶性聚集形式存在的包涵體不同，可溶性表達的蛋白能正確摺疊，以其天然或具有生物活性的構象存在於細胞漿或周質空間中，這對於後續的蛋白純化、功能研究及相互作用分析至關重要。本文將系統性地介紹可溶性蛋白表達的技術全貌。

一、 核心概念：什麼是可溶性蛋白表達？

可溶性蛋白表達是指在利用重組DNA技術生產蛋白時，目標蛋白在宿主細胞內能夠自發地或在外界輔助下完成正確的三維摺疊，從而以溶解狀態存在於細胞裂解液中的過程。

與之相對的是包涵體表達，即蛋白因表達過快、宿主環境不適或自身特性等原因，形成無活性的、不溶性的蛋白質聚集體。雖然包涵體易於純化且能保護蛋白免受降解，但需要經過複雜且效率不一的蛋白復性步驟才能恢復活性，而蛋白復性本身是一項重大技術挑戰。因此，在多數功能性研究和應用中，優先追求可溶性蛋白表達是更高效的選擇。

二、 表達系統的選擇：從原核到真核

選擇合適的蛋白表達系統是決定蛋白可溶性的首要因素。不同的系統在成本、週期、摺疊能力上各有優劣。

1. 原核表達系統

代表宿主：大腸桿菌。這是最常用、經濟、快速的重組蛋白生產系統。

技術特點：操作簡便，培養成本低，蛋白產量高。適用於不需要複雜翻譯後修飾的蛋白。

提升可溶性策略：

降低表達温度（如從37℃降至16-25℃），減緩合成速度，為正確摺疊提供時間。

使用特定菌株，如Origami或Rosetta系列，通過提供二硫鍵形成所需的關鍵酶或補充稀有密碼子tRNA，來改善摺疊和表達效率。

採用周質表達，利用周質空間更氧化的環境，促進二硫鍵的形成，有利於某些分泌蛋白或二硫鍵豐富的蛋白的可溶性表達。

2. 真核表達系統
當目標蛋白較大、結構複雜或高度依賴真核特異性修飾（如糖基化）時，真核系統是更優選擇。

酵母表達系統：兼具原核的易操作性與真核的初步修飾能力，是介於兩者之間的折中方案。

昆蟲細胞-桿狀病毒系統：蛋白表達水平高，具備大多數真核修飾能力，適用於表達結構複雜的大分子蛋白和膜蛋白。

哺乳動物細胞表達系統：能提供最接近天然狀態的蛋白摺疊環境和完整的翻譯後修飾，是獲得功能性最佳、結構最準確的重組蛋白的“金標準”，但成本最高、週期最長。

三、 提升可溶性表達的關鍵技術策略

除了選擇表達系統，還可通過分子設計與工藝優化來主動提升蛋白可溶性。

1. 分子構建層面的優化

融合標籤的應用：在目標蛋白的N端或C端融合一個具有高蛋白可溶性的標籤，是極為有效的策略。常見的可溶性增強標籤包括：

GST標籤：谷胱甘肽S-轉移酶，分子量較大，能顯著提高融合蛋白的溶解性。

MBP標籤：麥芽糖結合蛋白，是目前公認效果最好的可溶性增強標籤之一。

SUMO標籤：在增強可溶性的同時，還能被特異性蛋白酶精確切除，不留額外氨基酸。

同源性與密碼子優化：分析目標蛋白的氨基酸序列，對其疏水區段進行理性改造（如點突變），有時能顯著改善可溶性。同時，對基因序列進行密碼子優化，使其適配宿主細胞的密碼子偏好性，可以提升翻譯效率和準確性。

2. 發酵工藝的調控
發酵條件對可溶性蛋白表達有直接影響。

誘導條件優化：除了温度，誘導劑的濃度（如IPTG的用量）和誘導時菌體的密度（OD值）也至關重要。採用低濃度誘導劑和低温長時間誘導，是促進正確摺疊的常用方法。

培養基成分：優化培養基組成，有時添加特定輔助因子或分子伴侶，可以為蛋白摺疊提供更有利的胞內環境。

四、 技術路線與後續處理

在實際的重組蛋白製備流程中，可溶性表達通常遵循以下技術路線：載體構建 -> 轉化/轉染 -> 小規模表達測試與條件優化 -> 大規模發酵 -> 細胞收穫與裂解 -> 通過離心分離可溶組分 -> 後續蛋白純化。

如果目標蛋白最終仍以包涵體形式表達，則需轉入蛋白復性流程，包括：包涵體洗滌、變性溶解（通常使用高濃度尿素或鹽酸胍）、以及通過緩慢去除變性劑使蛋白重新摺疊。需要注意的是，蛋白復性過程複雜且回收率多變，並非普適性解決方案。

結語

成功實現可溶性蛋白表達是一個多因素決定的系統工程，它需要在蛋白表達系統選擇、分子構建策略和發酵工藝控制之間進行綜合權衡與優化。深入理解這些技術層面的原理與策略，將能顯著提高獲得高質量、有活性重組蛋白的成功率，為抗體生產、結構生物學、藥物篩選等下游應用奠定堅實的基礎。