블로그
단백질 발현 혁신: 주요 통찰력과 발전
2025년 3월 21일
단백질 발현 플랫폼은 재조합 단백질의 효율적인 발현 및 생산을 위한 기술로, 연구, 분석 및 개발에 적합합니다. 알파라이프텍은 고품질 생산을 보장하는 첨단 솔루션을 제공합니다.
천연 단백질 대 재조합 단백질단백질
천연 단백질
천연 단백질은 유전자 전사 및 번역을 통해 자연 생물체에서 자연적으로 합성된 단백질을 말합니다. 천연 단백질은 일반적으로 세포 내에서 번역 후 변형, 접힘, 당화 등 다양한 가공 단계를 거쳐 특정 기능을 가진 단백질을 형성합니다.
재조합 단백질
유전자 조작 기술을 이용하여 숙주 세포에 클로닝되어 숙주 세포에서 합성되는 단백질입니다. 재조합 단백질의 생산은 일반적으로 특정 발현 시스템에서 합성되는 인공적으로 도입된 유전자에 의존합니다.
문의 보내기
문의하기 더 자세히 알고 싶으신가요? 답변을 드리겠습니다. 당사의 제품과 서비스에 대한 문의사항이 있으시면 이메일을 남겨주세요. 24시간 이내에 답변해 드리겠습니다.
문의하기 클릭| 비교 | 천연 단백질 | 재조합 단백질 |
|---|---|---|
| 원천 | 천연 유기체(동물, 식물, 미생물 등)로부터 | 숙주세포로부터 유전공학 기술을 통해 발현 |
| 표현 방법 | 생물체 내에서 합성됨 | 숙주세포에서의 외인성 유전자 발현 |
| 복잡성과 수정 | 본래의 번역 후 변형(예: 글리코실화, 인산화)을 통해 | 복잡한 표현 시스템을 사용하지 않는 한 덜 장식적입니다. |
| 생산 효율성 | 낮음, 대량 생산이 어려움 | 높음, 대량 생산에 적합 |
| 비용 및 규모 | 높은 비용, 제한된 생산 규모 | 저렴한 비용으로 대량 생산에 적합 |
| 적용 분야 | 임상연구, 특수치료 단백질 생산 | 기초 연구, 상업용 약물, 백신, 효소 제제 등 |
| 품질 관리 | 안정적이지만 불순물의 영향을 받을 수 있음 | 기초 연구, 상업용 약물, 백신, 효소 제제 등 |
재조합 단백질 발현단백질
단백질 요구 사항(복잡한 수정이 필요한지, 대규모 생산이 필요한지 등)에 따라 가장 적합한 발현 시스템을 선택합니다.
| 체계 | 장점 | 단점 | 적용 가능한 시나리오 |
|---|---|---|---|
| 포유류 발현 시스템 | 복잡한 수정, 정확한 접기, 포괄적인 기능 | 높은 비용, 낮은 발현, 긴 주기 | 약물 생산, 항체, 백신 |
| 곤충 발현 시스템 | 부분 번역 후 수정, 더 높은 발현 효율성, 빠른 생산 | 글리코실화 차이, 불완전한 발현 | 바이러스 백신, 복합 단백질 생산 |
| 효모 발현 시스템 | 부분적으로 변형, 높은 발현 수준, 낮은 비용, 빠른 성장 | 글리코실화 차이, 접힘 문제 | 효소제제, 백신, 일부 생물의약품 |
| 박테리아 발현 시스템 | 높은 효율성, 낮은 비용, 간단한 조작, 빠른 생산 | 번역 후 변형 없음, 접힘 문제, 포함체 | 대규모 단백질 생산, 기초 연구, 스크리닝 |
| 세포 유리 발현 시스템 | 빠르고 효율적이며, 순도가 높고 간단합니다. | 복잡한 수정 없음, 한정된 생산 | 고처리량 스크리닝, 단백질 공학 연구 |
그림 1. 발현 벡터의 구조. 이 그림은 일반적인 발현 벡터에 존재하는 주요 특징을 보여줍니다.(참고 출처:대장균에서의 재조합 단백질 발현: 발전과 과제.)
단백질 발현 시스템 선택을 위한 전략단백질
표적 단백질의 특성
작고 단순한 단백질의 경우, 비용이 저렴하고 효율이 높은 박테리아 시스템(예: 대장균)이 선호됩니다. 그러나 구조가 크거나 복잡한 단백질의 경우, 박테리아 시스템은 제대로 접히지 않을 수 있습니다. 이 경우, 더 강한 접힘 능력을 가진 효모, 곤충 또는 포유류 세포 시스템을 선택할 수 있습니다.
번역 후 수정의 필요성
단백질이 당화나 인산화와 같은 복잡한 변형을 필요로 하는 경우, 포유류 시스템(예: CHO 세포)이 인간과 유사한 번역 후 변형을 수행할 수 있기 때문에 이상적입니다. 곤충 시스템도 특정 당화를 수행할 수 있지만, 상대적으로 약합니다. 번역 후 변형이 필요하지 않은 단백질의 경우, 박테리아 시스템이 가장 경제적입니다.
발현 수준 및 생산 규모
높은 발현 수준에 대한 수요를 충족하기 위해서는 박테리아 시스템이 가장 효율적이고 대량 생산에 적합합니다. 효모 시스템은 중규모 생산에 적합하며 특정 후처리 공정을 수행할 수 있습니다. 곤충 및 포유류 세포 시스템은 저발현 또는 중발현 수준의 생산에 일반적으로 사용되며, 특히 약물 생산과 같이 품질 요건이 높은 경우에 유용합니다.
시간 요구 사항 및 생산 주기
박테리아 시스템은 단백질을 보통 몇 시간 안에 빠르게 발현시킬 수 있어 생산 주기가 까다로운 과학 연구 실험에 매우 적합합니다. 무세포 발현 시스템은 더 짧은 시간 안에 단백질을 합성할 수 있습니다. 포유류 시스템은 시간이 오래 걸리지만, 단백질의 완전한 변형과 고품질을 보장할 수 있습니다.
비용 고려 사항
박테리아 시스템은 저렴하고 빠르며 효율적인 특성으로 인해 예비 실험 및 대량 생산에 적합합니다. 효모 시스템은 또한 비교적 경제적이며 중규모 생산에 적합합니다. 포유류 시스템은 비용이 많이 들고 항체, 백신 등과 같이 고도의 변형이 필요한 단백질에 자주 사용됩니다.
유전적 안정성 및 작동성
박테리아와 효모 시스템은 일반적으로 유전적 안정성이 우수하여 장기 발현에 적합합니다. 포유류 세포 시스템은 복잡한 변형 후 효과를 제공할 수 있지만, 유전적 안정성이 낮고 일반적으로 추가적인 스크리닝과 최적화가 필요합니다.
실험 또는 생산 목적
과학 연구 개발 단계에서는 박테리아 시스템이 빠르고 저렴한 비용으로 널리 사용됩니다. 표적 단백질이 더 복잡하거나 특정 번역 후 변형이 필요한 경우, 곤충 시스템과 효모 시스템이 좋은 대안이 될 수 있습니다. 산업 생산에서는 박테리아, 효모, 곤충 시스템이 일반적으로 단순 단백질 생산에 사용되는 반면, 포유류 시스템은 생물의약품, 특히 수요가 높은 단백질 생산 분야에 적합합니다.
낮은 단백질 발현에 대한 개선 전략단백질
코돈 최적화
발현 숙주의 코돈 선호도에 따라, 코딩 시퀀스의 코돈 최적화는 번역 효율을 개선하고 단백질 발현을 증가시킬 수 있습니다.
강력한 프로모터를 선택하세요
효율적이고 정확한 전사 개시를 보장하기 위해 표적 단백질의 발현과 일치하는 강력한 프로모터를 선택하세요.
융합 단백질 태그
특정 태그(His 태그, GST 태그 등)가 표적 단백질에 융합되어 단백질 정제에 기여할 뿐만 아니라 단백질의 발현 효율과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이후, 효소 분해 또는 화학 시약을 이용하여 표지를 제거할 수 있습니다.
배양 조건 최적화
다양한 발현 시스템(예: 대장균, 효모, 포유류 세포 등)의 경우, 배지 조성, pH, 온도, 용존 산소량 및 기타 조건을 최적화하면 표적 단백질의 최적 발현 조건을 충족할 수 있습니다. 예를 들어, 메탄올 유도 발현 시스템에서는 메탄올 첨가 시간, 농도 및 속도를 정밀하게 제어하여 단백질 발현을 크게 증가시킬 수 있습니다.
유전자 복사 수 증가
숙주 세포에서 표적 유전자의 복제 수를 일정 범위 내에서 증가시키는 것은 표적 단백질의 발현에 유익합니다. 그러나 외인성 유전자의 복제 수가 과도하면 대사 부하가 증가하고 숙주 세포에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 신중한 조작이 필요합니다.
분자 샤페론 공발현
공동 발현을 위한 적합한 분자 샤페론을 스크리닝하면 표적 단백질의 올바른 접힘과 안정성을 촉진하여 발현을 증가시킬 수 있습니다.
단백질 변형 및 가공
해당 변형 효소나 돌연변이의 도입은 변형 효소에 영향을 미쳐 표적 단백질의 변형 과정을 완료시켜 안정성과 발현을 향상시킬 수 있다.
고발현 스크리닝
고도로 발현된 형질전환체 또는 안정된 균주는 항생제 내성 마커, 형광 마커 및 기타 방법을 통해 선별되었으며, 이 역시 단백질 발현을 증가시키는 효과적인 방법입니다.
재조합 단백질 발현을 위한 검증 방법단백질
SDS-페이지
SDS-PAGE(폴리아크릴아미드 겔 전기영동): 전기영동에 의한 단백질의 이동을 통해 단백질의 분자량에 따라 단백질을 분리하는 데 사용됩니다.
HPLC
HPLC(고성능 액체 크로마토그래피): 단백질의 화학적 특성(소수성이나 전하 등)을 분석하여 단백질을 분리하고 분석합니다.
MS
MS(질량 분석법): 단백질 분자량 식별 및 서열 분석에 사용되며, 더욱 정확한 구조 정보를 제공할 수 있습니다.
화이트비
WB(Western Blot): 표적 단백질은 특정 항체에 의해 인식되며, 이는 특정 단백질의 발현 수준을 검출하는 데 자주 사용됩니다.
엘리사
ELISA(효소연계면역측정법): 항원-항체 반응을 기반으로 샘플 내 표적 단백질을 정량적으로 검출하는 데 사용됩니다.
그림 2. 위 그림은 총 단백질 발현을 보여주고, 아래 그림은 주변질 단백질 발현을 보여줍니다. (A) 0.5 mM IPTG, (B) 1 mM IPTG.(참고 출처:E. coli BL21에서 SARS-CoV-2 스파이크 RBD에 대한 새로운 강력한 재조합 scFv 항체의 발현, 정제 및 효율성 연구.)
재조합 단백질 발현의 응용단백질
단백질 생산은 여러 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여주었습니다. 의학 분야에서는 바이오 의약품의 핵심이며, 항체, 백신 등 단백질 의약품 생산은 다양한 질병 치료에 중요한 수단을 제공합니다. 식품 산업에서는 단백질 생산을 통해 동물성 및 식물성 단백질을 공급하여 식품의 영양가와 맛을 향상시키고, 식품 첨가물로서 식품의 안정성을 강화합니다. 사료 산업에서는 단백질로 생산된 미생물 단백질과 효소 식물성 단백질을 고품질 단백질 공급원으로 활용하여 동물의 성장과 발달을 촉진합니다. 또한, 단백질 생산은 환경 보호, 화학 산업 등 생분해성 플라스틱 및 바이오 촉매 생산 분야에서도 잠재적 가치를 지닙니다. 결론적으로, 단백질 생산은 의학, 식품, 사료, 환경 보호, 화학 등 다양한 산업의 발전을 촉진하는 데 매우 중요합니다.
Alpha Lifetech의 플랫폼은 높은 수율과 순도로 재조합 단백질을 효율적으로 생산할 수 있도록 보장하므로 구조 생물학, 약물 개발 및 진단 분야의 응용 분야에 이상적입니다.
그림 3: 재조합 단백질 발현 과정.
참조단백질
[1] Rosano GL 등 (2014) 대장균에서의 재조합 단백질 발현: 발전과 과제. Front Microbiol 5: 172.
[2] McGuire BE, Mela JE, Thompson VC, Cucksey LR, Stevens CE, McWhinnie RL, Winkler DFH, Pelech S, Nano FE. 대장균의 SARS-CoV-2 단백질 단편 재조합 발현. Microb Cell Fact. 2022년 2월 5일;21(1):21.
[3] Shen W, Xue Y, Liu Y, Kong C, Wang X, Huang M, Cai M, Zhou X, Zhang Y, Zhou M. 재조합 단백질 발현을 위한 새로운 메탄올 없는 Pichia pastoris 시스템. Microb Cell Fact. 2016년 10월 21일;15(1):178.
[4] Nosaki S, Hoshikawa K, Ezura H, Miura K. 식물의 일시적 단백질 발현 시스템 및 그 응용. Plant Biotechnol(도쿄). 2021년 9월 25일;38(3):297-304.
[5] Malakar, P. 및 Venkatesh, KV(2012) Lac 단백질 발현으로 인한 Escherichia coli의 글리세롤 성장 부담에 대한 기질 및 IPTG 농도의 영향. 응용 미생물학 및 생명공학, 93(6), 2543-2549.
