数字微流控无细胞蛋白筛选：植物球蛋白高通量条件优化

基于 DMF-CFPS 的高通量筛选方案设计与前期分析

本文摘要

植物球蛋白属于难表达血红素蛋白，传统体内表达存在细胞毒性、折叠困难、优化周期长等问题，且单一物种的优化方案难以跨物种复用。本文介绍数字微流控无细胞蛋白合成技术的筛选原理，梳理该研究的实验设计、模板构建与前期生物信息分析，为同类难表达蛋白的条件优化提供方法参考。

关键词：无细胞蛋白合成、无细胞蛋白表达、数字微流控、植物球蛋白、高通量筛选、难表达蛋白、蛋白稳定性、可溶性标签、半胱氨酸突变、血红素蛋白、膜蛋白

一、植物球蛋白表达的技术瓶颈

1.1 血红素蛋白的表达难点

植物球蛋白参与 NO 清除、氧化应激调控，属于典型的难表达血红素蛋白。这类蛋白的表达存在多重障碍：脱辅基球蛋白易发生聚集，血红素对宿主细胞具有毒性，蛋白合成与血红素插入过程难以同步。同时，针对一种植物球蛋白优化的表达条件，无法直接套用至同源蛋白，传统体内表达体系的条件优化通常需要数周试错，筛选通量有限。

1.2 保守半胱氨酸的功能不确定性

植物球蛋白的序列中存在高度保守的半胱氨酸残基，这类残基易形成错配二硫键，引发氧化聚集。将半胱氨酸突变为丙氨酸可消除巯基影响，但该突变对不同植物球蛋白的表达量、可溶性、热稳定性的具体作用，缺乏系统的平行对比数据。

1.3 传统筛选体系的局限

活细胞体系的筛选受转化效率、细胞毒性的限制；常规 96 孔板无细胞体系试剂消耗量大，可并行的条件数量有限。数字微流控技术依托介电上电润湿操控纳升级液滴，可实现全自动高通量并行筛选，48 小时内可完成上百组表达条件测试，大幅缩短优化周期。

二、DMF-CFPS 高通量筛选的技术方案

2.1 数字微流控卡盒的工作原理

配套专用卡盒依托介电上电润湿原理，可实现纳升级液滴的独立移动、混合、孵育与磁珠纯化。卡盒集成多试剂储液孔，可自动完成无细胞合成、双分子荧光互补（BiFC）荧光定量、Strep-Tactin 亲和磁珠原位纯化整套流程，并通过 BiFC 实时定量蛋白表达浓度。

2.2 eGene 线性 DNA 模板构建

利用可溶性标签试剂盒经 PCR 组装，可得到整套 eGene 线性表达模板。线性模板的两端分别携带功能元件：

• N 端：7 种可溶性标签（P17/CUSF/FH8/TRX/SUMO/ZZ/SNUT）或无标签，搭配 3C 蛋白酶酶切位点；

• C 端：TEV 酶切位点+拆分 GFP 检测片段（DET）+Strep II 纯化标签，基于双分子荧光互补原理实现表达量定量。

研究采用一步式 PCR 批量构建所有野生型与半胱氨酸→丙氨酸突变的 eGene 构建体，包含甜菜 BvPgb1.2 野生型及 C86A 突变体、燕麦 AsPgb1.1 及 C70A、AsPgb1.5 及 C84A、AsPgb3.1 及 C161A，归一化浓度后用于卡盒上样。

图 1.eGene 模板结构示意图

2.3 无细胞反应体系配置

研究共制备 8 组无细胞反应体系，每组包含无细胞核心试剂、定制氯化血红素补充液，以及不同功能的添加剂，分别为标准缓冲液、PDI+GSSG、GSSG、TRXB1、DnaK 分子伴侣混合液、金属辅因子混合液、Zn²⁺、3C 蛋白酶，加样至卡盒对应储液孔。

2.4 卡盒并行筛选设计

研究设置两种卡盒筛选方案，分别对应不同物种的蛋白：

• 甜菜 BvPgb 筛选（3×8 卡盒）：2 种蛋白（野生型/C86A）×（7 种可溶性标签+无标签）×8 组反应体系，共 128 组条件；

• 燕麦 AsPgb 筛选（6×4 卡盒）：6 种蛋白（3 种野生型+3 种突变体）×（3 种可溶性小标签+无标签）×8 组反应体系，共 192 组条件。

启动可溶性蛋白筛选程序后，系统自动筛选每组蛋白产量较高的组合：甜菜 BvPgb 每组蛋白选出 10 组条件，共 20 组；燕麦 AsPgb 每组蛋白选出 5 组条件，共 30 组；进行原位磁珠纯化并输出蛋白表达与纯化产量图谱。

图 2.用于无细胞蛋白合成的数字微流控卡盒

三、研究对象与前期结构分析

3.1 受试蛋白与突变体设计

本研究选取两类植物球蛋白作为研究对象：

1. 甜菜 1 型植物球蛋白野生型 BvPgb1.2，及其保守半胱氨酸突变体 C86A；

2. 全新鉴定的 8 个燕麦植物球蛋白 AsPgb，分属 3 个同源组：1 型两组（AsPgb1.1–1.3、AsPgb1.4–1.6）、3 型一组（AsPgb3.1–3.2）；同时构建 3 组定点突变体：AsPgb1.1-C70A、AsPgb1.5-C84A、AsPgb3.1-C161A，均为保守半胱氨酸→丙氨酸替换。

3.2 燕麦 AsPgb 的组织表达特征

经全基因组挖掘与转录分析，8 个燕麦 AsPgb 的组织表达分布存在明显分组特征：

• AsPgb1.1–1.3 组：在叶片、颖壳中富集，种子中表达量低；

• AsPgb1.4–1.6 组：在种子、根中高表达，颖壳中无转录信号；

• AsPgb3.1–3.2 组：在各组织中均有较高水平表达。

所有 AsPgb 在根系中均可检测到转录信号，与植物球蛋白参与根系氧化应激调控的功能相符。

3.3 同源蛋白的结构比对

通过 ColabFold 预测 AsPgb 的三维结构，与已解析的 BvPgb1.2 晶体结构（PDB:7ZOS）进行骨架比对，结果显示 AsPgb1.1、AsPgb1.5 与 BvPgb1.2 的主链 RMSD 均小于 1Å，整体折叠方式高度同源，但表面电荷、局部疏水性存在差异。这种细微的序列差异，直接导致不同物种同源蛋白的体内、体外表达行为存在明显区别。

图 3.AsPgb 预测结构与 BvPgb1.2 主链叠合图

综上，植物球蛋白的表达优化涉及蛋白序列、融合标签、反应环境等多重变量，传统低通量筛选方式难以系统覆盖这些维度。数字微流控无细胞合成体系凭借纳升级反应、自动化并行处理的特性，为多变量同步筛选提供了可行的技术路径。基于上述实验设计与前期分析，研究完成了百组以上条件的表达测试与纯化验证，初步得到了半胱氨酸突变、氧化还原环境、可溶性标签三类变量对植物球蛋白表达与稳定性的调控规律，相关结果将在下篇展开详细解析。

参考文献

Groth, L.; Bülow, L. Digital Microffuidics-Driven Cell-Free Protein Synthesis Platform Reveals Expression and Stability Determinants for Phytoglobins and Cysteine-to-Alanine Substituted Variants. Antioxidants 2025, 14, 1317.

拓展阅读

Nuclera 无细胞蛋白表达筛选系统技术专栏（可访问曼博生物查看）

本文由中国抗体蛋白方案提供商上海曼博生物整理，用于科研信息分享和实验参考。上海曼博生物可提供 nuclera eProtein Discovery 无细胞蛋白表达筛选系统（可扫描下方图片查持)、数字微流控无细胞蛋白合成系统、eGene线性DNA模板构建及难表达蛋白高通量筛选相关产品，助力国内科研机构快速开展靶点验证、膜蛋白表达、AI 蛋白设计和酶的定向进化以及酶工程等相关研究，如您需要欢迎咨询！