[发明专利]一种蛋白生产装置及方法

说明书

本发明揭示了一种蛋白生产装置及方法，包括反应室、补充室和透析膜，所述反应室与液相无细胞蛋白合成反应体系的供应设备连通，所述补充室与液相物料补充体系的供应设备连通；所述透析膜用于将所述反应室与补充室分隔，所述液相无细胞蛋白合成反应体系中产生的抑制蛋白合成反应的副产物以及二氧化碳等废气能够连续穿过所述透析膜而被去除，以及，所述液相物料补充体系中的蛋白合成反应所需底物能够连续透过所述透析膜而补充入反应单元。本发明提供的蛋白生产装置及方法，将无细胞蛋白生产的连续流加式及连续交换式相结合有效减小反应容器的总体尺寸使得反应更加灵活。

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种蛋白生产装置及方法。

背景技术

近年来，无细胞蛋白合成(cell-free protein synthesis，CFPS)作为一种新型的蛋白质合成方法，展现出巨大的潜力和应用前景。该蛋白质合成系统的主要组分包括具有基本转录和翻译功能的粗提取物、DNA模板、能量再生物质、辅因子和无机盐等。与自然状态下活细胞合成蛋白质不同，无细胞蛋白合成体系不受细胞膜的限制，不仅允许无细胞蛋白体系合成对细胞活性有害的蛋白质，还使基因更容易被编辑，蛋白质合成过程更好监控，极大地增加了蛋白质合成过程的灵活性。因此，无细胞合成体系具有比活细胞合成方法更快的蛋白质表达率、更高的蛋白质产量和可合成更复杂的蛋白质。

无细胞蛋白表达的反应方式有：

(1)批次反应(batch)：该方式是在CFPS体系中一次性的加入模板、细胞提取物和能量缓冲液进行相关蛋白的表达。该体系是封闭的，能量供应体系和底物均能够最大程度的被利用，可以实现反应体系的放大和多种蛋白的平行表达。

(2)连续流加式(continuous-flow)：该生产方式在反应过程中，需要不断添加反应所需的物质和能量，并定时清除反应副产物.将这种生产方式应用于大肠杆菌和麦胚CFPS，反应时间可延长至20h。

(3)连续交换式反应(continuous-exchange cell-free translation system，CECF)该方式的蛋白质表达发生在具有选择透过性的透析膜的反应液中。通过透析膜可连续供应能量和底物，同时，如无机小分子等反应的副产物通过透析膜扩散至补充液，降低其代谢产物对蛋白表达的抑制作用。该方式延长了反应时间，提高了蛋白表达产量。

但现有的无细胞表达体系在成本和产率上难以实现蛋白质的大规模应用，其存在的问题如下所示：

(1)批次反应(batch)的体系是封闭的，在体系反应过程中，所需物质不能添加，随着反应的进行，能量和底物逐渐被消耗，代谢产物和游离磷酸盐等的积累抑制反应导致系统的寿命短，蛋白表达体系小多为50μL且反应时长在3h左右，蛋白质产量低，通常只能达到μg mL-1。

(2)连续流加式(continuous-flow)生产方式在反应过程中，需要不断添加反应所需的物质和能量，并定时清除反应副产物，连续流加操作的繁琐性和装置的复杂性严重限制了该模式的实用性。

(3)连续交换式反应如目前商业化的无细胞合成体系快速翻译系统RTS 100/500/9000E.coli HY试剂盒则包括反应试剂及反应容器，需配套恒温振荡器进行反应，成本高昂，受仪器所限反应体积最大为10mL，通常应用在蛋白结构测定、蛋白结晶等研究领域，并且当无细胞体系应用于代替传统的细胞内基因表达方法大规模生产异源蛋白质时，由于需要充分长期补充能量和反应底物，从而增加了生产成本和降低了竞争力。

目前已有的连续交换式无细胞生产方式如图1所示，在该体系中透析管里的反应混合物得不到混合或搅拌，反应速率相对较低，有一定的体积要求，对反应体系条件更加严格；其混合搅拌作用的转子在装有补充液的容器中搅拌时会产热，整体反应体系的温度是不可控的，不适用于一些对温度敏感的合成反应，且透析管是不可二次使用的，而透析管的价格较为昂贵，增加了每次实验的成本。