系统工程化方法实现热稳定分子生物学酶的快速低成本生产

研究人员针对热稳定蛋白纯化过程繁琐、成本高昂的问题，开发了一套基于系统工程学的自动化生产平台。通过整合自诱导表达、细胞程序性自溶、DNA/RNA自水解及实验设计优化的沉淀纯化技术，实现了Taq DNA聚合酶等四种核心酶的一小时快速制备（纯度>95%）。该方案仅需基础实验设备，单次20 mL培养即可满足上千次反应需求，为合成生物学研究提供了可扩展的低成本解决方案。

　　

在分子生物学研究中，热稳定酶（thermostable enzymes）如Taq DNA聚合酶（Taq）是PCR等核心技术的基石。然而传统生产方法依赖层析纯化（chromatography），需要专业设备与操作经验，使得中小实验室难以自主制备。据文献记载，自1989年Taq基因被克隆以来，尽管表达系统不断优化，但成本与复杂度仍是主要瓶颈。

为突破这一限制，来自国外研究机构的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，创新性地将系统工程理念引入酶制剂生产。通过整合四大关键技术：1）低磷酸盐自诱导（autoinduction）表达系统（基于E. coli yibD启动子）；2）编程性细胞自溶（autolysis）技术；3）核酸自水解（autohydrolysis）模块；4）实验设计（Design of Experiments）优化的沉淀纯化流程，成功实现从培养到纯化的全流程简化。

背景
热稳定酶在DNA扩增与组装中具有不可替代性。研究指出，现有生产方法的高门槛限制了科研资源的公平获取。

结果
以Taq为模型，采用两阶段表达策略使产量提升3倍。关键创新在于：1）自溶系统实现90%细胞裂解；2）沉淀缓冲液（含1 M NaCl与10% PEG-8000）特异性捕获目标蛋白；3）SDS-PAGE验证纯度>95%。该方案同步适用于Fusion高保真聚合酶、Tth连接酶（Tth Lig）和逆转录酶（TTh RT）。

讨论
该平台显著降低设备依赖——仅需离心机与加热块即可完成生产。生物反应器实验证实其可扩展性，20 mL培养产量相当于商业产品的80%。

结论
这项研究通过系统工程学重构生物制造流程，使酶制剂生产成本降低90%，操作时间缩短至1小时。不仅为资源有限实验室提供自主生产能力，更展示了模块化生物制造（modular biomanufacturing）的潜力，对推动合成生物学普惠发展具有重要意义。