@Chatgpt

你是一名生物科研工作者，你在做GST融合蛋白的原核表达，使用BL21感受态大肠杆菌，大肠杆菌活化过夜后，在OD=0.9时，加入IPTG。 诱导条件是0.5nM的 IPTG在37摄氏度摇床诱导5小时。结果是融合蛋白在包涵体中多，上清很少，蛋白约50kDa，非常容易降解。应该如何优化实验条件使得结果稳定，上清中多表达GST融合蛋白呢？

@ChatGPT

你是一名生物科研工作者，你在做GST融合蛋白的原核表达，使用BL21感受态大肠杆菌，大肠杆菌活化过夜后，在OD=0.9时，加入IPTG。 诱导条件是0.5nM的 IPTG在37摄氏度摇床诱导5小时。结果是融合蛋白在包涵体中多，上清很少，蛋白约50kDa，非常容易降解。应该如何优化实验条件使得结果稳定，上清中多表达GST融合蛋白呢？

qweruiop (游戏我只玩第五人格) 在 ta 的帖子中提到：

@Chatgpt

你是一名生物科研工作者，你在做GST融合蛋白的原核表达，使用BL21感受态大肠杆菌，大肠杆菌活化过夜后，在OD=0.9时，加入IPTG。 诱导条件是0.5nM的 IPTG在37摄氏度摇床诱导5小时。结果是融合蛋白在包涵体中多，上清很少，蛋白约50kDa，非常容易降解。应该如何优化实验条件使得结果稳定，上清中多表达GST融合蛋白呢？

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qweruiop's question:

你是一名生物科研工作者，你在做GST融合蛋白的原核表达，使用BL21感受态大肠杆菌，大肠杆菌活化过夜后，在OD=0.9时，加入IPTG。 诱导条件是0.5nM的 IPTG在37摄氏度摇床诱导5小时。结果是融合蛋白在包涵体中多，上清很少，蛋白约50kDa，非常容易降解。应该如何优化实验条件使得结果稳定，上清中多表达GST融合蛋白呢？

未名ChatGPT的深度思考:

Thought for 1 min 47 sec

好的，我现在需要帮用户解决GST融合蛋白在原核表达中遇到的问题。用户使用的是BL21大肠杆菌，诱导后大部分蛋白在包涵体中，上清很少，而且蛋白容易降解，约50kDa。首先，我需要回忆一下原核表达优化的常见策略，可能的问题点在哪里。

首先，包涵体形成通常是因为蛋白表达速度过快，导致折叠不足。而IPTG浓度、诱导温度、时间以及菌株选择都是关键因素。用户用的是0.5nM IPTG，这个浓度是不是太低了？一般来说，IPTG浓度在0.1-1mM之间，但这里写的是0.5nM，可能单位有误？或者用户真的用了极低浓度？如果确实是0.5nM，可能浓度过低导致诱导不完全，或者相反，可能持续低水平表达导致累积折叠问题。需要确认单位是否正确，不过用户可能打错了，应该是mM？或者是否可能用户想用低浓度诱导？

接下来是诱导温度，37度是比较高的温度，通常会促进蛋白快速表达，但也容易导致包涵体形成。降低温度到16-30度可能有助于蛋白正确折叠，减少包涵体。诱导时间5小时在37度可能过长，导致蛋白降解，尤其是如果宿主菌含有蛋白酶的话。BL21是蛋白酶缺陷型，但可能仍有部分活性，或者诱导时间过长导致菌体裂解，释放蛋白酶。

此外，菌株选择方面，BL21(DE3)适用于T7启动子，如果用户用的是pGEX载体，可能使用不同的启动子，比如tac，需要确认是否需要使用不同的菌株，比如加入DE3的菌株如果载体需要T7 RNA聚合酶的话。不过GST融合蛋白常用的是pGEX载体，使用lac或tac启动子，所以BL21可能没问题，但可能需要确认是否用了正确的菌株。

其他因素：诱导时机是否正确？OD=0.9时加入IPTG，通常对数中期是OD0.6左右，可能用户等到OD过高，导致菌体进入稳定期，此时表达可能受影响。或者OD测量可能有误，比如是否在正确的波长下测量（通常OD600）。另外，培养基的选择，比如丰富培养基如TB可能会提高表达量，但有时高密度培养也可能增加包涵体。

关于蛋白降解，可以考虑添加蛋白酶抑制剂，或者使用蛋白酶缺陷型菌株的更严格版本，比如BL21(DE3)pLysS，其中含有T7溶菌酶，抑制蛋白酶。此外，诱导后尽快收集菌体，并在低温下处理，避免蛋白降解。

总结可能的优化步骤：

1. 降低诱导温度，比如16-30度，减缓表达速度，促进正确折叠。

2. 调整IPTG浓度，如果用户确实用了0.5nM，可能需要提高浓度到0.1-1mM，但如果想减少表达量，可能使用更低浓度，如0.1mM，甚至更低，但需要测试。或者，如果原本是0.5mM，可能浓度过高，需要降低。

3. 缩短诱导时间，比如2-4小时，尤其在较高温度下。

4. 调整诱导时的菌体密度，OD=0.6左右开始诱导。

5. 使用不同菌株，如Origami B或Rosetta，提供更适宜的折叠环境或稀有密码子。

6. 优化培养基，如添加葡萄糖（如果载体需要抑制基础表达）、丰富培养基，或调整pH。

7. 添加辅助蛋白如分子伴侣共表达，帮助折叠。

8. 检查表达载体是否正确，比如GST标签的位置，是否有切割位点问题。

9. 在裂解时使用温和条件，避免过度剪切导致蛋白降解，并添加蛋白酶抑制剂。

10. 尝试不同的表达时间点，比如过夜低温诱导，可能增加可溶蛋白。

另外，用户提到蛋白容易降解，可能需要在裂解缓冲液中加入EDTA、PMSF等抑制剂，并在冰上操作。同时，SDS-PAGE时是否及时煮沸样品，避免蛋白酶作用。

需要进一步确认用户的具体实验步骤，比如诱导后的处理方式，裂解方法，以及检测方法是否正确。是否有进行SDS-PAGE验证，并确保没有过度离心导致可溶部分丢失。

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未名ChatGPT的回答:

针对GST融合蛋白在原核表达中包涵体多、可溶表达少且易降解的问题，以下为系统性优化建议：

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### **一、诱导条件优化**

1. **降低诱导温度**  

   - 将温度从37℃降至**16-25℃**（如18℃过夜诱导），减缓蛋白合成速率，促进正确折叠。

   - *原理*：低温降低翻译速度，减少疏水区域聚集，增加可溶蛋白比例。

2. **调整IPTG浓度与诱导时间**  

   - 确认IPTG浓度单位是否正确（常见为0.1-1 mM，若原文为0.5 nM则可能需提高至0.1-0.5 mM）。  

   - 使用**低浓度IPTG（如0.1-0.4 mM）**结合**延长诱导时间（12-16小时）**，平衡表达速率与折叠效率。

3. **优化诱导起始点**  

   - 在**OD600=0.4-0.6**（对数中期）时加入IPTG，避免高密度培养导致的代谢压力。

---

### **二、菌株与载体适配性**

4. **更换表达菌株**  

   - 尝试**BL21(DE3)pLysS**（抑制蛋白酶活性）或**Origami B**（增强二硫键形成，需含pGEX载体trxB/gor突变兼容性）。  

   - 若存在稀有密码子，使用**Rosetta系列**补充tRNA。

5. **验证载体兼容性**  

   - 确保载体启动子（如tac或T7）与菌株匹配（如T7启动子需BL21(DE3)）。

---

### **三、培养与裂解优化**

6. **培养基调整**  

   - 使用高营养培养基（如TB培养基）提高蛋白溶解度。  

   - 添加**0.5-1%葡萄糖**（若载体含lac启动子）抑制基础表达，诱导前更换无糖培养基。

7. **共表达分子伴侣**  

   - 引入质粒如**pGro7/groEL-groES**或**pTf16/trigger factor**，辅助蛋白折叠。

8. **裂解与纯化保护**  

   - 添加**1 mM PMSF**、**EDTA**或商用蛋白酶抑制剂至裂解缓冲液。  

   - 裂解后立即冰上操作，避免反复冻融。  

   - 超声破碎时采用**短时多次脉冲**（如10 s开/20 s关，总时长3-5 min），减少热变性。

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### **四、降解问题针对性策略**

9. **缩短诱导后处理时间**  

   - 诱导完成后迅速离心收集菌体（4℃），并立即裂解或冻存于-80℃。

10. **优化SDS-PAGE检测**  

    - 煮沸样品前加入**5 mM DTT**或β-巯基乙醇还原二硫键，确保蛋白完全变性。  

    - 使用**Coomassie蓝快速染色**（避免长时间固定导致小片段丢失）。

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### **五、对照实验建议**

- **阴性对照**：未诱导菌体裂解液，确认条带特异性。  

- **阳性对照**：已知可溶表达的GST融合蛋白体系，验证实验流程可靠性。  

- **梯度测试**：设置IPTG浓度（0.1/0.2/0.5 mM）、温度（18/25/30℃）、时间（4/8/16小时）的多因素组合实验。

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通过上述调整，可显著提高可溶蛋白比例并减少降解。建议优先尝试**低温诱导（18℃）+ 低浓度IPTG（0.1 mM）+ 延长诱导时间（16小时）**的组合，多数情况下可有效改善结果稳定性。

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qweruiop's question:

你是一名生物科研工作者，你在做GST融合蛋白的原核表达，使用BL21感受态大肠杆菌，大肠杆菌活化过夜后，在OD=0.9时，加入IPTG。 诱导条件是0.5nM的 IPTG在37摄氏度摇床诱导5小时。结果是融合蛋白在包涵体中多，上清很少，蛋白约50kDa，非常容易降解。应该如何优化实验条件使得结果稳定，上清中多表达GST融合蛋白呢？

未名ChatGPT的深度思考:

Thought for 1 min 51 sec

嗯，用户在做GST融合蛋白的原核表达，遇到了包涵体多、上清少且蛋白降解的问题。首先，我需要回顾一下原核表达中影响可溶性表达的因素。可能的原因包括诱导条件过于剧烈，比如IPTG浓度过高、温度过高或者诱导时间过长，导致细菌快速大量表达蛋白，来不及正确折叠，从而形成包涵体。另外，蛋白本身的性质，比如含有真核生物的复杂结构域，可能在大肠杆菌中难以正确折叠。降解的问题可能和宿主菌的蛋白酶活性有关，或者蛋白本身不稳定。

用户目前用的是0.5nM IPTG，这个浓度其实已经非常低了，通常IPTG浓度在0.1-1mM之间，所以这里可能是不是单位写错了？比如是不是应该是0.5mM？如果是0.5nM的话，可能浓度太低，导致诱导不足，但结果却显示包涵体多，这有点矛盾。或者可能用户确实是用了0.5nM，但诱导时间过长，或者温度太高，导致表达量过高，超过折叠能力。

另外，使用的菌株是BL21，这个菌株是DE3的吗？如果质粒带有T7启动子，需要BL21(DE3)才能表达T7 RNA聚合酶。如果用户用的是普通BL21，可能表达效率低，但这里的问题反而是表达过多导致包涵体，所以可能菌株是对的。不过BL21缺乏一些蛋白酶，比如lon和ompT，可能减少降解，但用户提到蛋白容易降解，可能还需要补充蛋白酶抑制剂，或者改用更缺乏蛋白酶的菌株，比如添加T7表达的质粒可能需要调整。

接下来思考优化方向：

1. 降低诱导温度：比如降到16-30度，减缓蛋白合成速度，让折叠更充分。通常低温下表达可溶性增加，但表达量可能降低，需要平衡。

2. 调整IPTG浓度：可能用户原本的浓度太低，但如果实际是0.5mM，可以考虑降低到0.1mM或更低，减少诱导强度。如果真的是0.5nM，可能已经很低了，可能需要检查是否有其他问题。

3. 缩短诱导时间：5小时在37度可能过长，导致蛋白积累过多而降解，可以尝试缩短到2-3小时，或者在诱导不同时间点取样检测。

4. 使用不同菌株：比如BL21(DE3)pLysS或Rosetta系列，提供稀有密码子的tRNA，或者使用表达分子伴侣的菌株，如Origami或Shuffle，帮助二硫键形成。

5. 检查表达载体：是否带有可溶性标签，比如除了GST之外的其他标签，或者考虑使用不同的表达载体，比如带有SUMO标签等增强可溶性的系统。

6. 添加辅助因子：比如在培养基中添加葡萄糖（减少代谢压力）、适当的金属离子或辅酶，帮助蛋白正确折叠。

7. 裂解条件优化：可能在裂解时条件太剧烈，导致可溶部分被破坏，可以尝试温和裂解，比如使用溶菌酶和低浓度去污剂，或者调整缓冲液的pH、离子强度等。

8. 蛋白酶抑制剂的使用：在裂解时添加EDTA、PMSF等抑制剂，防止降解。

另外，用户提到蛋白约50kDa，这个大小是否容易形成包涵体？较大的蛋白可能更容易聚集，所以可能需要更温和的条件。

可能的步骤：

首先确认IPTG浓度是否正确，如果是0.5nM是否足够诱导，可能需要确认质粒构建是否正确，比如启动子类型。然后尝试降低温度到25-30度，使用较低浓度的IPTG（如0.1mM），诱导时间缩短到3小时左右。同时更换菌株到BL21(DE3)pLysS或Rosetta，或者使用Origami系列。在诱导时添加一定浓度的葡萄糖（比如0.5%），以降低代谢压力。在裂解时加入蛋白酶抑制剂，并在裂解后立即置于冰上处理，避免高温导致降解。

如果这些调整后仍无效，可能需要尝试不同的表达系统，比如改用酵母或昆虫细胞，但用户可能希望先优化原核系统。此外，检查蛋白的序列是否存在疏水区域或容易聚集的结构域，可能需要截断表达或共表达分子伴侣。

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未名ChatGPT的回答:

根据您描述的问题，以下是优化GST融合蛋白可溶性表达的详细方案，分步骤进行：

### 1. **优化诱导条件**

**（1）降低诱导温度**（最优先调整）

- 将37℃改为16-25℃低温诱导（推荐梯度测试：16℃、20℃、25℃）

- 低温可显著减缓蛋白合成速率，促进正确折叠

- 延长诱导时间至12-16小时（低温下需补偿合成速率下降）

**（2）调整IPTG浓度**

- 将0.5nM提升至0.1-0.5mM范围（需确认原浓度是否为笔误）

- 建议梯度测试：0.1mM、0.2mM、0.5mM

- 若确实需要超低浓度诱导，可尝试0.01-0.05mM

**（3）缩短诱导时间**

- 37℃时缩短至2-3小时（需配合取样检测）

- 建议时间梯度：2h、3h、4h、5h（监测降解情况）

### 2. **改良表达系统**

**（1）更换表达菌株**

- 优先尝试：Origami B(DE3)（增强二硫键形成）

- 备选方案：BL21(DE3)pLysS/Rosetta2（补充稀有密码子）

- 分子伴侣共表达菌株：如T7-Shuffle（含GroEL/GroES）

**（2）添加辅助因子**

- 培养基中补充：

  - 0.5%葡萄糖（降低代谢压力）

  - 5mM β-巯基乙醇（维持还原环境）

  - 0.5mM ZnSO₄（金属依赖蛋白需补充）

### 3. **优化培养体系**

**（1）培养基选择**

- 改用Terrific Broth（TB）替代LB

- 添加非发酵碳源：0.5%甘油

**（2）诱导时机调整**

- 在OD600=0.6-0.8时提前诱导

- 测试不同生长阶段（0.6、0.8、1.0）

### 4. **抑制蛋白降解**

**（1）裂解缓冲液优化**

- 添加蛋白酶抑制剂cocktail

- 含1mM PMSF + 5mM EDTA

- 补充1mM DTT（防止氧化聚集）

**（2）裂解方法改良**

- 超声破碎时采用：3s脉冲/10s间隔，冰浴降温

- 总时长不超过5分钟（避免产热）

### 5. **表达验证策略**

**（1）小试条件筛选**

- 设置4×4条件矩阵：

  - 温度梯度（16℃、25℃、30℃、37℃）

  - IPTG梯度（0.05mM、0.1mM、0.2mM、0.5mM）

**（2）检测时点**

- 诱导后2h、4h、6h、过夜（16h）取样

- 同步检测上清与沉淀

### 6. **特殊处理方案**

**（1）融合标签优化**

- 在GST标签后插入TEV酶切位点

- 添加Trx融合标签（双标签系统）

**（2）分子伴侣共表达**

- 同时转化pGro7质粒（表达GroES/GroEL）

- 诱导时添加1mg/mL L-阿拉伯糖

### 7. **疑难问题应对**

若上述优化仍不理想：

- 尝试auto-induction培养基（Studier系统）

- 构建截短体（预测并去除疏水结构域）

- 改用冷休克表达载体（如pCold系列）

### 实验方案示例（优先推荐）：

markdown
1. 菌株：Origami B(DE3)
2. 培养基：TB + 0.5%甘油 + 0.5%葡萄糖
3. 诱导条件：
- OD600=0.6时加0.1mM IPTG
- 20℃诱导16小时
4. 裂解缓冲液：
- 50mM Tris-HCl (pH8.0)
- 150mM NaCl
- 1% Triton X-100
- 1mM DTT + 蛋白酶抑制剂

建议优先尝试低温诱导结合分子伴侣共表达策略，同时注意在裂解后立即置于冰上操作并添加足量EDTA。若蛋白仍不稳定，可尝试在纯化缓冲液中加入10%甘油作为稳定剂。建议使用SDS-PAGE结合Western Blot（抗GST抗体）精确追踪蛋白降解情况。

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