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異種表達系統的奇蹟：為什麼大腸桿菌成為基因表達的最佳選擇？
異種表達系統在現今的生物技術領域中扮演著重要的角色。這種技術的核心是將某一基因插入到不自然表達該基因的宿主有機體中。大腸桿菌，作為最廣泛使用的宿主之一，憑藉其快速的增殖速度和高效的基因表達機制，成為七十年代及八十年代基因表達革命的推手。
異種表達的主要目的是理解突變和不同相互作用對蛋白質功能的影響。透過重組DNA技術，插入的基因可以在宿主中發揮作用，這提供了一種輕鬆的方法來高效率地表達和實驗那些在自然界中不存在的基因和突變體。根據重組在宿主基因組中的持久性，異種表達可分為長期（穩定）和短期（暫時）。
由於大腸桿菌在基因工程方面的優勢，包括快速增殖、經濟實惠及廣泛的基因組研究，使其成為異種表達系統的理想選擇。
表達系統的類型
異種表達可在多種宿主有機體中進行，從細菌到酵母，再到哺乳動物細胞和植物細胞。選擇特定的表達系統時，需考慮經濟性和質量等因素。大腸桿菌被廣泛應用於重組DNA技術中，因其對蛋白質進行調控的低成本及控制力，尤其是在處理可重組蛋白質時。
基因導入技術
基因導入技術多樣，包括基因槍、電穿孔、病毒轉導和脂質轉染等。這些技術各具特色，但皆旨在有效地將基因導入宿主細胞。
基因槍和生物擊法
基因槍法因其非病毒特性而受到青睞。此技術透過氦氣推進來傳送變化向量，能夠有效穿透細胞壁，尤其是在植物細胞的基因轉化中效果顯著。近來，這個方法也已被應用於某些動物細胞中，獲得了良好的效果。
電穿孔
電穿孔技術利用高電壓在哺乳動物細胞膜上創造短暫的孔洞，讓DNA能夠進入細胞。這種方法適用於多種組織類型，且可用於長期和短期轉染。
脂質轉染法
透過脂質轉染法，基因被注入帶有脂質囊泡的DNA序列中，這種方法廣泛應用於不同的細胞類型，並且能快速獲得穩定或暫時的表達。
宿主系統的選擇
在對蛋白質進行異種表達時，經常使用的宿主有大腸桿菌、酵母、昆蟲及哺乳動物細胞。特定宿主的選擇會受到經濟效益和所需蛋白質的特性影響。
雖然哺乳動物細胞能夠進行重要的後轉錄修飾，但大腸桿菌的低成本和快速增殖速度使其在許多場合仍佔據主導地位。
大腸桿菌的優勢
大腸桿菌憑藉其每20–30分鐘的增殖速率，以及支持穩定表達的能力，成為科學家們首選的表達系統之一。然而，當某些蛋白質在E. coli中表達時，可能會出現沉澱和聚集的情況，這需要額外的處理來恢復其功能。
酵母和其他宿主的比較
酵母如S. cerevisiae和P. pastoris提供高於大腸桿菌的表達水平，尤其適合製作安全的藥物產品。而昆蟲系統及哺乳動物細胞則在進行後轉錄修飾方面具有優勢，尤其適合對靶細胞需進行細致調控的情況。
應用領域
異種表達技術的應用範疇十分廣泛，從生物分子研究到藥物開發，這些技術都在推動生物醫學進步。透過這些技術，研究者可以有效進行蛋白質互作研究，機器學習也正被用於預測蛋白質結構和功能。
生物分子研究
在生物分子研究中，異種表達系統使得科學家可以研究複雜的蛋白質結構和功能，並有助於理解疾病機制。
藥物開發
在藥物開發中，異種表達系統能有效評估酶活性，最早的市場蛋白質產品，人類胰島素Humulin，便是由大腸桿菌生產的。該系統的成功示例強調了在安全和有效的轉換中，良好選擇表達系統的重要性。
隨著生物技術的不斷發展，異種表達系統必將迎來更多的挑戰與機遇。究竟未來會出現哪些新的表達系統來改變這一領域呢？
