乳铁蛋白 (LF) 是转铁蛋白家族的一种多功能糖蛋白，天然存在于人乳和牛乳中。名称“LF”源于其与铁(ferrin，表示铁结合蛋白的后缀)结合的能力。

利用合成生物系统提高工业规模乳铁蛋白生产

LF 是母乳中重要的生物活性成分，有助于促进婴儿健康和发育。自 20 世纪 30 年代发现 LF 以来，科学家们一直对其着迷，因为它具有独特的生物学特性。LF 在免疫反应、抗菌活性和抗炎作用等生物活性中发挥作用。

LF 有助于先天免疫反应，并充当第一道防线。它能有效破坏细胞膜的完整性，通过降低铁的利用率来限制细菌繁殖。LF 还能对抗多种病毒。

此外，LF 还能与巨噬细胞和淋巴细胞等免疫细胞相互作用，增强免疫反应。因此，LF 在食品、化妆品和制药领域具有广泛的应用。

然而，从牛奶中分离和纯化乳清蛋白存在一定的局限性，导致该产品无法满足当前的市场需求。为了克服这些挑战，研究人员开发了微生物可以通过基因工程合成乳清蛋白的新技术。由于这种合成生物系统的发展，现在使用微生物制造大量乳清蛋白变得更加可行。

在 2024 年 8 月 20 日发表在《BioDesign Research》上的一项最新研究中，由中国安徽工程大学的刘昆博士领导的科学家团队讨论了 LF 表达系统的设计和构建，包括相关的挑战、解决方案和机遇。

刘教授表示：“通过使用合成生物表达系统在工业规模上生产 LF，可以克服获得满足市场需求的 LF 的挑战，因为在这些系统中表达的 LF 的结构与天然 LF 非常相似。”

为了创建 LF 的合成系统，了解其结构特性非常重要。LF 的分子量约为 80 千道尔顿，由大约 700 个氨基酸组成。它具有 C 端和 N 端叶。N 端叶在热力学上不太稳定，容纳铁结合位点。增加或向 N 端叶添加额外的二硫键可以增强 LF 的热稳定性。

LF 是一种碳水化合物通过 N 连接糖基化过程附着在其氮原子上的蛋白质。LF 糖基化可增强对酶降解的抵抗力，从而保持其结构稳定性。因此，实现 LF 的高稳定性取决于使用合适的宿主表达系统。

本研究总结了生产高表达LF的四种合成宿主生物系统——细菌、酵母、丝状霉菌和细胞系，并讨论了在这些系统中构建高产LF的挑战和解决方案。

在细菌宿主系统中，大肠杆菌是用于生产LF的最流行的合成生物系统。大肠杆菌系统可以生产700毫克/升的人类LF。然而，它也有一定的局限性。

大肠杆菌的蛋白质降解活性会损害LF蛋白，而细菌宿主缺乏进行生化修饰的机制。除此之外，新合成的LF蛋白可能会对宿主造成伤害。

与细菌系统相比，酵母和霉菌是更具竞争力的选择。这两种宿主系统都能提供强大的 LF 表达，并能进行生化加工，从而产生更稳定的 LF 蛋白。然而，这些系统的主要障碍是新产生的 LF 会对系统造成毒性，从而限制其表达。

研究人员强调，应降低发酵过程中 LF 的毒性，以增加蛋白质表达。最终宿主系统(细胞系)可以合成结构和功能与天然 LF 非常一致的 LF。

论文第一共同作者 Zhen Tong 进一步解释道：“细胞系系统面临的主要挑战是培养成本高、易受污染以及携带人类病原体的能力。此外，细胞系在 LF 大规模生产中的应用仍然有限。”

谈到如何克服合成生物系统带来的挑战，同样来自安徽理工大学的张宣琪说：“重新设计表达宿主的运输机制，确保产生的LF快速分泌到细胞外环境中，这一点很重要。我们还应该考虑敲除宿主中能够降解LF的关键酶。”

总之，使用合成生物系统可以帮助解决工业规模获取 LF 的问题。通过基因工程和宿主-生物相互作用实现 LF 的受控生产，这些系统可以为食品、制药和其他领域的应用打开大门。