pET SUMO là gì? Các công bố khoa học về pET SUMO

pET SUMO là gì?

pET SUMO là một hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp sử dụng vector pET kết hợp với thẻ SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier), được thiết kế để tối ưu hóa việc biểu hiện và tinh sạch protein trong vi khuẩn Escherichia coli (E. coli). Hệ thống này nổi bật nhờ khả năng cải thiện độ hòa tan, tăng cường mức độ biểu hiện và cho phép loại bỏ chính xác thẻ dung hợp sau khi thu nhận protein. pET SUMO được ứng dụng rộng rãi trong sinh học phân tử, nghiên cứu cấu trúc protein, công nghệ enzyme và phát triển dược phẩm sinh học.

Hệ thống dựa trên nguyên lý sử dụng promoter T7 mạnh mẽ để biểu hiện protein đích được dung hợp với thẻ SUMO và thẻ His6, sau đó tinh sạch bằng sắc ký ái lực và cắt bằng enzyme SUMO protease (ULP1) để thu được protein không mang dư thẻ.

Thẻ SUMO là gì?

SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier) là một protein nhỏ, có cấu trúc tương tự ubiquitin nhưng không liên quan đến phân hủy protein. Trong hệ thống pET SUMO, thẻ SUMO đóng vai trò như một chaperone phân tử, giúp tăng độ hòa tan và hỗ trợ gấp nếp đúng cấu trúc của protein tái tổ hợp trong tế bào E. coli – môi trường thường gặp khó khăn với các protein có cấu trúc phức tạp hoặc chứa cầu disulfide.

Một ưu điểm nổi bật của thẻ SUMO là khả năng được cắt bỏ chính xác bởi protease đặc hiệu – ULP1. Khác với các protease thông thường, ULP1 cắt ngay sau phần C của SUMO và không để lại axit amin thừa tại đầu N của protein mục tiêu, giúp thu được protein "native" với trình tự chính xác như trong tự nhiên.

Thành phần chính của vector pET SUMO

Vector pET SUMO được thiết kế tinh gọn nhưng đầy đủ chức năng để biểu hiện protein hiệu quả. Các thành phần chính bao gồm:

• Promoter T7: Promoter rất mạnh, được nhận diện bởi RNA polymerase T7 – thường được tích hợp sẵn trong dòng E. coli BL21(DE3).
• Vùng mã hóa thẻ His6: Cho phép tinh sạch protein qua sắc ký ái lực với cột nickel (Ni-NTA).
• Vùng mã hóa SUMO: Gắn vào đầu N của protein, hỗ trợ hòa tan và gấp nếp.
• Vùng cloning đa chức năng (MCS): Vị trí để chèn gene mục tiêu, nằm sau SUMO.
• Vùng nhận dạng và cắt của protease ULP1: Nằm giữa SUMO và gene mục tiêu.
• Kháng sinh chọn lọc (Ampicillin hoặc Kanamycin): Dùng để duy trì plasmid trong tế bào E. coli.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống pET SUMO

1. Gene mã hóa protein đích được chèn vào vector pET SUMO tại vị trí sau thẻ SUMO thông qua cloning.
2. Vector được biến nạp vào dòng E. coli có chứa polymerase T7 (ví dụ: BL21(DE3), Rosetta(DE3)).
3. Việc biểu hiện protein được cảm ứng bằng IPTG, kích hoạt promoter T7 để tổng hợp mRNA và dịch mã protein dung hợp SUMO–protein mục tiêu–His6.
4. Protein được tinh sạch bằng sắc ký ái lực Ni-NTA nhờ thẻ His6.
5. Thẻ SUMO được loại bỏ bằng protease ULP1, trả lại protein đích nguyên bản, không bị dư thẻ hoặc thay đổi trình tự.

Mô hình biểu hiện protein với hệ pET SUMO

Sơ đồ dòng biểu hiện và tinh sạch protein:

1. Cloning: Gen mục tiêu → vector pET SUMO
2. Biểu hiện: SUMO–protein mục tiêu–His6 trong E. coli
3. Tinh sạch: Sắc ký Ni-NTA
4. Cắt thẻ: ULP1 protease
5. Thu nhận: Protein đích “native”

Đây là mô hình biểu hiện chuẩn được áp dụng trong nhiều nghiên cứu protein hiện nay.

Ưu điểm nổi bật của hệ thống pET SUMO

• Tăng hiệu suất biểu hiện: Promoter T7 rất mạnh cho phép tạo ra lượng lớn protein.
• Giảm hình thành thể vùi: Thẻ SUMO cải thiện độ hòa tan, giảm tỷ lệ protein không gấp nếp đúng.
• Tách thẻ chính xác: Protease ULP1 cắt đúng tại điểm nối SUMO-protein mà không để lại đoạn dư.
• Tinh sạch dễ dàng: Thẻ His6 cho phép dùng sắc ký ái lực nhanh, tiết kiệm thời gian.
• Tiết kiệm chi phí: Toàn bộ quy trình có thể thực hiện trong E. coli – hệ biểu hiện rẻ và dễ thao tác.

So sánh với các hệ thống biểu hiện protein khác

Ứng dụng trong nghiên cứu và sản xuất

Hệ thống pET SUMO phù hợp với nhiều mục đích khoa học và công nghệ:

• Nghiên cứu chức năng protein, enzym học, cấu trúc protein bằng NMR hoặc tinh thể học.
• Sản xuất kháng nguyên dùng trong phát triển vaccine hoặc chẩn đoán.
• Tạo ra enzyme tái tổ hợp phục vụ công nghiệp sinh học, thực phẩm, dược phẩm.
• Tạo protein đích để phát triển kháng thể đơn dòng.

Các lưu ý kỹ thuật khi sử dụng pET SUMO

• Sử dụng chủng E. coli phù hợp như BL21(DE3), Rosetta để đảm bảo đầy đủ tRNA và polymerase T7.
• Tối ưu nhiệt độ và thời gian cảm ứng bằng IPTG – biểu hiện ở 16–25°C thường cho kết quả tốt hơn.
• Sử dụng enzyme ULP1 với nồng độ thích hợp, thường dùng tỉ lệ 1:100 đến 1:1000 so với protein tổng lượng.
• Có thể bổ sung DTT vào đệm cắt để duy trì hoạt tính protease ULP1.

Công thức tính hiệu suất biểu hiện

Hiệu suất biểu hiện protein có thể tính bằng công thức:

$\text{Yield (mg/L)} = \frac{\text{Protein concentration (mg/mL)} \times \text{Final volume (mL)}}{\text{Culture volume (L)}}$

Ví dụ: thu được 3 mg protein từ 50 mL lysate của 1 L nuôi cấy:

$\text{Yield} = \frac{3 \, \text{mg}}{1 \, \text{L}} = 3 \, \text{mg/L}$

Nguồn tài nguyên và tham khảo

• Sigma-Aldrich – SUMO Fusion System
• Thermo Fisher Scientific – Champion™ pET SUMO System
• Addgene – Plasmid and Vector Repository
• NCBI – SUMO fusion system in protein expression (PMCID: PMC145901)

Kết luận

pET SUMO là một hệ thống biểu hiện protein tiên tiến trong vi khuẩn E. coli, cung cấp giải pháp toàn diện cho việc tăng cường biểu hiện, cải thiện độ hòa tan và tinh sạch protein đích. Nhờ vào thẻ SUMO và enzyme cắt đặc hiệu ULP1, hệ thống này mang lại độ chính xác cao, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng nghiên cứu chuyên sâu và sản xuất protein quy mô phòng thí nghiệm hoặc công nghiệp. Với hiệu suất cao, chi phí thấp và quy trình rõ ràng, pET SUMO tiếp tục là công cụ không thể thiếu trong sinh học phân tử hiện đại.