天然蛋白vs重组蛋白：核心差异、应用选择与质量控制全解析

天然蛋白与重组蛋白是现代生命科学研究与生物技术应用中的两大核心物质基础。它们虽然在最终功能上可能相似，但在来源、制备路径、分子特性及应用指向性上存在根本性差异。明确理解二者的区别，对于科研实验设计、数据解读乃至生物试剂的选择都至关重要。

一、核心定义与来源

天然蛋白（Native Proteins） 是指直接从生物体（如动物组织、植物、微生物或体液）中分离纯化而来的蛋白质。其氨基酸序列、三维空间结构及所有的翻译后修饰（PTMs）均由原始宿主生物体的基因编码和细胞器功能所决定，未经人为的基因工程改造。例如，从猪胰腺中提取的胰岛素、从人血浆中纯化的白蛋白均属于天然蛋白。

重组蛋白（Recombinant Proteins） 则是利用重组DNA技术，将编码目标蛋白的基因片段插入到表达载体中，然后导入到异源宿主细胞（如大肠杆菌、酵母、昆虫细胞或哺乳动物细胞）中进行表达，再经纯化获得的蛋白质。其生产完全在受控的实验室或工业发酵环境中进行，基因序列可进行人工设计与优化。

二、生产路径与技术流程

天然蛋白的生产路径：

原料获取：依赖生物来源，如屠宰场组织、献血血浆、植物提取物或大规模微生物培养物。

提取与粗纯：通过物理或化学方法破碎组织或细胞，释放内容物，常采用沉淀法（如硫酸铵沉淀）进行初步浓缩和富集。

层析纯化：利用离子交换、疏水相互作用、尺寸排阻及可能的亲和层析等多步层析技术，从极其复杂的混合物中分离出目标蛋白。

挑战：工艺高度依赖原料质量与供应稳定性，起始物料成分复杂，杂质多，纯化工艺开发难度大，目标蛋白得率通常较低，且存在病原体安全风险。

重组蛋白的生产路径：

基因克隆与载体构建：化学合成或PCR扩增目标基因，将其克隆至带有强启动子、筛选标记的表达载体中。

宿主转化与表达：将重组载体导入表达宿主。不同宿主系统（原核/真核）的选择直接影响蛋白折叠和修饰能力。

发酵/培养与收获：在生物反应器中大规模培养工程细胞，诱导蛋白表达，收获细胞或上清液。

纯化：常利用基因工程引入的纯化标签（如His-tag、GST-tag），通过固定化金属亲和层析（IMAC）等高效步骤进行捕获和纯化，工艺相对标准化。

优势：生产不受自然来源限制，可实现规模化、标准化生产，工艺可控性高，易于去除宿主特异性杂质。

三、关键分子特性差异

翻译后修饰（PTMs）：

天然蛋白：携带其原始生物宿主所产生的完整、天然的PTMs谱系，如糖基化、磷酸化、乙酰化、硫酸化等。这些修饰的类型、位点和异构体复杂度高，是介导其精确生物学功能的关键。例如，天然促红细胞生成素（EPO）的糖基化对其体内半衰期和活性至关重要。

重组蛋白：其PTMs谱完全取决于所选用的表达宿主系统。

大肠杆菌：无法进行真核特有的复杂糖基化，可能形成包涵体。

酵母：能进行糖基化，但糖链类型为高甘露糖型，与哺乳动物差异较大。

昆虫细胞（杆状病毒系统）：糖基化简单，多为寡甘露糖型。

哺乳动物细胞（如CHO、HEK293）：能产生最接近人类蛋白质的复杂型N-糖基化和其他修饰，但糖型仍可能具有宿主细胞系特异性，与天然蛋白的微观异质性存在差异。

结构与折叠：

天然蛋白：在原始细胞的天然环境中折叠，通常具有正确的三维构象。

重组蛋白：在异源宿主中折叠，可能因表达速率过快、宿主分子伴侣不同或环境压力而导致错误折叠或形成不溶性聚集体（包涵体），需要复杂的复性工艺。

纯度与杂质谱：

天然蛋白：杂质可能包括同源蛋白异构体、其他宿主蛋白、核酸、脂类、内毒素以及潜在的病原体。完全去除结构高度相似的杂质极具挑战。

重组蛋白：主要杂质来源于宿主细胞（宿主细胞蛋白HCP、宿主DNA、内毒素）及培养基成分。杂质谱相对明确，可通过工艺进行针对性去除。

四、技术考量与选择原则

在选择使用天然蛋白还是重组蛋白时，需基于具体研究目标进行技术考量：

选择天然蛋白的情形：

研究蛋白质在生理或病理状态下的真实分子形式，特别是PTMs的功能。

作为标准品或参照物，用于质谱分析、疾病生物标志物验证。

用于生产识别天然构象表位的抗体。

当重组表达系统无法成功表达具有活性的复杂蛋白时。

选择重组蛋白的情形：

需要大量、稳定且成本可控的蛋白供应。

研究蛋白质的核心生物活性，而复杂的PTMs非必需时。

需要对蛋白质进行定点突变、片段删除或标记融合（如荧光蛋白、纯化标签）的功能研究。

对安全性有高要求，需避免血源性或组织源性病原体风险的应用。

天然蛋白与重组蛋白并非简单的优劣替代关系，而是互为补充的技术工具。天然蛋白是理解生命“原貌”的黄金参照，但其获取在规模化、标准化和安全性上存在局限。重组蛋白技术则以其强大的可设计性和规模化生产能力，成为现代生物医药和基础研究的支柱。科研与工业实践中的明智选择，源于对两者在分子本质、制备逻辑及特性差异上的深刻理解。

参考文献

1.Ferrer-Miralles, N. et al. Engineering protein self-assembling in protein-based nanomedicines for drug delivery and gene therapy. Crit. Rev. Biotechnol. 35, 209–221 (2015).

2.Aebersold, R. & Mann, M. Mass spectrometry-based proteomics. Nature 422, 198–207 (2003).

3.Liu, C. et al. Challenges and advances in the purification of recombinant proteins. Curr. Opin. Biotechnol. 42, 25–29 (2016).