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蛋白發光染液:蛋白質檢測的關鍵技術工具

更新時間:2025-06-20      點擊次數:27
在生命科學研究、生物技術產業以及醫學診斷等眾多領域,蛋白質的準確檢測與分析至關重要。蛋白質作為生命活動的主要執行者,其表達水平、修飾狀態以及相互作用等信息,為揭示生命過程的奧秘、疾病的發生機制以及開發新型治療方法提供了關鍵線索。蛋白發光染液作為一種強大的蛋白質檢測工具,通過與蛋白質特異性結合并產生可檢測的發光信號,實現了對蛋白質的高靈敏度、高特異性檢測,在現代生物學研究中占據著地位。
一、工作原理
蛋白發光染液的工作原理基于多種化學反應和物理現象,不同類型的發光染液具有各自作用機制。目前,應用較為廣泛的蛋白發光染液主要包括基于化學發光和熒光發光兩種類型。
(一)化學發光染液
以常用于免疫印跡(Western Blot)實驗的增強化學發光(ECL)染液為例,其核心反應體系涉及辣根過氧化物酶(HRP)和魯米諾。在該體系中,當 HRP 標記的抗體與膜上的目標蛋白特異性結合后,加入含有魯米諾和過氧化氫的 ECL 工作液。在 HRP 的催化作用下,過氧化氫分解產生氧自由基,氧自由基將魯米諾氧化為激發態的 3 -
氨基鄰二甲酸,當激發態的 3 - 氨基鄰苯二甲酸回到基態時,會以光的形式釋放能量,從而產生化學發光信號。通過檢測這種發光信號的強度和位置,即可確定目標蛋白的存在和含量。一些 ECL 發光染液中還添加了特殊的增強劑,能夠顯著增強發光信號并延長發光時間,使其檢測靈敏度可達到飛克(fg,10?1?g)級別,極大地提高了對低豐度蛋白質的檢測能力。
(二)熒光發光染液
熒光蛋白發光染液則利用了熒光染料與蛋白質結合后在特定波長光激發下發出熒光的特性。例如,DyLight 系列熒光染料,其具有良好的水溶性、pH 不敏感性、高亮度、光穩定性以及較長的圖像采集時間等優點。這些染料可以通過與蛋白質的氨基或巰基等活性基團共價結合,實現對蛋白質的標記。在合適的激發光照射下,被標記的蛋白質會發出特定波長的熒光,通過熒光成像設備檢測熒光信號的強度和分布,從而對蛋白質進行定性和定量分析。不同熒光染料具有不同的激發和發射光譜,科研人員可以根據實驗需求選擇合適的熒光染料,實現對多種蛋白質的同時檢測,即所謂的多重檢測技術。
二、類型與特點
(一)ECL 超敏發光液
ECL 超敏發光液在免疫印跡實驗中應用極為廣泛。如美侖生物的飛克特超敏 ECL 發光液,其對抗原的檢測限可達飛克級,具有靈敏度。在實驗中,一抗(1 mg/mL)儲存液可稀釋 1:1,000 至 1:50,000 倍,二抗(1mg/mL)儲存液可稀釋 1:50,000 至 1:200,000 倍,大大節省了抗體的使用量。該發光液的發光信號持久,結果可通過 X 光膠片曝光或其他熒光成像設備進行檢測。此外,像 EnlightTM 這種超靈敏的 ECL 發光液,含有發光增強劑和穩定劑,不僅靈敏度高,能檢測到微弱信號,而且在 4℃儲存 1 年以上,信號強度不變。同時,其含有的精準發光底物可提高信噪比 110 倍以上,在靈敏度更高的同時背景卻更低,發光時間長達幾小時以上,便于實驗人員進行曝光操作 。
(二)熒光染料類發光染液
  1. DyLight 系列:DyLight 系列熒光染料涵蓋了從可見光到紅外光區域的多種產品,如 DyLight 488、DyLight 549、DyLight 649、DyLight 680 和 DyLight 800 等。這些染料的激發和發射光譜與常見的激光和濾光片組兼容,在免疫分析、蛋白質印跡、微陣列、細胞染色、流式細胞術和免疫熒光等多種應用中表現出色。例如,在免疫熒光實驗中,DyLight 染料標記的抗體能夠清晰地顯示細胞內目標蛋白的定位和分布,為研究蛋白質的功能和細胞內信號傳導途徑提供了有力工具。苯Pro - Q Diamond 熒光染料:該染料專門用于磷酸化蛋白質的染色。其具有方便、快速、高靈敏度的特點,線性范圍超過 3 個數量級,并且與質譜鑒定兼容。在 2003 年由 Molecular Probes 的 Wavne Patton 報道,其激發光波長為 488 nm,吸收峰波長為 532 nm。研究人員通過將一些蛋白質和肽點樣在蛋白質芯片上,使用 Pro - Q Diamond 檢測芯片上蛋白質和肽的磷酸化水平,靈敏度可達 312 - 625 fg,為信號通路和磷酸酶抑制研究提供了良好的平臺 。

  1. ProteOrange® 染料:用于聚丙烯酰胺凝膠電泳后蛋白質的快速可視化。它是一種含有兩性離子片段的芪型熒光團,在核酸、多糖和其他分子存在的情況下,蛋白質 / 十二烷基硫酸鈉膠束(SDS)會選擇性地結合該染料。分子量在 6 kDa 及以上的蛋白質可被有效染色,熒光信號與蛋白質濃度在三個數量級的濃度范圍內呈線性關系。ProteOrange 凝膠染色的靈敏度約為考馬斯亮藍染色的十倍,雖然低于銀染色,但與銀染色相比,其染色方案要簡單得多,不需要洗滌,對于標準 SDS - PAGE 也不需要固定步驟。整個染色過程 30 - 60 分鐘即可完成,包括將凝膠在含有染料的 7.5% 乙酸水溶液中孵育,然后用 7.5% 乙酸短暫沖洗 30 秒。使用波長為 312 - 365 nm 的透射儀即可進行可視化。

  1. Lumitein™蛋白質凝膠染色劑:設計用于檢測 SDS 聚丙烯酰胺(SDS - PAGE)凝膠中的蛋白質,經過額外的 SDS 孵育步驟后,也可用于檢測天然 PAGE 凝膠中的蛋白質。該染色劑具有靈敏度,可檢測到小于 1 ng 的蛋白質,與銀染色靈敏度相當。操作簡單快速,固定和染色可在 30 - 90 分鐘內一步完成,隨后只需用清水簡單沖洗。背景極低,與常見儀器兼容,可使用 300 nm 紫外凝膠盒(EB 濾光片)、Dark Reader 或激光掃描儀進行成像。線性檢測范圍寬,至少可達三個數量級,并且與下游分析(如質譜和測序)兼容,在室溫下穩定性高 。

三、操作流程
(一)免疫印跡(Western Blot)中 ECL 發光染液的操作
  1. 樣品制備與電泳:首先,將待檢測的蛋白質樣品進行處理,如細胞裂解、組織勻漿等,以提取蛋白質。然后通過十二烷基硫酸鈉 - 聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS - PAGE)根據蛋白質分子量大小對其進行分離。

  1. 轉膜:將凝膠上分離的蛋白質轉移到固相膜(如 PVDF 膜或硝酸纖維素膜)上,使蛋白質固定在膜上,便于后續與抗體結合。

  1. 封閉:用含有封閉劑(如 5% 脫脂奶粉或 BSA)的緩沖液孵育膜,封閉膜上非特異性結合位點,減少背景信號。

  1. 一抗孵育:將膜與特異性識別目標蛋白的一抗孵育,一抗與目標蛋白特異性結合。孵育條件通常為 4℃過夜或室溫孵育 1 - 2 小時,具體時間根據抗體說明書確定。

  1. 二抗孵育:用洗滌緩沖液(如 PBST)充分洗滌膜后,加入與一抗來源物種匹配的辣根過氧化物酶(HRP)標記的二抗。二抗與一抗結合,從而將 HRP 標記到目標蛋白所在位置。二抗孵育一般在室溫下進行 1 - 2 小時。

  1. 洗膜:再次用洗滌緩沖液充分洗滌膜,去除未結合的二抗,以降低背景信號。

  1. 發光液混合與孵育:新鮮配制 ECL 工作液,將 A 液和 B 液按照 1:1 的比例混合均勻。將混合后的發光液均勻覆蓋在膜表面,確保膜浸潤在發光液中,室溫孵育 1 - 5 分鐘,使發光反應充分進行。

  1. 信號檢測:孵育完成后,用鑷子小心取出膜,去除多余的發光液(可將膜輕靠在吸水紙上吸干多余液體,但避免膜干燥)。若使用 X 射線膠片檢測,將膜放入雜交袋中,排出空氣后密封,在暗室中將膠片覆蓋在膜上曝光適當時間(根據信號強度調整曝光時間,從幾秒到數小時不等),然后進行膠片顯影和定影處理;若使用化學發光成像儀檢測,將膜放入成像儀樣品室中,設置合適的曝光時間和增益參數,進行圖像采集和分析 。

(二)熒光染料標記蛋白質的操作流程
  1. 染料選擇與準備:根據實驗目的和蛋白質特性選擇合適的熒光染料,并按照說明書要求將染料溶解在適當的溶劑中,配制成所需濃度的工作液。

  1. 蛋白質標記:將待標記的蛋白質與熒光染料工作液按照一定比例混合,在適當條件下孵育,使染料與蛋白質充分結合。反應條件(如溫度、時間、pH 值等)需根據染料類型和蛋白質性質進行優化。例如,對于一些與氨基反應的熒光染料,通常在中性或弱堿性條件下進行標記反應,孵育時間一般為 1 - 2 小時。

  1. 標記后處理:標記反應完成后,通過透析、超濾或凝膠過濾等方法去除未結合的游離染料,以獲得純凈的標記蛋白質樣品。

  1. 檢測與分析:將標記好的蛋白質樣品用于后續實驗,如免疫熒光染色、流式細胞術分析等。在檢測過程中,使用相應的熒光激發光源和檢測設備,根據熒光信號的強度、分布等參數對蛋白質進行定性和定量分析。例如,在免疫熒光染色實驗中,將標記蛋白質的樣品與細胞或組織切片孵育,然后在熒光顯微鏡下觀察熒光信號,確定蛋白質在細胞或組織中的定位和表達水平 。

四、應用場景
(一)生命科學研究
  1. 蛋白質表達與功能研究:在探究基因功能時,需要了解基因表達產物 —— 蛋白質的表達水平和功能。通過使用蛋白發光染液,科研人員可以準確檢測蛋白質在不同細胞系、組織或發育階段的表達變化。例如,在研究腫瘤發生機制時,利用 ECL 超敏發光液結合 Western Blot 技術,檢測腫瘤相關蛋白在正常細胞和腫瘤細胞中的表達差異,有助于發現潛在的腫瘤標志物和治療靶點。在蛋白質功能研究方面,通過熒光染料標記蛋白質,可以實時追蹤蛋白質在細胞內的定位、運動和相互作用,深入了解蛋白質的生物學功能和參與的信號通路 。

  1. 蛋白質修飾研究:蛋白質的修飾(如磷酸化、乙酰化、甲基化等)對其功能具有重要調節作用。Pro - Q Diamond 等專門用于檢測特定修飾蛋白質的發光染液,為研究蛋白質修飾提供了有力手段。通過檢測修飾蛋白質的含量和分布變化,研究人員可以揭示蛋白質修飾在細胞生理過程、疾病發生發展中的作用機制 。

(二)生物技術產業
  1. 重組蛋白生產與質量控制:在重組蛋白藥物的生產過程中,需要對重組蛋白的表達、純化和質量進行嚴格監控。蛋白發光染液可用于檢測重組蛋白的表達水平、純度以及是否存在降解產物。例如,在發酵液中提取重組蛋白后,使用 Lumitein™蛋白質凝膠染色劑檢測蛋白質含量和純度,確保產品質量符合標準。同時,通過熒光染料標記重組蛋白,可以研究其在體內的藥代動力學和藥效學特性,為藥物研發提供重要數據 。

  1. 生物制品檢測:對于疫苗、抗體等生物制品,需要檢測其中蛋白質的含量、活性和穩定性。蛋白發光染液能夠快速、準確地檢測生物制品中的蛋白質成分,保障產品的安全性和有效性。例如,在流感疫苗生產過程中,利用 ECL 發光染液檢測疫苗中流感病毒蛋白的含量,確保疫苗劑量準確 。

(三)醫學診斷
  1. 疾病標志物檢測:在臨床診斷中,檢測血液、尿液等體液中的疾病標志物是早期診斷和病情監測的重要手段。許多疾病標志物為蛋白質,通過蛋白發光染液結合免疫檢測技術,可以高靈敏度地檢測這些微量蛋白質。例如,使用 ECL 超敏發光液檢測血液中的癌胚抗原(CEA)、甲胎蛋白(AFP)等腫瘤標志物,有助于腫瘤的早期發現和預后判斷;檢測血清中的心肌肌鈣蛋白等蛋白質標志物,可用于急性心肌梗死的快速診斷 。

  1. 自身免疫性疾病診斷:自身免疫性疾病患者體內會產生針對自身蛋白質的抗體。通過檢測這些自身抗體,結合蛋白發光染液進行免疫印跡分析,可以輔助診斷自身免疫性疾病。例如,檢測抗核抗體、抗雙鏈 DNA 抗體等自身抗體時,使用熒光染料標記的二抗,通過觀察熒光信號來判斷抗體的存在和滴度,為系統性紅斑狼瘡等自身免疫性疾病的診斷提供依據 。

蛋白發光染液作為蛋白質檢測的關鍵技術工具,以其高靈敏度、高特異性和多樣化的應用方式,在生命科學研究、生物技術產業和醫學診斷等領域發揮著不可替代的重要作用。隨著技術的不斷創新和發展,蛋白發光染液將不斷優化和完善,為推動生命科學研究的深入發展和人類健康事業的進步提供更強大的支持。



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