菌株来源与保藏信息
大肠埃希菌 BL21(DE3) ATCC BAA-1025(Escherichia coli B strain — BL21(DE3))是 ATCC 保藏的一株大肠埃希菌 B 系 T7 表达宿主菌,BSL-1。该菌株携带 λDE3 溶源噬菌体——其基因组中整合了受 lacUV5 启动子调控的 T7 RNA 聚合酶基因——在 IPTG 诱导下(通常 0.1-1 mM)表达 T7 RNA 聚合酶——转而驱动 T7 启动子(pET 载体系列)转录目标基因——实现外源蛋白的高效表达。ATCC BAA-1025 是商品化 BL21(DE3) 的 ATCC 官方保藏株——与 Novagen/Merck 的商品化 BL21(DE3) 感受态细胞来源于同一菌株背景。B 系大肠埃希菌(区别于 K-12 系)天然缺失 lon 和 ompT 蛋白酶——减少了异源蛋白的降解——是 T7 表达系统的首选宿主。
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生物学特性
| 特征 | ATCC BAA-1025 (BL21 DE3) 表现 |
| 亲本菌株 | 大肠埃希菌 B 系(非 K-12)——天然 lon⁻ ompT⁻ 蛋白酶缺陷 |
| λDE3 溶源 | 阳性——染色体整合 T7 RNA 聚合酶基因(lacUV5-T7 gene 1) |
| 乳糖利用 | 利用 IPTG 诱导——不被乳糖代谢消耗(IPTG 为不可水解的乳糖类似物) |
| 对抗生素敏感 | 无抗生素抗性标记——可用于氨苄西林、卡那霉素等标准筛选标记的载体 |
| T7 表达产率 | 总细胞蛋白的 30-50%(诱导后 3-5 h)——最高可达包涵体水平 |
| 氧化酶 | 阴性 |
| 菌落形态 | LB 琼脂上乳白色光滑菌落——与 K-12 无形态差异 |
BL21(DE3) 是pET 表达系统(T7 启动子系列载体)的指定宿主菌。T7 RNA 聚合酶的转录速率是大肠埃希菌 RNA 聚合酶的 5-8 倍——目标基因 mRNA 的大量积累使翻译步骤成为蛋白产率的唯一限制——而非转录。DE3 溶源噬菌体的lacI 阻遏物控制 T7 RNAP 的基态表达——未诱导时基态泄漏极低(< 1% 的诱导水平)——适合毒性蛋白的受控表达。
培养条件与表达诱导
常规培养
| 参数 | 推荐条件 |
| 固体培养基 | LB 琼脂(± 抗生素选择标记——氨苄西林 100 μg/mL 或卡那霉素 50 μg/mL) |
| 液体培养基 | LB 肉汤、TB 培养基(高密度表达——达 OD600 4-6) |
| 温度 | 37°C(生长);16-30°C(诱导表达——低温降低包涵体形成) |
| IPTG 浓度 | 0.1-1 mM——低浓度(0.1 mM)适合可溶性蛋白、高浓度(1 mM)适合包涵体纯化 |
| 诱导时间 | 3-5 h(37°C);12-16 h(16-25°C 低温过夜) |
保藏条件
| 保藏方式 | 条件 | 期限 |
| LB 斜面(4°C) | 封口膜密封 | 1-2 月 |
| LB + 15% 甘油(-70°C) | 冻存管液氮速冻 | 2 年以上 |
| 冻干粉(4°C) | 原装密封 | 见 ATCC 检测报告 |
冻干粉复苏步骤
- 在生物安全柜中开启冻干粉西林瓶。
- 用无菌注射器加入 0.3-0.5 mL LB 肉汤,轻轻旋转重悬。
- 划线至 LB 琼脂平板,37°C 孵育过夜(12-16 h)。
- 复苏后挑取单菌落接种 LB 肉汤——37°C 摇菌至 OD600 0.4-0.6——加入 IPTG 至 0.1 mM 做表达试验——SDS-PAGE 验证 T7 表达功能正常(30-37°C 3-5h 应见目标蛋白条带)。
⚠ DE3 溶源稳定性:BL21(DE3) 在无抗生素选择压力的连续传代中——λDE3 溶源噬菌体可能因同源重组而自发丢失(< 10⁻⁶/代——频率极低但不为零)。建议每季度验证 DE3 溶源未丢失——将单菌落在含 IPTG 0.1 mM + X-Gal 40 μg/mL 的 LB 平板上划线——若 T7 RNAP 正常——T7-lacZ 报告质粒的转化子应呈蓝色(X-Gal 水解)。
质控应用
T7 pET 表达宿主——蛋白生产行业标准
BAA-1025 是 pET 系列表达质粒(如 pET-28a、pET-32a)的指定宿主。典型表达流程:BL21(DE3) 转化 pET 质粒 → LB+抗生素平板筛选 → 单菌落 LB 过夜 → 1:50 稀释至新鲜 LB → 37°C 摇菌至 OD600 0.4-0.6 → IPTG 0.1-1 mM 诱导 → 3-5 h 收获。BAA-1025 的 lon⁻/ompT⁻ 双缺陷确保诱导期间的蛋白降解率最小化——适合直接 SDS-PAGE 分析或 Ni-NTA 亲和层析纯化。
实验室标准——感受态细胞制备
BAA-1025 冻干粉复苏后的第二代培养物是制备化学感受态(CaCl₂ 法)或电转化感受态细胞的理想菌源。转化效率基准:CaCl₂ 法 ≥ 10⁶ CFU/μg pUC19、电转化法 ≥ 10⁹ CFU/μg pUC19。每批次感受态制备后必须用空载体转化做效率验证——低于基准值 10 倍的批次废弃重制。
常见问题
Q: BL21(DE3) 和 BL21(DE3)pLysS 有什么区别?
pLysS 是一类携带 lysS 基因(表达 T7 溶菌酶——T7 RNAP 的天然抑制物)的氯霉素抗性质粒——进一步抑制 T7 RNAP 的基态泄漏。如果表达目标是毒性蛋白(如膜蛋白、核酸酶)——优先使用 BL21(DE3)pLysS(如 ATCC BAA-3042)。如果表达非毒性蛋白(如 GFP、GST 融合蛋白)——BAA-1025(无 pLysS)足以满足需求——且无氯霉素抗性干扰。
Q: 表达产率低——怎么排查?
排查顺序:(1) IPTG 是否新鲜配制——IPTG 水溶液在 4°C 下仅稳定 1-2 周——冻融后的 IPTG 活性下降;(2) OD600 的诱导点——最佳为 0.4-0.6(对数中期)——OD 过低细胞量不足、过高进入平台期代谢活性下降;(3) 是否使用了 TB 替代 LB——TB 培养基的磷酸盐缓冲系统支持 OD600 至 4-6——蛋白产量是 LB 的 3-5 倍。三项排查后仍低——怀疑质粒的 T7 启动子序列有突变——重新测序确证。
Q: IPTG 诱导后细胞裂解——是毒性太强吗?
可能。解决方案:(1) 降低 IPTG 至 0.01-0.05 mM——提供微弱的 T7 RNAP 激活——减少转录速率——降低蛋白折叠压力;(2) 降低诱导温度至 16-20°C——低温减慢翻译速率——增加新生肽链的正确折叠时间;(3) 如果以上两步无效——改用 pLysS 菌株(BAA-3042)或 C41(DE3)(毒性蛋白专用表达宿主)。
订购信息
| 产品名称 | 大肠埃希菌 BL21(DE3) 标准菌株 |
| 拉丁名 | Escherichia coli B — BL21(DE3) |
| 保藏中心编号 | ATCC BAA-1025 |
| 参考信息 | lon⁻ ompT⁻ / λDE3 溶源 / T7 表达宿主 / pET 系统指定 |
| 产品形式 | 冻干粉(0 代原装),附 ATCC 检测报告 |
| 存储条件 | 2-8°C 避光保存 |
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参考资料
- Studier FW & Moffatt BA (1986): Use of bacteriophage T7 RNA polymerase to direct selective high-level expression of cloned genes — Journal of Molecular Biology
- ATCC 官网:Escherichia coli BAA-1025 产品页与检测报告(COA)
- Novagen/Merck: pET System Manual — 11th Edition
- Dubendorff JW & Studier FW (1991): Controlling basal expression in T7 expression system — Journal of Molecular Biology
- Rosano GL & Ceccarelli EA (2014): Recombinant protein expression in Escherichia coli — Frontiers in Microbiology
- Shin CS et al. (1997): Enhanced production of human mini-proinsulin in BL21(DE3) — Biotechnology and Bioengineering
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