噬菌体展示利用噬菌体（专门感染细菌和古细菌的病毒）的自然生物学特性来研究蛋白质相互作用。噬菌体由封装 DNA 或 RNA 基因组的蛋白质外壳组成。它们的结构简单性或复杂性各不相同，但它们都有一个基本的能力，即可将遗传物质注入宿主细胞，使其成为分子生物学应用的理想工具。
噬菌体展示由 G. Smith 于 1985 年提出，作为一种在噬菌体表面呈递多肽的方法。通过将目标基因插入噬菌体外壳蛋白基因中，研究人员可以在噬菌体表面显示相应的蛋白质。表型 （展示的蛋白质） 和基因型 （噬菌体内的基因） 的这种耦合允许快速识别和选择具有特异性结合特性的蛋白质。
噬菌体展示机制
在噬菌体展示中，编码目标蛋白质的基因入到噬菌体外壳蛋白基因中。所得噬菌体在其表面表达这种蛋白质，而基因本身在噬菌体颗粒内受到保护。所展示的蛋白质（表型）与其相应基因（基因型）之间的这种直接联系能够有效地筛选大型蛋白质、肽或 DNA 序列文库，以与靶分子相互作用。
然后，研究人员可以将这些噬菌体文库暴露于特定靶标，例如蛋白质、肽或 DNA 序列，并选择具有高亲和力结合的噬菌体。这个迭代过程通常涉及多轮选择，扩增具有最强结合能力的噬菌体，从而可以鉴定和生产高亲和力肽、蛋白质或抗体。
生物技术中的应用和重要性
噬菌体展示彻底改变了蛋白质-蛋白质、蛋白质-肽和蛋白质-DNA 相互作用的研究。它能够快速筛选和选择高亲和力结合蛋白，使其成为药物发现、抗体工程和分子生物学领域的基石。该技术广泛用于表位定位、鉴定新受体和配体以及生产重组抗体。此外，噬菌体展示在蛋白质的定向进化中发挥了重要作用，从而可以开发新的治疗方法和诊断工具。
噬菌体展示过程
第 1 步：噬菌体展示文库的构建
该过程从构建噬菌体展示文库开始。使用重组 DNA 技术，将外源 cDNA 整合到噬菌体的病毒 DNA 中。文库中的每个噬菌体在其表面都显示独特的蛋白质、肽或抗体。这些集合或库庞大而多样，通常包含数十亿种不同的变体。常见的文库类型包括抗体噬菌体文库、随机肽文库和蛋白噬菌体文库。
第 2 步：目标绑定
一旦构建了噬菌体展示库，它就会暴露给目标分子。该靶标可以是固定化蛋白、细胞表面受体或任何其他感兴趣的分子。只有具有对靶标具有高亲和力的蛋白质的噬菌体才会结合，而其他噬菌体则保持未结合状态。
第 3 步：洗去非特异性噬菌体
结合后，洗涤混合物以去除任何不与靶标特异性相互作用的噬菌体。该洗涤步骤对于确保仅保留具有所需结合特性的噬菌体至关重要。
第 4 步：洗脱结合的噬菌体
然后，成功与靶标结合的噬菌体从靶标中洗脱或回收。此步骤分离出对靶分子具有最高亲和力的噬菌体。
第 5 步：扩增和富集
洗脱的噬菌体通过感染新的宿主细胞（通常是大肠杆菌）而被扩增，从而使它们能够复制。此循环重复多次，以丰富库以获取最佳 Binders。最后一步涉及纯化噬菌体库以提高噬菌体滴度，确保高度浓缩的最佳结合噬菌体集合。
蛋白质工程中的噬菌体展示
高通量筛选和体外选择
噬菌体展示允许对大量蛋白质文库进行高通量筛选，使其成为鉴定具有所需性状的蛋白质的强大工具。体外选择过程模拟自然选择，其中只有最强的结合剂被扩增并带到后续轮次的筛选中。这种方法在治疗性蛋白质和抗体的开发中特别有价值，其中特异性和亲和力至关重要。
重组抗体的生产
噬菌体展示广泛用于重组抗体的生产。这些抗体是通过将抗体基因克隆到噬菌粒载体中而产生的，噬菌粒载体然后在噬菌体表面表达。这种方法允许快速分离识别特异性抗原的抗体，使其成为治疗性抗体开发的首选方法。
噬菌体展示的进化和多功能性
扩大噬菌体展示的范围
自成立以来，噬菌体展示已发展成为一个多功能平台，不仅能够进行肽和蛋白质展示。该技术的进步使复杂蛋白质的显示成为可能，包括大型多结构域抗体和酶。该系统还适用于显示非肽分子，例如小分子和 DNA，进一步拓宽了其应用范围。
虽然噬菌体展示主要用于研究蛋白质-蛋白质相互作用，但其应用远不止于此。该技术用于药物发现，用于识别潜在的治疗性肽和蛋白质。它在诊断工具、候选疫苗和宿主-病原体相互作用研究的开发中也至关重要。