形成
在基因重組技術得到迅速發展之前，研究者就已經發現，細胞内人工引入反常的蛋白質（這些蛋白質可以看作是細胞的外源蛋白質），這些蛋白質會堆積起來形成不溶的形式。這些蛋白質聚集的形态是明顯的球形，這些球形的物質全部是蛋白質，并且通過非共價鍵的作用力形成，必須使用變性劑如十二烷基硫酸鈉（SDS）或者鹽酸胍才能溶解。自從基因工程的蛋白質在大腸杆菌表達以後，人們逐漸發現這些外源蛋白質基因在細胞中的過量表達同樣形成不溶性的狀态。
Georgiou等人發現天然的蛋白質在大腸杆菌中大量表達時，如内酰氨酶和堿性磷酸酶的過量表達，都形成了包涵體，前者的包涵體在外周質，後者的包涵體存在于細胞質中。其它的宿主細胞中也發現了重組蛋白質過量表達時形成的包涵體或者聚集體，如細菌病毒、哺乳動物細胞中。
包涵體在一些外界壓力下也可以形成，如溫度，是影響包涵體形成與否的主要因素。有些蛋白質在高溫的情況下容易形成包涵體，這是由于這些蛋白質在高溫下容易變性而形成聚集體。
最近認為較高的溫度可能增加了蛋白質合成的速度、折疊中間體形成聚集體的速度以及疏水相互作用力，表達的蛋白質易于以包涵體的形式存在。
其它的發酵條件同樣影響蛋白質包涵體的形成，發酵液中加入蔗糖可以大大降低内酰胺酶包涵體的形成。蔗糖的作用可能是穩定天然蛋白質的結構或者防止蛋白質折疊中間體的聚集。在體外的内酰胺酶折疊複性的過程中，同樣發現複性緩沖液中加入蔗糖可以提高蛋白質的複性率。其它促重組蛋白質可溶性表達的生長添加劑還有乙醇（誘導熱休克蛋白質的表達）、低分子量的巯基或二硫化合物（影響細胞周質的還原态，從而影響二硫鍵的形成）和NaCl。也有報道認為在豐富的培養基中有利于活性蛋白質的表達，當培養條件不佳時如供氧不足或pH控制不佳時易形成包涵體。
蛋白質的聚集體和包涵體不僅僅存在于重組蛋白質的表達中，是一個廣泛存在的現象。通常認為，蛋白質的聚集現象，無論細胞内還是細胞外，都是中間體不能完成折疊而形成自我聚集現象。包涵體的形成與多肽鍊的序列、表達速度、可用的伴侶分子的量以及生長的環境有關。
特點
包涵體是新合成的肽鍊在折疊過程中部分折疊的中間體形成的，而不是由完全的解折疊形式的蛋白質形成的，這可能與體外複性時聚集體的形成有相似的機制，
應該考慮到在包涵體中含有這些部分折疊的結構。但是，由于包涵體的特性，很難利用物理的方法去探測包涵體中蛋白質肽鍊的結構。
在大腸杆菌中，包涵體可以在細胞的兩個位置出現：細胞質和外周胞質。包涵體在細胞内形成的位置和特點取決于蛋白質表達的方式。三種表達的内酰氨酶，一種是天然的内酰氨酶，一種是含有OmpA信号肽，一種完全切除了天然蛋白質的信号膚，當大量表達時，造成了聚集體的形成，前兩者的聚集體在外周胞質，後者在細胞質内形成聚集。這些包涵體在大小和形狀有相當清楚的差别，這些差别表現了聚集體的表面形态、組成和形成聚集體的多肽鍊構象上的不同。
大腸杆菌細胞質中的包涵體直徑一般在0.2到1.5μm之間，不同的蛋白質具有不同的直徑，如幹擾素的大小是0.811μm，而牛凝乳酶原的大小是1.281μm。大的包涵體可以利用光學顯微鏡看得到。在一些情況下，有些包涵體比較大，直徑大于大腸杆菌的直徑，使得大腸杆菌有一個突起。一般情況下，一個細胞僅有一個包涵體。包涵體從來不吸附在膜上，并且不同于真核細胞中的其它的細胞器。高精度的投射電子顯微鏡顯示了多孔的結構。
所有的包涵體密度較大，是微生物細胞中密度最大的結構，密度在1.1-1.3之間，不同蛋白質的包涵體的密度也不同，一些低分子量的包涵體結構是多孔的。
包涵體有的位于細胞質中（如天花病毒包涵體），有的位于細胞核中（如疱疹病毒），或細胞質、細胞核中都有（如麻疹病毒）。
有的包涵體還具有特殊名稱，如天花病毒包涵體叫顧氏（Guarnieri）小體，狂犬病毒包涵體叫内基氏（Vegri）小體。昆蟲病毒可根據包涵體的形狀、位置而分為細胞質型多角體病毒、核型多角及顆粒體病毒等。
分離
一旦一個穩定的、重複的發酵過程建立起來，則要考慮提取包涵體的步驟了。包涵體處在細胞質内或者細胞的外周質，必須破壞細胞膜才能把包涵體釋放出來。
溶液中的包涵體也要同破碎液中溶解的成分和不溶的其它成分如細胞碎片、細胞膜以及核糖體等成分分離開來。
提取的第一步是冷卻發酵液，利用離心或者錯流過濾的方法收集細胞，細胞的沉澱利用設定的含有一定濃度的離子強度（0.4-0.6mo1）的緩沖液懸浮。這種緩沖液必須控制pH、離子強度、重金屬的濃度和氧化還原的環境，在以後的操作步驟中也要考慮這些因素。
而包涵體蛋白質的密度比相同體積的細胞碎片的密度大得多，所以使用離心的手段可以把包涵體與細胞的其它成分分離開來。如果細胞碎片沒有同包涵體分離，在以後的分離手段中必須把膜上的組分分離開來。有時，有些目标蛋白質以溶解的形式存在，可以通過在細胞破碎以前加入一些非極性的物質（如苯酚、甲苯）或者去垢劑，通過這個方法可以提高從大腸杆菌表達的人生長激素包涵體的收率。
連續離心技術是工業生産中獲得包涵體最經常使用的操作。由于細胞碎片的密度比包涵體小，則沉降的速度比包涵體要小，連續的懸浮、離心可以把大部分的包涵體離心下來，而細胞碎片逐步除去。SDS-PAGE（十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酞胺凝膠電泳）分析發現，離心的方法可以達到沉降物中的蛋白質的含量大于90%。
當細胞碎片與包涵體混在一起難于分離時，可以采用一些化學的方法把細胞碎片離子交換色譜複性蛋白質與包涵體分離開，否則溶解包涵體以後，膜蛋白質溶在包涵體蛋白質的溶液中，會污染以後的操作。特别如果一些膜蛋白質具有蛋白質酶的活性，則溶解以後的包涵體蛋白質可被降解。如果溶解原核細胞膜蛋白質的一些溶劑不能溶解包涵體蛋白質時，可以使用溶解的方法把膜蛋白質除去。最經常的選擇性溶解膜蛋白質的方法是利用鳌合金屬的試劑如EDTA、中性的去垢劑如Triton X-100，或者一些鹽如，脫氧膽酸鹽，或者弱離液劑，如2mol/L的脲。Babbit等人發現經過前面的步驟，可以提高肌氨酸激酶的複性收率，活性提高的原因是使用弱的去垢劑辛基糖除去了蛋白質酶。
離心和高壓勻漿都有可能産生泡沫，所以必須在工業規模中避免這種無謂的損失。有些工業生産中，分離以前在發酵罐中把細胞殺死使細胞内的物質釋放出來，并同時溶解或者不溶解包涵體蛋白質。這種在線殺死細胞的方法己經用來生産兩種蛋白質：在堿性條件下溶解類胰島素生長因子和高溫、酸性條件下生産重組的抗真菌肽段。這種方法的優點是可以節省操作時間以及能量消耗，僅僅需要一步離心的步驟。最經常使用的殺死細胞的試劑有苯乙醇，辛酸，氯仿，甲苯等。殺死細胞時也有缺點，溶解的目标蛋白質中含有蛋白質或者非蛋白質的物質，降低了蛋白質的純度；如果目标蛋白質沒有被溶解，則殺死細胞會使可溶蛋白質産生沉澱，使得包涵體的純化比較困難，或者破壞包涵體内部的重組蛋白質。
溶解
維持包涵體内蛋白質結構的作用力是分子内的作用力，這種作用力也維持天然蛋白質的穩定性的結構。先前有報道這種作用力是共價鍵結合的，但是，現在趨向于一緻，就是維持包涵體内部的蛋白質的緊密的結構的是非共價鍵的作用力。二硫鍵，無論是正确的還是錯誤的二硫鍵，在維持内部蛋白質的緊密的結構中都沒有發揮直接的作用。最經常的獲得活性蛋白質的第一步是溶解這些包涵體蛋白質，溶解液是使這些包涵體蛋白質完全變性的成分，當蛋白質被溶解以後，則進入到蛋白質的體外折疊的過程。
1. 遵循标準
包涵體蛋白質的溶解同樣是一個工藝的關鍵的步驟。溶劑的選擇會影響後續的操作、最終的各種蛋白質的收率以及最終的成本，必須遵循以下的标準：
(1) 快速溶解的動力學；
(2) 與蛋白質的結合是可逆的；
(3) 對細胞碎片的分離方法沒有幹擾作用；
(4) 對溫度沒有依賴作用；
(5) 抑制蛋白質酶的降解作用；
(6) 與蛋白質的氨基沒有化學修飾作用；
(7) 在可能的情況下，選擇最低的溶解濃度和廉價的溶劑，并适于以後的複性方法。
2. 溶解包涵體的試劑
最經常使用溶解包涵體的試劑包括離液劑或者去垢劑。
最經常使用的溶解和制備蛋白質的離子型的離液劑最早于1969年Hatefi等人發展的離子型的去垢劑如SDS是另外一種溶解包涵體蛋白質和膜蛋白質的試劑，但是一般不用來大規模的生産，而是用來定性。除了強酸、強堿和利用有機溶劑來提取疏水性很強的蛋白質以外，其他的變性方法如非可逆的共價修飾在工業的大規模生産中很少用到。一旦蛋白質被溶解，蛋白質中的巯基很容易快速地氧化并形成共價的聚集體或者分子内錯配的二硫鍵，然後這些蛋白質就不能再進行折疊。為了防止氧化，可以使這些基團或者利用緩沖液中含有低分子量的疏基試劑保持在還原的狀态或形成磺酸鹽或者形成混合的二硫鍵。
（3）混合溶劑
一般情況下去垢劑并不聯合使用，Lilly等人發現去垢劑和尿素的混合液有效的摩爾濃度較低。尿素和去垢劑型的鹽混合可以使蛋白質變性，但是尿素和非去垢劑的鹽如氯化鈉反而降低包涵體蛋白質的溶解性，所以要避免使用。
去垢劑結合其他的試劑或者溶解增強劑也被使用，發現尿素和乙酸，尿素和二甲亞楓，尿素和高pH等是比較有效的溶解包涵體蛋白質的方法。
高壓（1-2kbar）、超聲也可以溶解包涵體蛋白質，此時使用的溶解試劑濃度可以比較低，便于後續的複性步驟。
3. 極端pH
酸堿度也是比較廉價的有效的溶解包涵體的方法。最經常使用酸的是有機酸，濃度在5-80%之間。Gavif和Better使用低的（pH≤2.6）和高溫（85℃ ）溶解抗真菌的重組蛋白質的膚段，低溫和高PH需要溶解時間要長。Reddy和合作者也使用20%乙酸溶解一種麥芽糖結合的蛋白質。但是，同樣的一些不可逆的修飾作用或者酸降解會在極端pH下發生，所以此種方法并不是經常使用的溶解包涵體的方法。
高pH（≥12）也被用來溶解生長激素和原胰島素。在高pH下一些蛋白質同樣可能發生非可逆的變性，原因在于半胱氨酸在堿性條件下的脫硫過程。所以這種方法盡管比較簡單、廉價，同樣僅僅用于一些特定的蛋白質，特别對于藥用蛋白質一般不采用這種方法。
包涵體與蛋白質
1. 真核細胞表達外源蛋白質的缺點
一些蛋白質需要翻譯後的修飾，如糖基化，則必須選用真核細胞。但是無論是正在臨床的還是市場上的蛋白質藥物，主要的是以大腸杆菌作為宿主細胞。
1982年第一次選用大腸杆菌作為表達重組DNA的宿主細胞，表達的産物是人胰島素。選擇原核細胞作為表達載體，因為真核細胞表達外源蛋白質有其缺點：
（1）真核細胞的天然蛋白質的表達和外源蛋白質的表達，表達量相當少，即使有的蛋白質表達量高時，容易出現蛋白質的無活性的現象，或者形成聚集體；而原核細胞表達的蛋白質量比真核細胞大很多；
（2）相對于大腸杆菌，人類對于真核細胞的基因的了解還是有限的，而對大腸杆菌的基因了解的相當透徹，并能進行熟練的基因重組等操作對大腸杆菌的基因進行改造；
（3）真核細胞生長到高密度需要更長的時間（7天左右），并且細胞的最終濃度低，所以需要較大的培養容器，而大腸杆菌可以在幾個h以内達到108cells/mL；
（4）動物細胞生長的培養液的造價較高，并且大部分使用血清作為生長液的添加劑，從而提高了産品的造價并且不利于以後的純化步驟；
（5）原核細胞的堅硬的細胞壁，可以使用簡單的攪拌的方法完成傳熱、傳質過程，而大部分的真核細胞需要溫和的培養方法及複雜的操作以達到其對培養基的要求 。
基于以上的原因，真核細胞尤其是哺乳動物細胞表達外源蛋白質大部分處在研究階段，大部分重組蛋白質使用的表達載體是大腸杆菌細胞。大腸杆菌表達的外源蛋白質量相當大，有時達到細胞内蛋白質總量的5-20%，甚至達到50%以上。但是，大腸杆菌表達的蛋白質，當含量相當大時，有時由于原核細胞缺少分泌到胞外的機制或者折疊的機制，最後表達的蛋白質往往以無活性的包涵體的形式存在。
2. 包涵體表達蛋白質的優越性
為了研究基因的功能，可以把體内的基因轉移到其他表達宿主中，研究基因表達性狀以确定基因的功能。但是，外源基因的表達，特别是真核生物基因在大腸杆菌中的表達，由于宿主菌缺乏此種基因表達的調控機制，細胞内的化學環境與其天然環境差異，如氧化還原環境、胞内pH、自由水的濃度，以及外源基因的導入，使得表達目的蛋白質的細胞在非正常狀态下生長，表達的蛋白質多數以無活性的包涵體的形式存在。
在下遊生産過程中特别是在醫藥生産中，以包涵體形式表達的蛋白質具有一些優越性。
（1） 異源表達的蛋白質很容易被宿主細胞内的蛋白質酶降解，如果重組蛋白質以包涵體形式表達，由于包埋了酶攻擊的位點，可以最大限度地抵抗蛋白質酶的攻擊；
（2） 包涵體表達的蛋白質沒有活性，細胞破碎和以後的純化步驟不用考慮蛋白質的失活問題；
（3） 包涵體形式表達的蛋白質與宿主細胞的其他蛋白質的分離比可溶蛋白質的分離方法簡便，造價低，使用簡單的離心或者過濾的手段就能使包涵體與宿主細胞的其他蛋白質成分進行有效的分離；
（4） 有些表達的外源蛋白質對細胞有毒性或者緻死，大量表達時會導緻細胞的死亡，最終的細胞數量和産物相當低；而包涵體形式的蛋白質由于喪失了生物活性從而可以高效大量地表達；
（5） 對于以包涵體形式表達的産物可以比較容易進行在線觀測定性，含有包涵體蛋白質的細胞有較大的折射率，不必像可溶的蛋白質需要細胞破碎後使用酶學或者電泳學的方法進行鑒定。
