无细胞蛋白表达系统（Cell-freeProteinSynthesis,CFPS）是以外源DNA或mRNA为模板，人工添加所需原料和能源物质，以细胞提取物为条件合成蛋白的体外基因表达系统，可以突破细胞限制，方便快捷的表达各种蛋白质。CFPS的第一步是将生物体细胞裂解，将其细胞器提取出来，再混合合成反应需要的能量、原材料等物质形成反应液。在向该反应液中加入外源性DNA或者mRNA作为模板后，体系内将进行蛋白表达反应。CFPS相较于传统蛋白表达方法有着产物和能量转化效率更高、可表达蛋白更丰富、反应时间短、调控方便和合成效率高等优点。
在合成生物学中，CFPS在代谢工程、生物传感器、基因电路、人工细胞和AI辅助的高通量蛋白药物筛选等领域都有着应用前景。

1、CFPS在合成生物学中的运用

在合成生物学中，CFPS在代谢工程、生物传感器、基因电路、人工细胞和AI辅助的高通量蛋白药物筛选等领域都有着应用前景。

2、CFPS在代谢工程中的运用
随着代谢工程和合成生物学的发展，无细胞代谢工程（cell-freemetabolicengineering,CFME）已被用于生产生物材料、生物燃料和药物前体。最初，CFME是通过使用纯化的酶组装代谢途径来进行的。然而，体内蛋白质表达和每种途径蛋白质的纯化都是费力和耗时的。而将无细胞蛋白表达引入，可以达到加快代谢工程的DBT（design-build-test）循环的效果。
Wu与其研究团队利用CFPS进行1,4-丁二醇（BDO）生物合成的快速方案设计[1]。其通过CFPS手段表达各种代谢酶，不仅验证了代谢通路和各种途径酶的功能，还确定了BDO途径的限速步骤（4-羟基丁酸转化为下游代谢产物）。该团队通过调节各种酶表达水平和增加下游酶表达水平的方式，显著地提高了BDO的产量。这证明CFPS可以作为代谢工程和合成生物学应用的支持平台。对BDO代谢通路的探索，证明了CFPS可以快速调节途径酶的表达水平，并筛选具有改进催化活性的酶变体以提高产物产量。该结果证明了CFPS-ME可以直接应用于体内菌株的开发。

3、CFPS在生物传感器和基因电路的运用
合成生物学设计的无细胞生物传感器是检测各项临床相关生物标志物的一种很有前途的新工具。
Wen和其团队设计了一种基于大肠杆菌的无细胞系统的生物传感器，在其中实现了利用铜绿假单胞菌的酰基同型丝氨酸内酯的传感电路来分析囊性纤维化患者的痰液样本的效果。[2]其研究结果表明，通过优化无细胞系统和样品提取方式，可以在纳摩尔水平上对囊性纤维化肺痰液样品中的分子3-oxo-C12-HSL进行定量测量。这项研究进一步说明了模块化无细胞生物传感器作为快速、低成本检测方法的潜力，也表明它有潜力成为检测和监测人类呼吸道样本中病原体生物标志物的平台。