蛋白质是生命体最重要的分子之一，具有极其广泛的功能和作用。传统上，研究者可以利用细胞表达体系来制备需要的蛋白质，并对其进行深入的研究。然而，受限于细胞生长、维护、污染等因素，细胞表达体系面临着一些瓶颈和挑战，特别是在高通量生产和定制蛋白质方面更是如此。
为了突破这些限制以及为高效蛋白质制备和研究提供更多选择，无细胞蛋白表达技术应运而生。它作为一种基础研究工具已经在生命科学中使用了五十多年，最近的技术发展促进了无细胞蛋白表达的高产。与传统的细胞表达体系不同，无细胞表达体系可以在体外条件下完成蛋白质的合成，并且具有高效、便捷、灵活以及高纯度等优点。随着技术的发展无细胞蛋白表达技术正在成为生物医药和基础研究领域中备受关注的新兴技术之一。
图1：无细胞蛋白表达系统的发展
今天，小编将从无细胞蛋白表达的概念、技术原理、关键技术细节等方面探讨这一引人注目的技术。
无细胞蛋白表达是一种体外重组蛋白质表达技术也称为无细胞蛋白质合成技术（CFPS：Cell-free protein synthesis），是指用含有蛋白合成必需的组分（核糖体，转运RNA，氨酰合成酶，启动/延伸/终止因子，三磷酸鸟苷，ATP，Mg2+和K+）的细胞裂解物在体外进行蛋白合成。
无细胞蛋白表达技术适用于制备各种类型的蛋白质，包括难表达蛋白质、毒性蛋白质、复杂蛋白质等。在药物研究、生物制造和生命科学等领域中得到广泛关注和应用，无论是研究、开发还是商业化应用过程。目前无细胞蛋白表达主要应用于药物研发领域，例如抗体制备和生物药物生产等。随着人工智能技术的不断发展，无细胞蛋白表达技术可以与人工智能算法结合，构建计算机辅助的高通量生产系统，实现个性化、精准的生物医学治疗。除此之外，还能够应用于其他领域，例如基因工程、环境保护和农业生产等。随着无细胞蛋白表达技术的不断发展和人工智能技术的不断进步，我们可以看到更多的新领域和新应用出现，给生物科技行业带来更多的机遇和挑战。
CFPS系统使用微生物、植物或动物的粗细胞裂解物中的成分来合成蛋白质。常用的粗提取物是大肠杆菌、兔网织红细胞、小麦胚芽（WGE）、昆虫细胞或市售的纯化重组元件系统（PURE）。CFPS系统的制备是一个简单的过程，其中目的细胞过夜生长，稀释，并进一步生长，直到光密度达到0.8至1.0，之后收获细胞并超声处理以提取细胞裂解物。然后将添加了必要辅因子、能量源、核苷酸、底物、氨基酸和tRNA的缓冲混合物添加到细胞提取物中，将其转化为CFPS和无细胞转录-翻译（TX–TL）系统。
CFPS系统的一般方案如图3所示，该实验使用含有必要细胞裂解物和DNA（线性或质粒）的缓冲液，以及相关的能量源、核苷酸、氨基酸、盐和辅因子，共同维持反应以合成感兴趣的产物。CFPS的合成产物可能因多种化学或生物部分而异，包括病毒、治疗剂、抗体、化学品、生物燃料和蛋白质。在合成此类产物时，CFPS系统相对于体内系统具有直接优势，特别是考虑到该技术的相对速度、简单性和有效性。通常，体内系统是耗时的，并且往往比CFPS系统有更多的步骤。
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反应体系
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反应条件
需要根据实验要求调整反应条件，包括温度、离子强度、pH、反应时间等多个方面，有利于促进核苷酸的转录和翻译，以及蛋白质的自组装和成型。
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生产规模
无细胞蛋白表达技术可以扩大生产规模，提高生产效率，但需要保证反应体系的稳定性和可重复性，同时要保证反应环境的清洁和消毒，以避免其他污染物的进入，从而影响蛋白质的纯度和活性。
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更高的蛋白质表达量
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更快的表达速度
传统活细胞蛋白表达需要细胞生长并达到最佳密度时才能进行蛋白质表达，这个过程往往需要数天时间。而无细胞蛋白表达技术通常只需要数小时就能够完成蛋白质的表达，这个速度明显快于传统活细胞表达技术。
3
更精准的蛋白质合成
无细胞蛋白表达技术在体外进行蛋白质合成，能够精确控制底物浓度、反应温度、反应剂比例等参数，因此可以更加精准地合成定制的蛋白质，这对于研究和应用来讲具有重要意义。
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更灵活控制
在无细胞蛋白表达技术中，可以使用分离的组分体系进行蛋白质的合成，可以控制底物和反应剂的比例，也可以在适当的反应条件下进行自定义的修饰，如蛋白质标记、药效分析等。这些优点使得无细胞蛋白表达技术更加灵活、可控，适用于更广泛的应用领域。
图4：体内细胞和体外无细胞蛋白质合成比较
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医疗领域
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制药领域
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基础研究领域
利用无细胞蛋白质合成系统可以直接对表达产物进行核磁共振分析，目前已确定了数千个蛋白质的结构。可以通过合成蛋白质建立蛋白质阵列，解开基因产物的功能；应用核糖体展示和 mRNA 展示技术，更有利于实现高通量筛选，全面深入研究基因特征和功能。通过无细胞蛋白表达技术可以实现对大型蛋白质的生产和分析，同时也为基础研究打开了新的研究领域。
另一方面，无细胞蛋白表达技术和人工智能技术的结合也可以拓展生物医药领域的应用范围。例如，利用无细胞蛋白表达技术和人工智能技术可以快速高效地生产一些生物标志物或特定蛋白质，用于生物检测和诊断。同时，人工智能技术可以根据病态组织特异性标识，利用无细胞蛋白表达技术高效合成具有特定作用的生物药剂，实现精准医疗和个性化治疗，具有广阔的研究和应用前景。
参考文献：
