自然界生物材料具有复杂动态功能，如肌肉、皮肤、硬壳和骨骼等，它们拥有多重功能包括随时间变化的能力和对多种刺激的响应性。而合成生物学旨在利用工具来设计和改造生物体，从而模仿自然界生物材料的能力，赋予材料如损伤感知、威胁响应、自我清洁、自我修复和自我降解等生物学特性。然而，将生物功能整合至固体材料（如塑料）中则面临加工条件苛刻的挑战，诸如活细胞、分离酶等。
今天小编和大家分享一篇今年4月份发表在ACS Synth Biol杂志上，名为“Cell-Free Protein Expression in Polymer Materials”的文章。该篇文章证明了聚合物嵌入的无细胞蛋白表达（CFPS）反应是在材料中添加复杂、DNA可编程生物活性的有前途的新方法。并展示了CFPS反应在热和有机溶剂暴露下的显著耐受性。这标志着DNA可编程生物功能被引入合成材料中的可能性，为合成生物学领域带来了新的研究方向和应用前景。
研究背景
无细胞蛋白合成（CFPS）技术绕过了活细胞相关的限制，通过在细胞外重构基本细胞功能（如转录、翻译和代谢），为在材料中实现可编程的生物功能提供了一种选择。CFPS系统无需维持细胞活性，并且因其缺乏细胞膜，为研究人员提供了更多对反应环境的控制。此外，干燥后的CFPS粉末在室温下存储具有良好的稳定性，并且可以耐受有机溶剂暴露，这为实现其在聚合物材料中的应用奠定了基础。
研究结果
1、溶剂浇铸CFPS-PLGA
研究团队成功将干燥CFPS反应粉末嵌入聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）中。他们发现，经有机溶剂处理的CFPS反应粉末能保持蛋白质合成活性，并在PLGA膜中恢复活性，表达出荧光蛋白。首先混合CFPS反应液与PLGA丙酮溶液，然后浇铸成膜，并通过水合作用激活膜内的CFPS反应。这项技术展示了在非水凝胶聚合物材料中恢复复杂代谢反应和蛋白质合成功能的能力。
图1:CFPS粉末铸造成聚合物
2.热铸CFPS-PCL
研究人员探索了通过热压法将CFPS反应粉末嵌入到聚己内酯（PCL）中的可行性。实验成功将CFPS粉末嵌入PCL中，通过手工热压机，将CFPS反应物加热压制于PCL片之间。重新水合并孵化后，CFPS反应粉末恢复活性，并在PCL片中观察到荧光蛋白的表达且边缘切割处的荧光信号更强，暗示水分渗入促进了CFPS的局部激活。这些结果表明，热压工艺后，有可能在聚合物材料中恢复CFPS活性。
图2:热铸CFPS-PCL
3.CFPS-PLGA中的区域功能
研究人员制备了含不同DNA编码的CFPS“墨水”，分别编码绿色和红色荧光蛋白，并将这些“墨水”铸造到PLGA膜中。结果显示，CFPS反应在聚合物内部成功激活，产生了预期的荧光蛋白，实现了多功能空间定位。并将其嵌入PLGA材料，成功在同一块材料中表达出不同的荧光蛋白。该研究不仅证明了CFPS技术在非水性聚合物中实现复杂生物功能的潜力，而且展示了通过改变DNA序列可轻松更改或组合功能的灵活性。
图3:CFPS-PLGA胶片中局部功能的显微观察
4.CFPS-PLGA中大肠肝菌素的生产
研究人员通过将编码大肠杆菌素E1的线性DNA与CFPS反应体系结合，再嵌入PLGA材料中。在PLGA薄膜中表达抗菌蛋白大肠杆菌素E1来证明CFPS提供聚合物材料通常无法实现的生物有效载荷的能力。实验结果显示，尽管CFPS-PLGA系统经历了有机溶剂处理和高温加工，但其中的大肠杆菌素E1仍能保持活性。当材料与水接触时，大肠杆菌素E1能够表达并有效抑制大肠杆菌的生长。这一成果不仅展示了CFPS技术在非生物材料中实现生物功能的强大能力，还为在聚合物材料中直接合成具有生物活性的抗菌蛋白提供了新途径，对开发新型抗菌材料具有重要意义。
图4:扩展溶剂铸造聚合物的功能
5.CFPS-PLGA中的传感器功能
最后，研究团队演示了一种动态感觉和响应功能，这是聚合物材料中通常没有的一种生物学通用能力。研究人员选择了一个RNA脚架开关传感器，通过将传感器与比色报告酶联系起来。利用包含编码LacZ（B-半乳糖苷酶）的质粒和同源触发RNA的质粒的冻干CFPS粉末样品，制备了对特定RNA信号响应的塑料传感器。传感器接触触发RNA时，可激活酶的表达，通过颜色变化指示目标分子。该技术为聚合物材料赋予了生物传感能力，且可灵活调整传感器功能，开辟了合成生物学在材料科学的新应用可能性。
结论
本文探讨了无细胞蛋白合成（CFPS）技术在聚合物材料中的应用，进一步证明了CFPS技术的广泛应用前景和在合成生物学领域的潜力。该技术能通过调整DNA序列并将CFPS反应粉末嵌入到聚合物中以实现材料复杂的生物功能，如荧光蛋白产生、抗菌功能及传感响应等，为生物材料带来动态变化与多功能性。
备受追捧的工程生物材料概念包括使用活细胞赋予人为材料生物学中常见的新功能（传感、自愈和动态多功能性点等）。而CFPS系统可以用于在聚合物材料中实现其中许多目标，规避了与维持细胞活力相关的挑战以及转基因生物释放的担忧，CFPS可以将应用推向普通的材料和设备。
参考文献：
Lee MS, Lee JA, Biondo JR, et al. Cell-Free Protein Expression in Polymer Materials. ACS Synth Biol. 2024;13(4):1152-1164. doi:10.1021/acssynbio.3c00628
