傳統(tǒng)微生物發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)酶面臨周期長(>72 小時(shí))且純化復(fù)雜的瓶頸。新一代連續(xù)流體外蛋白表達(dá)系統(tǒng) 通過耦合反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)高效合成:將大腸桿菌裂解物與纖維素酶基因模板泵入螺旋管,在 30℃ 恒溫條件下持續(xù)產(chǎn)出酶蛋白,每小時(shí)產(chǎn)量達(dá) 120 mg/L,較批次反應(yīng)提高 8 倍。德國 BRAIN AG 公司利用此技術(shù)生產(chǎn) 耐熱木聚糖酶,直接添加至造紙漿料中降解半纖維素,使漂白劑用量減少 30%。該系統(tǒng)還支持 實(shí)時(shí)補(bǔ)料——補(bǔ)充消耗的氨基酸和能量物質(zhì)可維持 48 小時(shí)穩(wěn)定表達(dá),單位酶成本降至 $2.5/g,逼近發(fā)酵法經(jīng)濟(jì)閾值。在冰上預(yù)混裂解物與能量混合物,是保證??體外蛋白表達(dá)??重復(fù)性的關(guān)鍵步驟。293f細(xì)胞蛋白表達(dá)難點(diǎn)
從裂解物來源看,無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)主要分為原核系統(tǒng)和真核系統(tǒng)。原核系統(tǒng)以大腸桿菌S30提取物為主,成本低、耐受性強(qiáng),適合表達(dá)簡單蛋白或引入非天然氨基酸,但缺乏復(fù)雜翻譯后修飾能力。真核系統(tǒng)包括兔網(wǎng)織紅細(xì)胞裂解物(RRL)和麥胚提取物(WGE),前者適合哺乳動(dòng)物蛋白的高效表達(dá),后者對(duì)植物和病毒蛋白更優(yōu),且能處理長鏈RNA,但成本較高。此外,昆蟲細(xì)胞提取物系統(tǒng)近年也用于復(fù)雜蛋白的修飾研究。英國nuclera 高通量微流控蛋白表達(dá)篩選系統(tǒng)可助力支持無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù),如想了解更多信息,歡迎咨詢官方代理商上海曼博生物!293f細(xì)胞蛋白表達(dá)難點(diǎn)我們需要先??構(gòu)建蛋白表達(dá)載體??,再轉(zhuǎn)染細(xì)胞。
無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)的雛形可追溯至20世紀(jì)50年代。1958年,Zamecnik頭次證明細(xì)胞裂解物中的翻譯機(jī)器可在體外合成蛋白質(zhì),為技術(shù)奠定基礎(chǔ)。1961年,Nirenberg和Matthaei利用大腸桿菌裂解物破譯遺傳密碼子,推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展。然而,早期技術(shù)因表達(dá)量低、穩(wěn)定性差,長期局限于實(shí)驗(yàn)室研究,主要用于密碼子解析和翻譯機(jī)制探索,未實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用。近十年,無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)技術(shù)加速向醫(yī)療、合成生物學(xué)等領(lǐng)域滲透。例如,在COVID-19期間,該技術(shù)被用于快速生產(chǎn)疫苗抗原和抗體。同時(shí),AI算法的引入實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)條件智能預(yù)測(cè),進(jìn)一步優(yōu)化表達(dá)效率。中國企業(yè)如蘇州珀羅汀生物通過自主研發(fā)試劑盒,推動(dòng)國產(chǎn)化替代。未來,無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)或與代謝工程、微流控技術(shù)結(jié)合,成為生物制造和準(zhǔn)確醫(yī)療的he xin工具。
無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)的he xin優(yōu)勢(shì)在于其高效性、靈活性和較廣的適用性。與傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)相比,CFPS無需繁瑣的細(xì)胞培養(yǎng)和基因轉(zhuǎn)染步驟,可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成蛋白質(zhì)合成,速度提升5-10倍,特別適合快速研發(fā)需求。該系統(tǒng)采用開放的反應(yīng)體系,允許直接添加非天然氨基酸、同位素標(biāo)記物或翻譯調(diào)控因子,為定制化蛋白(如抗體藥物偶聯(lián)物、熒光標(biāo)記蛋白)的合成提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外,CFPS能夠高效表達(dá)傳統(tǒng)細(xì)胞系統(tǒng)難以生產(chǎn)的毒性蛋白、膜蛋白或易被蛋白酶降解的蛋白,解決了細(xì)胞表達(dá)中的存活率問題。由于反應(yīng)條件完全可控,研究人員可實(shí)時(shí)優(yōu)化溫度、pH和底物濃度等參數(shù),明顯提高復(fù)雜蛋白的可溶性和活性。這些特點(diǎn)使CFPS成為藥物開發(fā)、合成生物學(xué)和蛋白質(zhì)工程領(lǐng)域的重要工具,尤其適用于小批量、高難度蛋白的快速制備和篩選。小麥胚芽裂解物??則憑借??低核酸酶活性??成為長期反應(yīng)(>24小時(shí))的理想選擇。
體外蛋白表達(dá)正在革新現(xiàn)場快速檢測(cè)技術(shù)。以瘧疾診斷為例:將凍干的大腸桿菌裂解物、瘧原蟲 HRP2 基因 DNA 及顯色底物預(yù)裝在微流控芯片中,加入水樣后啟動(dòng) 30 分鐘體外蛋白表達(dá)反應(yīng),生成的 HRP2 蛋白催化顯色劑變紅,靈敏度達(dá) 5 寄生蟲/μL(傳統(tǒng)試紙只 200/μL)。此方案在剛果金野外測(cè)試中顯示,陽性檢出率提升 40% 且無需冷鏈運(yùn)輸。類似技術(shù)已擴(kuò)展至COVID-19檢測(cè)——用患者鼻拭子 RNA 直接合成 Spike 蛋白,結(jié)合納米金抗體實(shí)現(xiàn) 1 小時(shí)確診。這種 “即測(cè)即表達(dá)”模式 將診斷成本降至 $0.5/次,成為資源匱乏地區(qū)的抗疫利器。大腸桿菌體外蛋白表達(dá)的單次反應(yīng)成本($1.5)只為哺乳細(xì)胞系統(tǒng)的 1/50。植物蛋白表達(dá)的性價(jià)比
大腸桿菌裂解物的??高翻譯效率??可支持??100μg/mL級(jí)??蛋白產(chǎn)量,但缺乏糖基化修飾能力。293f細(xì)胞蛋白表達(dá)難點(diǎn)
無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)的模板可以是線性DNA(如PCR產(chǎn)物)或環(huán)狀質(zhì)粒,需包含啟動(dòng)子(如T7/T3/SP6)和核糖體結(jié)合位點(diǎn)(RBS)以啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄翻譯。為提升效率,系統(tǒng)可能添加分子伴侶(如DnaK/GroEL)輔助蛋白折疊,或氧化還原劑(如谷胱甘肽)促進(jìn)二硫鍵形成。部分高級(jí)系統(tǒng)(如PURE體系)使用純化重組元件替代粗提物,實(shí)現(xiàn)更高可控性,但成本較高。無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)可靈活引入非天然氨基酸(nnAA),擴(kuò)展了蛋白質(zhì)的功能多樣性。例如,通過定制tRNA和氨酰-tRNA合成酶,無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確將熒光標(biāo)記或交聯(lián)基團(tuán)嵌入目標(biāo)蛋白,用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)或藥物偶聯(lián)開發(fā)。更前沿的應(yīng)用是人工生命體系的構(gòu)建,如利用無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)合成噬菌體或人工細(xì)胞雛形,結(jié)合微流控技術(shù)模擬細(xì)胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò),為合成生物學(xué)研究提供可控的簡化模型。293f細(xì)胞蛋白表達(dá)難點(diǎn)