在合成生物學(xué)中,無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)是構(gòu)建人工細(xì)胞和基因電路的he xin工具。研究人員通過(guò)混合不同物種(如大腸桿菌+哺乳動(dòng)物)的裂解物,創(chuàng)建雜合翻譯系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)跨物種蛋白的協(xié)同合成。該技術(shù)還支持無(wú)細(xì)胞基因線路的快速原型設(shè)計(jì),例如將CRISPR組分與報(bào)告蛋白共表達(dá),用于體外診斷工具的開(kāi)發(fā)。由于擺脫了細(xì)胞膜的限制,CFPS可直接整合非生物元件(如合成聚合物或納米材料),推動(dòng)人工合成生命和生物-非生物雜合系統(tǒng)的前沿研究。無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)可快速表達(dá)膜蛋白(如GPCRs、離子通道)用于藥物靶點(diǎn)研究,解決了此類(lèi)蛋白在細(xì)胞內(nèi)難表達(dá)、易沉淀的問(wèn)題。在診斷領(lǐng)域,基于CFPS的體外轉(zhuǎn)錄-翻譯系統(tǒng)被整合到便攜式設(shè)備中,用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)病原體核酸(如埃博拉病毒),實(shí)現(xiàn)“樣本進(jìn)-結(jié)果出”的快速診斷。此外,該技術(shù)還能合成定制化抗原,用于抗體庫(kù)篩選或個(gè)性化cancer疫苗開(kāi)發(fā)。我們需要先??構(gòu)建蛋白表達(dá)載體??,再轉(zhuǎn)染細(xì)胞。大腸桿菌重組蛋白表達(dá)水平
無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)在快速響應(yīng)公共衛(wèi)生事件和jun shi應(yīng)用中表現(xiàn)突出。例如,在COVID-19期間,無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)被用于數(shù)小時(shí)內(nèi)合成病毒抗原,加速疫苗候選物篩選。美國(guó)DARPA支持的“生物制造”項(xiàng)目利用凍干無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)試劑,在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中按需生產(chǎn)止血蛋白或抗體,實(shí)現(xiàn)便攜式、無(wú)需冷鏈的即時(shí)生物制造。這類(lèi)場(chǎng)景凸顯了無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)在時(shí)效性和環(huán)境適應(yīng)性上的不可替代性。根據(jù)應(yīng)用需求,無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)可整合非天然氨基酸(通過(guò)修飾tRNA)、脂質(zhì)體(用于膜蛋白表達(dá))或翻譯后修飾酶(如糖基化酶)。功能蛋白表達(dá)服務(wù)自供能體外蛋白表達(dá)??系統(tǒng)是構(gòu)建人工細(xì)胞的重要路徑。
在無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)領(lǐng)域,Thermo Fisher Scientific和Merck KGaA等生命科學(xué)巨頭占據(jù)主導(dǎo)地位,它們提供標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)化試劑盒(如Thermo的PURExpress®和Merck的RTS 100系統(tǒng)),覆蓋科研到工業(yè)級(jí)需求。這些企業(yè)通過(guò)成熟的供應(yīng)鏈和全球分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò),為制藥、診斷客戶提供一站式解決方案。此外,Takara Bio(寶生物工程)憑借其高效真核裂解物技術(shù),在復(fù)雜蛋白表達(dá)(如糖基化抗體)細(xì)分市場(chǎng)表現(xiàn)突出。這些綜合服務(wù)商正通過(guò)收購(gòu)創(chuàng)新企業(yè)(如Thermo收購(gòu)CellFree Tech)進(jìn)一步鞏固技術(shù)壁壘。
中國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域的政策布局更側(cè)重細(xì)胞工廠(如微生物發(fā)酵),對(duì)無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)這類(lèi)技術(shù)的專項(xiàng)扶持較少。盡管《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提及無(wú)細(xì)胞合成,但配套資金和產(chǎn)業(yè)政策尚未細(xì)化,難以吸引資本大規(guī)模投入。此外,無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)涉及多學(xué)科交叉(合成生物學(xué)、微流控、AI建模),國(guó)內(nèi)既懂技術(shù)又懂產(chǎn)業(yè)化的復(fù)合型人才稀缺。反觀美國(guó),DARPA等機(jī)構(gòu)通過(guò)“BioMADE”計(jì)劃資助無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)的jun shi和民用轉(zhuǎn)化,而中國(guó)在類(lèi)似頂層設(shè)計(jì)上的滯后,進(jìn)一步拉大了與國(guó)際前沿水平的差距。兔網(wǎng)織紅細(xì)胞裂解物??含??成熟血紅蛋白合成機(jī)制??,能準(zhǔn)確折疊多結(jié)構(gòu)域蛋白。
無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些技術(shù)短板。由于反應(yīng)體系缺乏活細(xì)胞的代謝調(diào)控機(jī)制,能量供應(yīng)和原料再生效率較低,導(dǎo)致反應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短(通常只維持4-6小時(shí)),限制了蛋白產(chǎn)量的進(jìn)一步提升。同時(shí),該技術(shù)對(duì)反應(yīng)環(huán)境高度敏感,溫度波動(dòng)、氧化應(yīng)激或污染物都可能影響蛋白合成效率,這對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性提出了更高要求。此外,雖然CFPS能表達(dá)傳統(tǒng)細(xì)胞系統(tǒng)難以生產(chǎn)的毒性蛋白,但對(duì)于需要復(fù)雜折疊或多亞基組裝的蛋白(如某些膜蛋白或超大分子復(fù)合物),其成功率仍然有限。隨著工程化裂解物與自動(dòng)化設(shè)備的進(jìn)步,體外蛋白表達(dá)技術(shù)將繼續(xù)向??更低成本、更高精度??進(jìn)化。酵母蛋白表達(dá)的局限
添加納米盤(pán)磷脂的 ?GPCR體外蛋白表達(dá)??系統(tǒng),功能性受體得率提升至80%。大腸桿菌重組蛋白表達(dá)水平
若需實(shí)現(xiàn)高階應(yīng)用(如非天然氨基酸插入、膜蛋白合成),無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)復(fù)雜度會(huì)明顯提升。例如,插入Azidohomoalanine需定制正交tRNA合成酶體系,且需優(yōu)化反應(yīng)中nnAA與天然氨基酸的比例;表達(dá)膜蛋白時(shí)則需添加脂質(zhì)體或納米盤(pán)以維持蛋白折疊。此類(lèi)實(shí)驗(yàn)往往涉及多學(xué)科知識(shí)(合成生物學(xué)、生物化學(xué)),并依賴特殊設(shè)備(如微流控芯片工作站)。不過(guò),隨著商業(yè)化試劑盒(如Thermo的PUREfrex2.0)和自動(dòng)化平臺(tái)(如ArborBio的AI優(yōu)化系統(tǒng))的普及,部分操作正趨于標(biāo)準(zhǔn)化,降低了技術(shù)門(mén)檻。大腸桿菌重組蛋白表達(dá)水平