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蛋白质合成的新时代：细胞外系统如何打破传统界限？
随着科学技术的迅速发展，传统的生物合成方法逐渐被新兴的细胞外系统所取代。蛋白质合成技术，特别是细胞外蛋白质合成（CFPS），不仅突破了以往必须依赖活细胞的局限，还展现出了前所未有的灵活性和效率。在这个新时代中，CFPS开始成为生物技术领域的一个热门话题，并以其多样的应用前景引起了广泛的关注。
细胞外蛋白质合成能够直接控制翻译环境，这对于膜蛋白的共翻译溶解、蛋白质产量的最佳化、非自然氨基酸的并入，以及选择性和特定标记等应用都是极为有利的。
介绍
细胞外蛋白质合成是指在不使用活细胞的情况下，通过细胞机制完成蛋白质的生产。这一技术的运作环境不受细胞壁和细胞生存所需的恒定生理条件的约束，这使得研究人员可以直接访问和操控合成环境。 CFPS的基本组件包括细胞提取物、能源来源、氨基酸供应、镁等辅因子以及所需基因的DNA。细胞提取物的制备需要破坏目标细胞并通过离心去除细胞壁和其他碎片，剩余的部分则包含了蛋白质合成所需的机制。
细胞外蛋白质合成的优势在于反应的迅速性和可控性，仅需1至2天准备就能开展反应，而传统的活细胞表达可能需要1至2周。
优势和应用
CFPS技术相较于传统的体内蛋白质合成拥有诸多优势。其中最显著的是，细胞外反应的开放性使得研究人员可以直接操控环境变数，例如pH值、氧化还原电位，以及温度等，这使得样品的提取和浓度的优化变得更加容易。此外，CFPS还能够高效生产一些对细胞有毒的蛋白质，因为不需要考虑细胞的生存问题。
由于细胞的开放性，CFPS广泛应用于合成不自然氨基酸的蛋白质结构，这一技术正逐渐成为合成生物学的重要组成部分，应用范围包括蛋白质进化、纳米机器、核酸电路以及合成病毒样颗粒，用于疫苗和药物治疗。
局限性
尽管CFPS技术有着众多的优势，但仍然面临一些挑战。其中一个主要问题是内源性核酸酶对DNA的降解，这对于线性表达模板（LETs）来说尤为困扰。由于细胞内的内切酶会随机攻击DNA链，而外切酶则会从DNA的末端进行攻击，因此环状的质粒更能抵抗这种攻击。研究者们目前正集中于提高LET的产量，力求达到与质粒相似的表现水平。
细胞外系统的类型
当前常用的细胞提取物包括大肠杆菌（ECE）、兔子红细胞（RRL）、小麦胚汁（WGE）、昆虫细胞（ICE）和酵母Kluveromyces（D2P系统）。这些提取物目前都可以商业化获得，其中大肠杆菌提取物因为成本低廉和高产量而成为最受欢迎的选择。虽然高产量的生产可能限制合成蛋白质的复杂性，但也为各种应用带来了便利。如果需要考虑到复杂的后转译修饰，较低效率但更适合的真核系统可能会成为更佳的选择。
历史背景
细胞外蛋白质合成的历史已经超过60年。 1961年，马歇尔·尼伦伯格和海因里希·J·马特海于美国国立卫生研究院（NIH）首次利用细胞外系统解码了一个密码子。他们用细胞外系统翻译了一个聚尿苷酸RNA序列，发现合成的多肽分子仅包含氨基酸苯丙氨酸，从而推导出UUU密码子指定苯丙氨酸。
随着科学技术的进步，细胞外蛋白质合成已经成为破解生命奥秘的重要工具，并在生物医学、农业生物技术等领域展开了应用。
在这样一个技术快速发展的时代，细胞外蛋白质合成的未来会带来更多创新，将如何影响我们理解生命及其应用的领域呢？
