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细胞外的生物转化：为什么无细胞系统能实现惊人的产品产量？
在当前的生物技术领域，无细胞系统作为一种特别的工具，正逐渐成为研究生物反应的重要方法。这些系统的主要特点是，它们能够在不使用完整细胞的情况下，研究细胞内发生的各类生物反应，从而简化复杂的细胞内部互动。由于无细胞系统替代了繁杂的生物环境，加上有效的分子机械，这使得它们在合成生物学中发挥了重要作用。
无细胞系统不仅在控制所检测的反应方面具有极大优势，还能实现更高的反应产量。
无细胞系统的类型
无细胞系统主要分为两大类型：基于细胞提取的系统和基于纯化酶的系统。前者直接从完整细胞中提取组件进行外部使用，后者则是采用已知生物过程中的纯化成分。例如，以大肠杆菌为基础的细胞提取系统，可能会面临快速降解组件的问题，这在以大肠杆菌为基础的翻译系统中已有案例证明。
无细胞系统的准备
这些系统的准备方法因系统类型而异。历史上，诺贝尔奖得主Eduard Buchner是首位使用酵母提取物的科学家，而如今，其他来源如E. coli、小麦胚芽和兔红细胞等也能成功构建无细胞系统。以E. coli 30S提取物为例，通常通过磨碎细菌并经过清洗来获得。
细胞提取的过程可能会面临如膜破裂等挑战，进而影响反应的稳定性和控制性。
无细胞系统的用途
无细胞合成途径的生物转化系统，正被提出作为一种低成本的生物制造平台，替代了数千年来的微生物发酵方式。无细胞生物系统在工业应用中具有多项优势，例如可实现极高的产品产量，并且通常不会产生副产品。
例如，利用合成酶途径，从淀粉和水的反应中，每提供一单位的聚糖及水，可以产生近12单位的氢气，这是最佳厌氧产氢微生物理论产量的三倍。
蛋白质合成
无细胞生物系统的另一个显著优势在于其在增产蛋白质方面的能力。著名的Nirenberg和Matthaei实验便是利用了基于细胞提取的系统，将标记的氨基酸纳入合成的蛋白质中。随着技术的进步，许多研究如Spirin等的研究，利用原核和真核的细胞提取系统实现了更高的蛋白质合成效率。
代谢操控
无细胞系统还能用于代谢过程的工程。 Bujara等人的研究表明，他们利用大肠杆菌的酵解网络提取物，实时分析了一种代谢中间体的浓度，从而获得了最佳的产量。
非天然氨基酸的纳入
无细胞系统的另一个突破是它们成功纳入非天然氨基酸的能力。 Shimizu等指导的研究显示，去除释放因子RF1可以将终止密码更改为意义密码，这为在细胞内操作困难的系统提供了可能的解决方案。这使得无细胞系统在一些研究，如多维NMR光谱分析中变得极具价值。
无细胞系统的逐步发展不仅降低了生物制造的复杂性，还提高了生产的效率和灵活性。在未来，这些系统将如何改变我们对生物制造的理解和应用？
