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无细胞蛋白合成的奇幻旅程：如何在实验室里创造生命的密码？
随着科学技术的不断进步，无细胞蛋白合成（CFPS）逐渐成为生物研究及制药领域中一个不可或缺的技术。这项技术使得研究者能够在不依赖活细胞的情况下，利用细胞内的生物机制来合成所需的蛋白质。
引言
无细胞蛋白合成的运作原理是利用细胞提取物，结合能量来源、氨基酸、辅因子如镁，以及含有欲表达基因的DNA。通过裂解细胞并去除细胞壁等杂质，所获得的细胞提取物，含有合成蛋白所需的各种生物机械。与传统的细胞内合成相比，无细胞系统能够更灵活地控制合成环境，这使得对于某些应用来说，无细胞蛋白合成更具优势。
无细胞蛋白合成的环境不受细胞壁或细胞稳态的限制。
优势与应用
相较于传统的体内合成，无细胞蛋白合成有许多明显的优势，最显著的是其快速性。以CFPS进行反应的准备工作一般仅需1至2天，而透过活细胞进行蛋白表达则可能需要1至2星期的时间。此外，CFPS的开放性特质还能让研究者直接操控化学环境，方便进行取样和反应监控。
此外，CFPS还能够有效地合成毒性蛋白，这在使用活细胞的情况下会造成障碍。因此，无细胞系统成为许多应用的理想选择，例如：
- 将非天然氨基酸纳入蛋白质结构中，扩展了遗传密码的应用范畴。
- 在合成纳米机器及核酸电路模型中，CFPS亦展现出其潜能。
- 开发类病毒颗粒以用于疫苗和药物治疗等。
限制因素
尽管CFPS拥有多项优势，但仍存在一些挑战。特别是在DNA的降解上，细胞提取物中的内源性核酸酶对于线性表达模板（LET）特别具有破坏性。研究者发现，虽然环状DNA（如质粒）不受末端核酸酶的影响，但LET因其结构特点易受到这些酶的攻击。因此，许多研究目前集中在提高LET的产量，以赢得与质粒相媲美的表现结果。
研究者使用细菌噬菌体λ gam蛋白来保护LET，从而显著提高CFPS的产量。
无细胞系统的类型
当前使用的无细胞提取物主要来自大肠杆菌（E. coli）、兔赤血球、小麦胚芽、昆虫细胞及酵母等，它们均可商业化获得。 E. coli提取物因其低廉的成本和高效的产量，成为最受欢迎的选择。然而，若对蛋白质进行多种后修饰，则需要选择相应的真核系统，以获得更好的性能。
在选择提取物时，必须根据期望的后修饰类型、产量及成本进行考量。
历史背景
无细胞蛋白合成的历史超过60年，自1961年Marshall Nirenberg和Heinrich J. Matthaei首次在国立卫生研究院进行的实验中，他们利用无细胞系统翻译了一串聚尿嘧啶RNA序列，成功合成了仅含苯丙氨酸的多肽，从而确立了编码子与氨基酸之间的联系，推动了分子生物学的进一步发展。
综合来看，无细胞蛋白合成技术的发展及其多样的应用前景，使得科学家在不断探索生命的奥秘时，不禁让人思考：未来科学技术是否能够进一步突破当前的界限，实现更为惊人的成果？
