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细胞无关的神秘世界：为何细胞自由系统是生物研究的终极工具？
在当今的生物研究领域，细胞自由系统正逐渐成为科学家们的重要工具。这种系统能够在没有完整细胞的情况下，探讨细胞内部的生物反应，减少了与整个细胞系统所涉及的复杂互动。透过超速离心，可以分离出细胞的亚细胞部分，提供可以在缺乏其他细胞成分的情况下进行反应的分子机制。这使得无细胞合成生物学诞生，科学家能够精确控制正在研究的反应及其产量，并在处理更敏感的活细胞时减少考虑因素。
这些系统不仅提供了研究特定生物反应的渠道，还展示了各类生物过程如何在控制的环境中进行。
细胞自由系统的类型
细胞自由系统主要分为两大类：基于细胞提取的系统与纯化酶系统。基于细胞提取的系统通过从整体细胞中去除组件以供外部使用，然而其可能会遭遇细胞成分在宿主之外迅速降解的问题。例如，在一项研究中，基于大肠杆菌的细胞提取翻译系统发现其mRNA模板不久后即降解，导致蛋白质合成中断。
准备工作
不同类型的细胞自由系统在准备方法上有所不同。以基于细胞提取的系统为例，诺贝尔奖得主埃杜阿德·布赫纳可被认为是最早展示细胞自由系统的科学家之一，他利用酵母提取物进行研究。随后，科学家们发现其他来源，如大肠杆菌、小麦胚芽和兔红细胞，这些都适合用来制作细胞自由系统。比如，大肠杆菌的30S提取物可由细菌研磨与铝土矿结合，随后进行进一步清理得来。
应用范畴
细胞自由合成途径的生物转化系统被提议为一种相对于微生物发酵的低成本生物制造平台。细胞自由系统具有几个适合工业应用的优势：通常能够达到非常高的产品产量，且无副产物或细胞质量的合成。例如，在合成酶途径中的一项反应中，从淀粉和水出发，理论上每单位多糖的产氢量几乎可翻三倍。
细胞自由系统的酶反应通常具有比微生物系统更快的反应速度，因为其不受细胞膜的阻隔。
蛋白质合成
在体外生物系统中，科学家能够无障碍地控制及访问所需的成分。以Nirenberg和Matthaei的实验为例，这是一项做出诺贝尔奖的研究，利用基于细胞提取的系统将选定的氨基酸合成标记入量测的蛋白质。而且，近年来的研究显示，运用连续流技术来添加材料和移除产品，能够提高蛋白质的产量。
此类突破进一步开拓了应用范围，例如可以合成融合蛋白，并可能作为B细胞淋巴瘤的疫苗。
代谢操作
细胞自由系统在操作代谢过程方面也取得了进展。研究者利用大肠杆菌的糖解网络提取物，能够即时分析代谢物浓度，并优化多羟基丙酮磷酸的生产。 Calhoun与Swartz的研究显示，利用糖解中间体提供的细胞自由系统相比于其他试剂的ATP产生来得更为经济。
不自然氨基酸的融入
细胞自由系统同样可以用于融入不自然的氨基酸。透过去除释放因子，研究者成功改变停止密码为感知密码，显示出可在不稳定的情况下插入所需的氨基酸。这在氨基酸代谢妨碍标记的系统中尤其有效，对于多维核磁共振光谱学的应用尤为重要。
无细胞系统的优势显而易见，但在这样的神秘世界中，未来的挑战和机会又将如何影响我们的生物学研究与应用呢?
