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揭开无细胞蛋白合成的神秘面纱：如何挑战蛋白质生产的极限？
在当今的生物科技世界中，无细胞蛋白合成 (CFPS) 正站在一个改变游戏规则的前沿。这种技术不再依赖活细胞，而是利用生物机械在细胞外系统中生产蛋白质。通过此方法，科学家们能够不受细胞壁或维持细胞生存所需的恒定内部条件限制，并直接控制蛋白质合成的环境。
无细胞蛋白合成的背景
无细胞蛋白合成的过程利用了一种细胞提取物，通常由使用超高速离心从目标细胞中提取出来的必要细胞机械组成。这包括核糖体、氨基酸tRNA合成酶及其他转译所需的因子。 CFPS 使用的DNA分为两类：环状质粒与线性表达模板 (LETs)。虽然质粒通常能获得更高的产量，但LETs由于制备更快速，而在当前的研究中受到重视。
“CFPS 使得研究人员能够探索各种不同的 pH 值、温度等表达条件，开拓了蛋白合成的新可能性。”
无细胞蛋白合成的优势与应用
无细胞蛋白合成的优势不胜枚举。首先，CFPS 的反应时间通常为 1 到 2 天，而活细胞合成可能耗时 1 到 2 星期。其次，CFPS 的开放性系统允许我们直接操控化学环境，使得样品的取样及反应监控变得容易。此外，由于不需要维持细胞的生存环境，CFPS 可以合成一些在活细胞中是有毒的蛋白质。
“无细胞系统的应用范围广泛，包括不自然氨基酸的引入、蛋白演化、合成病毒样颗粒等。”
这些特点使得 CFPS 在科学研究和商业生产中具有重要的应用潜力。例如，通过无细胞蛋白合成，科学家能够容易地插入经过修饰的 tRNA 及不自然氨基酸，这对于扩展基因编码格具有重要意义。这里的机遇不仅限于基本研究，还延伸至疫苗和药物治疗的开发。
技术挑战与限制
尽管 CFPS 带来了诸多优势，该技术仍面临挑战。其中最大的挑战之一是 DNA 在提取物中被内源性核酸酶降解，特别是对于 LETs，这一问题尤为明显。尽管圆形质粒对于外源性核酸酶的抵抗能力更强，但 LETs 依然受到很大影响。因此，当前的研究重点在于提高 CFPS 的 LET 产量，使之接近质粒的产量。
为了解决这一问题，科学家们开展了许多研究，其中一种创新方法是利用噬菌体 lambda gam 蛋白，这一抑制剂能有效阻止核酸酶的作用，从而显著提高 CFPS 的 LET 产量。除了这种方法外，无核酸酶的PURE提取液也是选择之一，但制作成本较高且不具经济性。
各种无细胞系统的比较
目前，市面上可用的细胞提取物主要来自大肠杆菌、兔子红细胞、小麦胚芽、昆虫细胞及酵母（Kluyveromyces）。其中，来自大肠杆菌的细胞提取物因为价格低廉且得到的蛋白质产量最高而被广泛使用。然而，这种系统可能在合成较复杂的蛋白质（尤其是涉及后转译修饰的情况）中受到一定限制。因此，根据具体的应用需求选择合适的提取物是十分重要的。
历史回顾
无细胞蛋白合成的历史可追溯至 60 多年前。 1961 年，马歇尔·尼伦伯格和海因里希·马特海的实验在美国国立卫生研究院首次揭示了密码子，为后来的蛋白质合成研究奠定了基础。他们利用无细胞系统翻译聚尿苷酸 RNA 的序列，发现合成的多肽只含有一种氨基酸：苯丙氨酸，从而确认了密码子与氨基酸的对应关系。
“以CFPS为基础的未来发展，不仅在基础科学乃至应用技术上，均具备巨大的潜力。”
随着科学技术的发展，无细胞蛋白合成的应用范围也会不断扩大，究竟未来能带给我们怎样的惊喜与挑战呢？
