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蛋白質合成的新時代：細胞外系統如何打破傳統界限？
隨著科學技術的迅速發展，傳統的生物合成方法逐漸被新興的細胞外系統所取代。蛋白質合成技術，特別是細胞外蛋白質合成（CFPS），不僅突破了以往必須依賴活細胞的局限，還展現出了前所未有的靈活性和效率。在這個新時代中，CFPS開始成為生物技術領域的一個熱門話題，並以其多樣的應用前景引起了廣泛的關注。
細胞外蛋白質合成能夠直接控制翻譯環境，這對於膜蛋白的共翻譯溶解、蛋白質產量的最佳化、非自然氨基酸的併入，以及選擇性和特定標記等應用都是極為有利的。
介紹
細胞外蛋白質合成是指在不使用活細胞的情況下，通過細胞機制完成蛋白質的生產。這一技術的運作環境不受細胞壁和細胞生存所需的恆定生理條件的約束，這使得研究人員可以直接訪問和操控合成環境。CFPS的基本組件包括細胞提取物、能源來源、氨基酸供應、鎂等輔因子以及所需基因的DNA。細胞提取物的製備需要破壞目標細胞並通過離心去除細胞壁和其他碎片，剩餘的部分則包含了蛋白質合成所需的機制。
細胞外蛋白質合成的優勢在於反應的迅速性和可控性，僅需1至2天準備就能開展反應，而傳統的活細胞表達可能需要1至2周。
優勢和應用
CFPS技術相較於傳統的體內蛋白質合成擁有諸多優勢。其中最顯著的是，細胞外反應的開放性使得研究人員可以直接操控環境變數，例如pH值、氧化還原電位，以及溫度等，這使得樣品的提取和濃度的優化變得更加容易。此外，CFPS還能夠高效生產一些對細胞有毒的蛋白質，因為不需要考慮細胞的生存問題。
由於細胞的開放性，CFPS廣泛應用於合成不自然氨基酸的蛋白質結構，這一技術正逐漸成為合成生物學的重要組成部分，應用範圍包括蛋白質進化、納米機器、核酸電路以及合成病毒樣顆粒，用於疫苗和藥物治療。
局限性
儘管CFPS技術有著眾多的優勢，但仍然面臨一些挑戰。其中一個主要問題是內源性核酸酶對DNA的降解，這對於線性表達模板（LETs）來說尤為困擾。由於細胞內的內切酶會隨機攻擊DNA鏈，而外切酶則會從DNA的末端進行攻擊，因此環狀的質粒更能抵抗這種攻擊。研究者們目前正集中於提高LET的產量，力求達到與質粒相似的表現水平。
細胞外系統的類型
當前常用的細胞提取物包括大腸桿菌（ECE）、兔子紅細胞（RRL）、小麥胚汁（WGE）、昆蟲細胞（ICE）和酵母Kluveromyces（D2P系統）。這些提取物目前都可以商業化獲得，其中大腸桿菌提取物因為成本低廉和高產量而成為最受歡迎的選擇。雖然高產量的生產可能限制合成蛋白質的複雜性，但也為各種應用帶來了便利。如果需要考慮到複雜的後轉譯修飾，較低效率但更適合的真核系統可能會成為更佳的選擇。
歷史背景
細胞外蛋白質合成的歷史已經超過60年。1961年，馬歇爾·尼倫伯格和海因里希·J·馬特海於美國國立衛生研究院（NIH）首次利用細胞外系統解碼了一個密碼子。他們用細胞外系統翻譯了一個聚尿苷酸RNA序列，發現合成的多肽分子僅包含氨基酸苯丙氨酸，從而推導出UUU密碼子指定苯丙氨酸。
隨著科學技術的進步，細胞外蛋白質合成已經成為破解生命奧秘的重要工具，並在生物醫學、農業生物技術等領域展開了應用。
在這樣一個技術快速發展的時代，細胞外蛋白質合成的未來會帶來更多創新，將如何影響我們理解生命及其應用的領域呢？
