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細胞外的生物轉化：為什麼無細胞系統能實現驚人的產品產量？
在當前的生物技術領域，無細胞系統作為一種特別的工具，正逐漸成為研究生物反應的重要方法。這些系統的主要特點是，它們能夠在不使用完整細胞的情況下，研究細胞內發生的各類生物反應，從而簡化複雜的細胞內部互動。由於無細胞系統替代了繁雜的生物環境，加上有效的分子機械，這使得它們在合成生物學中發揮了重要作用。
無細胞系統不僅在控制所檢測的反應方面具有極大優勢，還能實現更高的反應產量。
無細胞系統的類型
無細胞系統主要分為兩大類型：基於細胞提取的系統和基於純化酶的系統。前者直接從完整細胞中提取組件進行外部使用，後者則是采用已知生物過程中的純化成分。例如，以大肠杆菌為基礎的細胞提取系統，可能會面臨快速降解組件的問題，這在以大腸桿菌為基礎的翻譯系統中已有案例證明。
無細胞系統的準備
這些系統的準備方法因系統類型而異。歷史上，諾貝爾獎得主Eduard Buchner是首位使用酵母提取物的科學家，而如今，其他來源如E. coli、小麥胚芽和兔紅細胞等也能成功構建無細胞系統。以E. coli 30S提取物為例，通常通過磨碎細菌並經過清洗來獲得。
細胞提取的過程可能會面臨如膜破裂等挑戰，進而影響反應的穩定性和控制性。
無細胞系統的用途
無細胞合成途徑的生物轉化系統，正被提出作為一種低成本的生物製造平台，替代了數千年來的微生物發酵方式。無細胞生物系統在工業應用中具有多項優勢，例如可實現極高的產品產量，並且通常不會產生副產品。
例如，利用合成酶途徑，從澱粉和水的反應中，每提供一單位的聚糖及水，可以產生近12單位的氫氣，這是最佳厭氧產氫微生物理論產量的三倍。
蛋白質合成
無細胞生物系統的另一個顯著優勢在於其在增產蛋白質方面的能力。著名的Nirenberg和Matthaei實驗便是利用了基於細胞提取的系統，將標記的氨基酸納入合成的蛋白質中。隨著技術的進步，許多研究如Spirin等的研究，利用原核和真核的細胞提取系統實現了更高的蛋白質合成效率。
代謝操控
無細胞系統還能用於代謝過程的工程。Bujara等人的研究表明，他們利用大腸桿菌的酵解網絡提取物，實時分析了一種代謝中間體的濃度，從而獲得了最佳的產量。
非天然氨基酸的納入
無細胞系統的另一個突破是它們成功納入非天然氨基酸的能力。Shimizu等指導的研究顯示，去除釋放因子RF1可以將終止密碼更改為意義密碼，這為在細胞內操作困難的系統提供了可能的解決方案。這使得無細胞系統在一些研究，如多維NMR光譜分析中變得極具價值。
無細胞系統的逐步發展不僅降低了生物製造的複雜性，還提高了生產的效率和靈活性。在未來，這些系統將如何改變我們對生物製造的理解和應用？
