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從酵母到兔子：細胞提取物如何推動合成生物學的革命？
在生物學的研究領域，細胞是生命的基本單位。然而，隨著科學的進步，研究人員逐漸認識到，在沒有完整細胞的情況下，細胞的內部運作仍然可以被模擬和分析。這種無細胞系統的出現，不僅簡化了我們對生物反應的理解，也促進了合成生物學的革命，開創了一個前所未有的研究和應用新時代。
無細胞系統是一種非常有用的工具，能夠在控制的環境下進行生物反應的研究。
無細胞系統的類型
無細胞系統主要可以分為兩種：基於細胞提取物的系統和純化酶的系統。基於細胞提取物的系統，從整個細胞中提取出組分來進行外部使用，而純化酶的系統則是使用已知參與某一過程的純化組分。
然而，基於細胞提取物的系統也存在一些挑戰。例如，在一項由Kitaoka等人進行的研究中，基於大腸桿菌的無細胞翻譯系統顯示，mRNA模板迅速降解，導致蛋白質合成的中斷。因此，這類系統需要在應用上進行更為謹慎的考量。
準備無細胞系統
無細胞系統的準備方法各有不同。早在歷史上，諾貝爾獎得主Eduard Buchner就首次展示了使用酵母萃取物的無細胞系統。隨著時間的推移，大腸桿菌、小麥胚芽和兔子網狀細胞等來源相繼被發現可以用來創建無細胞系統。
目前，無細胞系統的準備方法包括使用研磨法和超離心法，分離出所需的細胞內部組件。
應用無細胞系統
隨著技術不斷發展，無細胞合成生物學正被視為新興的低成本生物製造平台，與從事幾千年的微生物發酵相比更具競爭力。無細胞生物系統具備多種優勢，特別適合於工業應用：
無細胞系統通常能在沒有副產物產生或細胞質合成的情況下，實現非常高的產品產量。
例如，利用合成酶途徑，通過與淀粉和水的反應，能夠從多醣和水的每一單元生成近12個氫分子，這是最佳厭氧氫生產微生物的理論產量的三倍。此外，無細胞系統可以實現一些活微生物或化學催化劑無法做到的生物反應。
蛋白質合成與代謝操控
無細胞生物系統亦能輕鬆控制和訪問，而無需細胞膜的障礙。在諾貝爾獎的研究過程中，Nirenberg和Matthaei的實驗就是利用了這種細胞提取物系統，將放射性標記的氨基酸納入合成蛋白質的過程之中。近期的研究，如Spirin等人的研究，也運用了原核和真核的無細胞翻譯系統，在合成蛋白質上顯示出增產的潛力。
透過這些新技術，無細胞蛋白質合成逐漸成為快速合成蛋白質的新選擇。
非天然氨基酸的引入
無細胞系統也被用來引入非天然的氨基酸。Shimizu等人通過省略RF1釋放因子，成功地將終止密碼s更改為意味密碼，這顯示了在特殊情況下插入所需氨基酸的能力。這對於在細胞內工作存在困難的系統來說尤為重要，例如在氨基酸代謝的過程中，無法對氨基酸進行特定的標記。
這些技術將無細胞系統的應用推向新的高峰，使得其能夠為多維核磁共振光譜研究提供支持。
綜合來看，無細胞系統不僅簡化了生物反應的研究過程，也為工業應用提供了新的可能性和機會。在這場由細胞提取物推動的合成生物學革命中，我們是否正站在未來生物科技進步的門檻上呢？
