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無細胞蛋白合成的奇幻旅程：如何在實驗室裡創造生命的密碼？
隨著科學技術的不斷進步，無細胞蛋白合成（CFPS）逐漸成為生物研究及製藥領域中一個不可或缺的技術。這項技術使得研究者能夠在不依賴活細胞的情況下，利用細胞內的生物機制來合成所需的蛋白質。
引言
無細胞蛋白合成的運作原理是利用細胞提取物，結合能量來源、氨基酸、輔因子如鎂，以及含有欲表達基因的DNA。通過裂解細胞並去除細胞壁等雜質，所獲得的細胞提取物，含有合成蛋白所需的各種生物機械。與傳統的細胞內合成相比，無細胞系統能夠更靈活地控制合成環境，這使得對於某些應用來說，無細胞蛋白合成更具優勢。
無細胞蛋白合成的環境不受細胞壁或細胞穩態的限制。
優勢與應用
相較於傳統的體內合成，無細胞蛋白合成有許多明顯的優勢，最顯著的是其快速性。以CFPS進行反應的準備工作一般僅需1至2天，而透過活細胞進行蛋白表達則可能需要1至2星期的時間。此外，CFPS的開放性特質還能讓研究者直接操控化學環境，方便進行取樣和反應監控。
此外，CFPS還能夠有效地合成毒性蛋白，這在使用活細胞的情況下會造成障礙。因此，無細胞系統成為許多應用的理想選擇，例如：
- 將非天然氨基酸納入蛋白質結構中，擴展了遺傳密碼的應用範疇。
- 在合成納米機器及核酸電路模型中，CFPS亦展現出其潛能。
- 開發類病毒顆粒以用於疫苗和藥物治療等。
限制因素
儘管CFPS擁有多項優勢，但仍存在一些挑戰。特別是在DNA的降解上，細胞提取物中的內源性核酸酶對於線性表達模板（LET）特別具有破壞性。研究者發現，雖然環狀DNA（如質粒）不受末端核酸酶的影響，但LET因其結構特點易受到這些酶的攻擊。因此，許多研究目前集中在提高LET的產量，以贏得與質粒相媲美的表現結果。
研究者使用細菌噬菌體λ gam蛋白來保護LET，從而顯著提高CFPS的產量。
無細胞系統的類型
當前使用的無細胞提取物主要來自大腸桿菌（E. coli）、兔赤血球、小麥胚芽、昆蟲細胞及酵母等，它們均可商業化獲得。E. coli提取物因其低廉的成本和高效的產量，成為最受歡迎的選擇。然而，若對蛋白質進行多種後修飾，則需要選擇相應的真核系統，以獲得更好的性能。
在選擇提取物時，必須根據期望的後修飾類型、產量及成本進行考量。
歷史背景
無細胞蛋白合成的歷史超過60年，自1961年Marshall Nirenberg和Heinrich J. Matthaei首次在國立衛生研究院進行的實驗中，他們利用無細胞系統翻譯了一串聚尿嘧啶RNA序列，成功合成了僅含苯丙氨酸的多肽，從而確立了編碼子與氨基酸之間的聯繫，推動了分子生物學的進一步發展。
綜合來看，無細胞蛋白合成技術的發展及其多樣的應用前景，使得科學家在不斷探索生命的奧秘時，不禁讓人思考：未來科學技術是否能夠進一步突破當前的界限，實現更為驚人的成果？
