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細胞無關的神秘世界：為何細胞自由系統是生物研究的終極工具？
在當今的生物研究領域，細胞自由系統正逐漸成為科學家們的重要工具。這種系統能夠在沒有完整細胞的情況下，探討細胞內部的生物反應，減少了與整個細胞系統所涉及的複雜互動。透過超速離心，可以分離出細胞的亞細胞部分，提供可以在缺乏其他細胞成分的情況下進行反應的分子機制。這使得無細胞合成生物學誕生，科學家能夠精確控制正在研究的反應及其產量，並在處理更敏感的活細胞時減少考慮因素。
這些系統不僅提供了研究特定生物反應的渠道，還展示了各類生物過程如何在控制的環境中進行。
細胞自由系統的類型
細胞自由系統主要分為兩大類：基於細胞提取的系統與純化酶系統。基於細胞提取的系統通過從整體細胞中去除組件以供外部使用，然而其可能會遭遇細胞成分在宿主之外迅速降解的問題。例如，在一項研究中，基於大腸桿菌的細胞提取翻譯系統發現其mRNA模板不久後即降解，導致蛋白質合成中斷。
準備工作
不同類型的細胞自由系統在準備方法上有所不同。以基於細胞提取的系統為例，諾貝爾獎得主埃杜阿德·布赫納可被認為是最早展示細胞自由系統的科學家之一，他利用酵母提取物進行研究。隨後，科學家們發現其他來源，如大腸桿菌、小麥胚芽和兔紅細胞，這些都適合用來製作細胞自由系統。比如，大腸桿菌的30S提取物可由細菌研磨與鋁土礦結合，隨後進行進一步清理得來。
應用範疇
細胞自由合成途徑的生物轉化系統被提議為一種相對於微生物發酵的低成本生物製造平台。細胞自由系統具有幾個適合工業應用的優勢：通常能夠達到非常高的產品產量，且無副產物或細胞質量的合成。例如，在合成酶途徑中的一項反應中，從淀粉和水出發，理論上每單位多糖的產氫量幾乎可翻三倍。
細胞自由系統的酶反應通常具有比微生物系統更快的反應速度，因為其不受細胞膜的阻隔。
蛋白質合成
在體外生物系統中，科學家能夠無障礙地控制及訪問所需的成分。以Nirenberg和Matthaei的實驗為例，這是一項做出諾貝爾獎的研究，利用基於細胞提取的系統將選定的氨基酸合成標記入量測的蛋白質。而且，近年來的研究顯示，運用連續流技術來添加材料和移除產品，能夠提高蛋白質的產量。
此類突破進一步開拓了應用範圍，例如可以合成融合蛋白，並可能作為B細胞淋巴瘤的疫苗。
代謝操作
細胞自由系統在操作代謝過程方面也取得了進展。研究者利用大腸桿菌的醣解網絡提取物，能夠即時分析代謝物濃度，並優化多羥基丙酮磷酸的生產。Calhoun與Swartz的研究顯示，利用醣解中間體提供的細胞自由系統相比於其他試劑的ATP產生來得更為經濟。
不自然氨基酸的融入
細胞自由系統同樣可以用於融入不自然的氨基酸。透過去除釋放因子，研究者成功改變停止密碼為感知密碼，顯示出可在不穩定的情況下插入所需的氨基酸。這在氨基酸代謝妨礙標記的系統中尤其有效，對於多維核磁共振光譜學的應用尤為重要。
無細胞系統的優勢顯而易見，但在這樣的神秘世界中，未來的挑戰和機會又將如何影響我們的生物學研究與應用呢?
