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揭開無細胞蛋白合成的神秘面紗：如何挑戰蛋白質生產的極限？
在當今的生物科技世界中，無細胞蛋白合成 (CFPS) 正站在一個改變遊戲規則的前沿。這種技術不再依賴活細胞，而是利用生物機械在細胞外系統中生產蛋白質。通過此方法，科學家們能夠不受細胞壁或維持細胞生存所需的恆定內部條件限制，並直接控制蛋白質合成的環境。
無細胞蛋白合成的背景
無細胞蛋白合成的過程利用了一種細胞提取物，通常由使用超高速離心從目標細胞中提取出來的必要細胞機械組成。這包括核糖體、氨基酸tRNA合成酶及其他轉譯所需的因子。CFPS 使用的DNA分為兩類：環狀質粒與線性表達模板 (LETs)。雖然質粒通常能獲得更高的產量，但LETs由於製備更快速，而在當前的研究中受到重視。
“CFPS 使得研究人員能夠探索各種不同的 pH 值、溫度等表達條件，開拓了蛋白合成的新可能性。”
無細胞蛋白合成的優勢與應用
無細胞蛋白合成的優勢不勝枚舉。首先，CFPS 的反應時間通常為 1 到 2 天，而活細胞合成可能耗時 1 到 2 星期。其次，CFPS 的開放性系統允許我們直接操控化學環境，使得樣品的取樣及反應監控變得容易。此外，由於不需要維持細胞的生存環境，CFPS 可以合成一些在活細胞中是有毒的蛋白質。
“無細胞系統的應用範圍廣泛，包括不自然氨基酸的引入、蛋白演化、合成病毒樣顆粒等。”
這些特點使得 CFPS 在科學研究和商業生產中具有重要的應用潛力。例如，通過無細胞蛋白合成，科學家能夠容易地插入經過修飾的 tRNA 及不自然氨基酸，這對於擴展基因編碼格具有重要意義。這裡的機遇不僅限於基本研究，還延伸至疫苗和藥物治療的開發。
技術挑戰與限制
儘管 CFPS 帶來了諸多優勢，該技術仍面臨挑戰。其中最大的挑戰之一是 DNA 在提取物中被內源性核酸酶降解，特別是對於 LETs，這一問題尤為明顯。儘管圓形質粒對於外源性核酸酶的抵抗能力更強，但 LETs 依然受到很大影響。因此，當前的研究重點在於提高 CFPS 的 LET 產量，使之接近質粒的產量。
為了解決這一問題，科學家們開展了許多研究，其中一種創新方法是利用噬菌體 lambda gam 蛋白，這一抑制劑能有效阻止核酸酶的作用，從而顯著提高 CFPS 的 LET 產量。除了這種方法外，無核酸酶的PURE提取液也是選擇之一，但製作成本較高且不具經濟性。
各種無細胞系統的比較
目前，市面上可用的細胞提取物主要來自大腸桿菌、兔子紅細胞、小麥胚芽、昆蟲細胞及酵母（Kluyveromyces）。其中，來自大腸桿菌的細胞提取物因為價格低廉且得到的蛋白質產量最高而被廣泛使用。然而，這種系統可能在合成較複雜的蛋白質（尤其是涉及後轉譯修飾的情況）中受到一定限制。因此，根據具體的應用需求選擇合適的提取物是十分重要的。
歷史回顧
無細胞蛋白合成的歷史可追溯至 60 多年前。1961 年，馬歇爾·尼倫伯格和海因里希·馬特海的實驗在美國國立衛生研究院首次揭示了密碼子，為後來的蛋白質合成研究奠定了基礎。他們利用無細胞系統翻譯聚尿苷酸 RNA 的序列，發現合成的多肽只含有一種氨基酸：苯丙氨酸，從而確認了密碼子與氨基酸的對應關係。
“以CFPS為基礎的未來發展，不僅在基礎科學乃至應用技術上，均具備巨大的潛力。”
隨著科學技術的發展，無細胞蛋白合成的應用範圍也會不斷擴大，究竟未來能帶給我們怎樣的驚喜與挑戰呢？
