在探索生命科學的過程中，蛋白質的表達一直是關鍵環節。然而，細胞內環境的復雜性和不可控因素常常影響蛋白質的穩定表達，傳統的依賴于細胞環境的蛋白表達方法，其實驗結果常受細胞內部復雜機制的干擾而變得難以掌控。
在此背景下，無細胞蛋白表達（CFPS）技術的誕生，猶如一股清流，為研究人員提供了全新的視角。該技術不僅繞過了細胞內部的復雜性，更以其高效、可控的特性，在生物醫學研究、藥物研發等多個學術與工業領域開辟了新的應用天地。今天小編將和大家一起去探索其內在的潛力與價值。
圖1:CFPS系統的歷史趨勢
一、 傳統蛋白表達方法的局限性
在傳統的蛋白表達方法中，研究人員通常利用活細胞，如大腸桿菌、酵母或哺乳動物細胞等，作為生物反應器來生產所需的蛋白質。然而，這種方法存在許多局限性：
1.細胞環境的復雜性：活細胞內的生物化學反應網絡錯綜復雜，這可能導致目的蛋白的表達受到其他細胞活動的干擾；
2. 生產效率不穩定：由于活細胞的培養受到多方面的影響，蛋白質的生產效率可能會因此受到很大的波動；
3.蛋白質修飾的問題：在某些表達系統中，蛋白質可能無法得到正確的翻譯后修飾，從而影響其功能；
4.細胞毒性問題：某些蛋白質對宿主細胞有毒性，導致蛋白表達量低，甚至可能會直接引起宿主細胞的死亡。
二、 無細胞蛋白表達技術
為了解決傳統方法存在的這些問題，CFPS技術應運而生，它不需要完整的細胞結構，而是利用細胞提取物（如大腸桿菌的S30提取物）作為蛋白合成的“生物工廠”。研究人員只需添加DNA模板、氨基酸、能量物質和必要的輔因子，就可以在體外環境中高效、穩定地合成蛋白質。
詳細內容請看：無細胞蛋白表達：突破傳統瓶頸的新興技術
圖2:傳統蛋白表達與無細胞蛋白表達（CFPS）的比較
三、 無細胞蛋白表達的應用場景
1. 高通量生產
后基因組時代，高通量蛋白質表達平臺正變得越來越重要。CFPS系統在滿足這一需求方面有很多優勢：
直接使用PCR模板可以避免耗時的分子克隆步驟；
使用微芯片進行小型化和自動化具有巨大的高通量潛力；
具有成本效益的批次反應，使多孔（96或384）蛋白質生產成為可能；
沒有細胞膜屏障，可以輕松操作反應條件，包括加入同位素標記的氨基酸。
CFPS系統中標記氨基酸結合的效率、高表達蛋白產量和表達產物的純度允許其在沒有純化的情況下進行直接的異核核磁共振分析，目前使用CFPS系統確定了數千種蛋白質結構。此外，CFPS合成平臺也是大規模合成功能基因組學蛋白質庫的基礎技術平臺。例如，蛋白質原位陣列（PISA）已使用CFPS實現快速有效地生成，用以全面研究微芯片上的蛋白質相互作用網絡。
2. 醫學領域
由于成本、規模和蛋白質折疊問題不再是CFPS技術不可逾越的障礙，它將可以為藥物研發和生物標志物的檢測提供強大的支撐平臺。Kanter等人使用大腸桿菌CFPS系統合成了在特定B細胞淋巴瘤表面發現的免疫球蛋白（Ig）的細胞因子融合單鏈抗體片段（scFv）。并且，這種“個性化”scFv融合成功地引發了對天然Ig蛋白的免疫反應。與傳統哺乳動物細胞表達的幾個月相比，這種治療淋巴瘤的純化疫苗在幾天內就可以產出了。此外，該技術還可以用于生產抗體、酶和其他生物治療劑，為疾病診斷和治療提供更多可能性。
3. 膜蛋白的生產
膜蛋白的產生是另一個備受關注的應用。據報道，膜蛋白占所有潛在藥物靶點的四分之三，由于膜蛋白復雜的結構、疏水跨膜區、宿主毒性以及耗時和低效率的重新折疊步驟，它們在體內的過度表達仍然是一個瓶頸。現在有證據表明，使用CFPS系統進行生化或結構研究可能會有高水平的膜蛋白表達。Wuu等人實現了四環素泵（TetA）和甘露醇滲透酶（MtlA）兩種膜蛋白的CFPS，并分別達到了570和130 μg/mL的高產率，這是傳統方法的400倍。
3. 工業生產
在工業領域，CFPS技術同樣展現出巨大的潛力。與傳統的細胞培養方法相比，該技術具有更高的生產效率和更低的污染風險。它可以用于大規模生產酶、生物催化劑和其他高價值蛋白質，為化工、制藥和食品工業提供關鍵的原料。
四、 未來的發展趨勢
隨著生物技術的不斷進步，CFPS技術有望在更多領域得到應用。未來，我們可能會看到更加智能化、自動化的CFPS系統，以及更加高效、低成本的反應體系。這將進一步推動醫學、生命科學和工業生產的發展，為人類社會帶來更多福祉。此外，CFPS技術在促進可持續發展和環境保護方面也具有重要意義。
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與傳統的細胞培養方法相比，無細胞系統減少了對生物資源的依賴，降低了生產過程中的污染和廢棄物排放。這將有助于實現綠色生產和可持續發展目標。
CFPS技術作為一種新興的生物技術，正以其優勢改變著我們對蛋白質合成與生產的認知。從醫學研究到工業生產，它的應用場景越來越廣泛，為人類社會的發展注入了新的活力！
珀羅汀生物作為一家專業的無細胞蛋白表達生物技術公司，擁有國家高層次人才、海歸博士等人才組成的專業技術團隊，以自主研發、具特色的無細胞蛋白表達技術平臺為依托，專業從事多肽、重組蛋白、基因工程抗體、重組疫苗以及大分子蛋白藥物的研究和開發，同時為廣大生物醫藥企業和研究機構提供無細胞蛋白表達產品、蛋白原料試劑及定制化服務。
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