在探索生命科學(xué)的過程中，蛋白質(zhì)的表達(dá)一直是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和不可控因素常常影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定表達(dá)，傳統(tǒng)的依賴于細(xì)胞環(huán)境的蛋白表達(dá)方法，其實驗結(jié)果常受細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜機(jī)制的干擾而變得難以掌控。
在此背景下，無細(xì)胞蛋白表達(dá)（CFPS）技術(shù)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(shù)不僅繞過了細(xì)胞內(nèi)部的復(fù)雜性，更以其高效、可控的特性，在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物研發(fā)等多個學(xué)術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用天地。今天小編將和大家一起去探索其內(nèi)在的潛力與價值。
圖1:CFPS系統(tǒng)的歷史趨勢
一、 傳統(tǒng)蛋白表達(dá)方法的局限性
在傳統(tǒng)的蛋白表達(dá)方法中，研究人員通常利用活細(xì)胞，如大腸桿菌、酵母或哺乳動物細(xì)胞等，作為生物反應(yīng)器來生產(chǎn)所需的蛋白質(zhì)。然而，這種方法存在許多局限性：
1.細(xì)胞環(huán)境的復(fù)雜性：活細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，這可能導(dǎo)致目的蛋白的表達(dá)受到其他細(xì)胞活動的干擾；
2. 生產(chǎn)效率不穩(wěn)定：由于活細(xì)胞的培養(yǎng)受到多方面的影響，蛋白質(zhì)的生產(chǎn)效率可能會因此受到很大的波動；
3.蛋白質(zhì)修飾的問題：在某些表達(dá)系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)可能無法得到正確的翻譯后修飾，從而影響其功能；
4.細(xì)胞毒性問題：某些蛋白質(zhì)對宿主細(xì)胞有毒性，導(dǎo)致蛋白表達(dá)量低，甚至可能會直接引起宿主細(xì)胞的死亡。
二、 無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)
為了解決傳統(tǒng)方法存在的這些問題，CFPS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它不需要完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而是利用細(xì)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(zhì)和必要的輔因子，就可以在體外環(huán)境中高效、穩(wěn)定地合成蛋白質(zhì)。
詳細(xì)內(nèi)容請看：無細(xì)胞蛋白表達(dá)：突破傳統(tǒng)瓶頸的新興技術(shù)
圖2:傳統(tǒng)蛋白表達(dá)與無細(xì)胞蛋白表達(dá)（CFPS）的比較
三、 無細(xì)胞蛋白表達(dá)的應(yīng)用場景
1. 高通量生產(chǎn)
后基因組時代，高通量蛋白質(zhì)表達(dá)平臺正變得越來越重要。CFPS系統(tǒng)在滿足這一需求方面有很多優(yōu)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(jìn)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(yīng)，使多孔（96或384）蛋白質(zhì)生產(chǎn)成為可能；
沒有細(xì)胞膜屏障，可以輕松操作反應(yīng)條件，包括加入同位素標(biāo)記的氨基酸。
CFPS系統(tǒng)中標(biāo)記氨基酸結(jié)合的效率、高表達(dá)蛋白產(chǎn)量和表達(dá)產(chǎn)物的純度允許其在沒有純化的情況下進(jìn)行直接的異核核磁共振分析，目前使用CFPS系統(tǒng)確定了數(shù)千種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，CFPS合成平臺也是大規(guī)模合成功能基因組學(xué)蛋白質(zhì)庫的基礎(chǔ)技術(shù)平臺。例如，蛋白質(zhì)原位陣列（PISA）已使用CFPS實現(xiàn)快速有效地生成，用以全面研究微芯片上的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)。
2. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
由于成本、規(guī)模和蛋白質(zhì)折疊問題不再是CFPS技術(shù)不可逾越的障礙，它將可以為藥物研發(fā)和生物標(biāo)志物的檢測提供強(qiáng)大的支撐平臺。Kanter等人使用大腸桿菌CFPS系統(tǒng)合成了在特定B細(xì)胞淋巴瘤表面發(fā)現(xiàn)的免疫球蛋白（Ig）的細(xì)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(fā)了對天然Ig蛋白的免疫反應(yīng)。與傳統(tǒng)哺乳動物細(xì)胞表達(dá)的幾個月相比，這種治療淋巴瘤的純化疫苗在幾天內(nèi)就可以產(chǎn)出了。此外，該技術(shù)還可以用于生產(chǎn)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(chǎn)
膜蛋白的產(chǎn)生是另一個備受關(guān)注的應(yīng)用。據(jù)報道，膜蛋白占所有潛在藥物靶點(diǎn)的四分之三，由于膜蛋白復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、疏水跨膜區(qū)、宿主毒性以及耗時和低效率的重新折疊步驟，它們在體內(nèi)的過度表達(dá)仍然是一個瓶頸。現(xiàn)在有證據(jù)表明，使用CFPS系統(tǒng)進(jìn)行生化或結(jié)構(gòu)研究可能會有高水平的膜蛋白表達(dá)。Wuu等人實現(xiàn)了四環(huán)素泵（TetA）和甘露醇滲透酶（MtlA）兩種膜蛋白的CFPS，并分別達(dá)到了570和130 μg/mL的高產(chǎn)率，這是傳統(tǒng)方法的400倍。
3. 工業(yè)生產(chǎn)
在工業(yè)領(lǐng)域，CFPS技術(shù)同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。與傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方法相比，該技術(shù)具有更高的生產(chǎn)效率和更低的污染風(fēng)險。它可以用于大規(guī)模生產(chǎn)酶、生物催化劑和其他高價值蛋白質(zhì)，為化工、制藥和食品工業(yè)提供關(guān)鍵的原料。
四、 未來的發(fā)展趨勢
隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFPS技術(shù)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。未來，我們可能會看到更加智能化、自動化的CFPS系統(tǒng)，以及更加高效、低成本的反應(yīng)體系。這將進(jìn)一步推動醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，為人類社會帶來更多福祉。此外，CFPS技術(shù)在促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)方面也具有重要意義。
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與傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方法相比，無細(xì)胞系統(tǒng)減少了對生物資源的依賴，降低了生產(chǎn)過程中的污染和廢棄物排放。這將有助于實現(xiàn)綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。
CFPS技術(shù)作為一種新興的生物技術(shù)，正以其優(yōu)勢改變著我們對蛋白質(zhì)合成與生產(chǎn)的認(rèn)知。從醫(yī)學(xué)研究到工業(yè)生產(chǎn)，它的應(yīng)用場景越來越廣泛，為人類社會的發(fā)展注入了新的活力！
珀羅汀生物作為一家專業(yè)的無細(xì)胞蛋白表達(dá)生物技術(shù)公司，擁有國家高層次人才、海歸博士等人才組成的專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊，以自主研發(fā)、具特色的無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)平臺為依托，專業(yè)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(fā)，同時為廣大生物醫(yī)藥企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供無細(xì)胞蛋白表達(dá)產(chǎn)品、蛋白原料試劑及定制化服務(wù)。
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