无细胞蛋白表达技术(CFPS)是一种在体外(试管中)直接合成蛋白质的技术,利用细胞裂解物(如大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞提取物)中的核糖体、酶、tRNA等翻译元件,无需活细胞即可快速生产目标蛋白。he xin特点:高效快速:省去细胞培养步骤,几小时内完成表达(传统方法需数天)。灵活可控:可自由添加非天然氨基酸、同位素标记物或翻译调控因子,定制特殊蛋白。兼容复杂蛋白:适合表达毒性蛋白、膜蛋白等传统细胞系统难以生产的类型。小麦胚芽裂解物尤其适用于同位素标记的蛋白表达用于NMR结构解析。293f细胞蛋白表达难点
20世纪90年代后,随着分子生物学和合成生物学的进步,无细胞蛋白表达技术技术迎来突破。研究者通过优化裂解物制备(如敲除大肠杆菌核酸酶)、开发能量再生系统(如Phosphoenolpyruvic acid,PEP循环),明显提升蛋白产量和反应时长。2000年代初,连续交换式反应体系(CECF)的出现解决了底物耗尽问题,使反应时间延长至24小时以上,产量达毫克级,为工业化铺平道路。此阶段,无细胞蛋白表达技术开始应用于毒性蛋白合成和抗体片段生产,但成本仍较高。常用蛋白表达包涵体预混 1× 蛋白酶抑制剂可防止 新合成体外表达蛋白 被裂解物内源酶降解。
在合成生物学中,无细胞蛋白表达技术是构建人工细胞和基因电路的he xin工具。研究人员通过混合不同物种(如大肠杆菌+哺乳动物)的裂解物,创建杂合翻译系统,以实现跨物种蛋白的协同合成。该技术还支持无细胞基因线路的快速原型设计,例如将CRISPR组分与报告蛋白共表达,用于体外诊断工具的开发。由于摆脱了细胞膜的限制,CFPS可直接整合非生物元件(如合成聚合物或纳米材料),推动人工合成生命和生物-非生物杂合系统的前沿研究。无细胞蛋白表达技术可快速表达膜蛋白(如GPCRs、离子通道)用于药物靶点研究,解决了此类蛋白在细胞内难表达、易沉淀的问题。在诊断领域,基于CFPS的体外转录-翻译系统被整合到便携式设备中,用于现场检测病原体核酸(如埃博拉病毒),实现“样本进-结果出”的快速诊断。此外,该技术还能合成定制化抗原,用于抗体库筛选或个性化cancer疫苗开发。
从实验室走向产业化,无细胞蛋白表达技术还面临多重障碍。规模化生产时,反应体系的均一性和重复性难以保证,且大规模制备高活性裂解物的成本效益比仍需优化。在下游纯化环节,由于反应混合物中含有大量核酸、酶和其他细胞组分,目标蛋白的分离纯化步骤比传统方法更复杂。此外,目前大多数CFPS工艺仍处于分批反应模式,连续化生产设备的开发滞后,限制了其在工业流水线中的应用潜力。尽管存在这些挑战,随着微流控技术、人工智能优化反应条件等新方法的引入,CFPS技术正在逐步突破这些产业化瓶颈。体外蛋白表达作为现代分子生物学的重要工具之一。
无细胞蛋白表达技术的模板可以是线性DNA(如PCR产物)或环状质粒,需包含启动子(如T7/T3/SP6)和核糖体结合位点(RBS)以启动转录翻译。为提升效率,系统可能添加分子伴侣(如DnaK/GroEL)辅助蛋白折叠,或氧化还原剂(如谷胱甘肽)促进二硫键形成。部分高级系统(如PURE体系)使用纯化重组元件替代粗提物,实现更高可控性,但成本较高。无细胞蛋白表达技术可灵活引入非天然氨基酸(nnAA),扩展了蛋白质的功能多样性。例如,通过定制tRNA和氨酰-tRNA合成酶,无细胞蛋白表达技术系统能准确将荧光标记或交联基团嵌入目标蛋白,用于结构生物学或药物偶联开发。更前沿的应用是人工生命体系的构建,如利用无细胞蛋白表达技术合成噬菌体或人工细胞雏形,结合微流控技术模拟细胞内代谢网络,为合成生物学研究提供可控的简化模型。线性化质粒经酚氯纯化后(浓度≥0.5 μg/μL),适用于 T7 启动子介导的体外蛋白表达。hek293蛋白表达载体构建
兔网织红细胞裂解物(RRL)和小麦胚芽裂解物(WGE)是两类常见真核平台,用于体外蛋白表达.293f细胞蛋白表达难点
从裂解物来源看,无细胞蛋白表达技术主要分为原核系统和真核系统。原核系统以大肠杆菌S30提取物为主,成本低、耐受性强,适合表达简单蛋白或引入非天然氨基酸,但缺乏复杂翻译后修饰能力。真核系统包括兔网织红细胞裂解物(RRL)和麦胚提取物(WGE),前者适合哺乳动物蛋白的高效表达,后者对植物和病毒蛋白更优,且能处理长链RNA,但成本较高。此外,昆虫细胞提取物系统近年也用于复杂蛋白的修饰研究。英国nuclera 高通量微流控蛋白表达筛选系统可助力支持无细胞蛋白表达技术,如想了解更多信息,欢迎咨询官方代理商上海曼博生物!293f细胞蛋白表达难点
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