体外蛋白表达（InVitroProteinExpression）是指在无完整活细胞的环境下（如试管、微孔板或芯片），利用生物提取物中的核糖体、tRNA、酶及能量系统，直接将遗传信息转化为功能蛋白质的技术。与传统细胞依赖的系统不同，该技术完全避开了细胞膜屏障和基因复制过程，只通过添加目标DNA/RNA模板及底物（氨基酸、ATP）即可启动蛋白表达。这一过程通常可在1-4小时内完成，其速度优势大幅加速了蛋白质研究进程。无细胞蛋白表达系统的重点在于重构翻译机器，例如提取大肠杆菌裂解物中的核糖体，或利用兔网织红细胞裂解物中的真核翻译因子，以实现跨物种的高效蛋白表达。通过微型化体外蛋白表达系统，24小时内测试了50种激酶抑制剂的效价。酵母蛋白表达原理
在小规模、快速验证性实验中，无细胞蛋白表达技术（CFPS）的性价比优势明显。其单次反应成本约200-500元（含商业化裂解物和模板），虽高于大肠杆菌发酵的试剂成本，但可节省大量时间——传统细胞表达需3-5天（含转化、培养、诱导），而CFPS只需4-8小时即可获得ug-mg级蛋白，尤其适合药物筛选、突变体库构建等时效性需求。例如，某CRO公司采用CFPS一周内完成50种抗体变体的活性测试，而传统方法只能完成5-10种，人力与设备成本大幅降低。无细胞蛋白表达的局限不用养细胞，直接拿细胞内部的“机器”（核糖体+酶）在试管里进行蛋白表达。
体外蛋白表达系统的本质是利用 纯化的细胞裂解物（含核糖体、tRNA、翻译因子及能量再生组分）重构蛋白质合成机器。在ATP/GTP供能条件下，核糖体通过mRNA模板介导的密码子-反密码子配对，驱动氨基酸按序列聚合成肽链。该过程的关键调控点包括：翻译起始效率（受5'UTR二级结构及Shine-Dalgarno序列影响）、延伸速率（依赖EF-Tu/G因子浓度）和终止准确性（释放因子RF1/2活性）。体外蛋白表达的高效性源于其 去除了细胞膜屏障，使反应底物浓度可人为提升至生理水平的10-100倍，大幅加速肽链合成动力学。
无细胞蛋白表达技术（CFPS）虽然具有快速、灵活等优势，但仍存在一些关键缺点。首先，成本较高，商业化裂解物、能量试剂和酶的价格昂贵，小规模实验单次反应成本可达数百元，大规模生产的经济性尚未完全解决。其次，蛋白产量较低，反应通常在几小时内终止，产量（0.1-1 mg/mL）远低于细胞表达系统（如大肠杆菌可达10 mg/mL以上）。此外，复杂蛋白表达受限，原核裂解物缺乏真核翻译后修饰能力（如糖基化），而真核裂解物成本更高；部分蛋白可能因折叠不完全而丧失活性。技术操作上，反应条件（pH、离子强度等）需精细调控，且线性DNA模板易降解，增加了实验难度。CFPS目前更适合小规模应用，在超长蛋白（>100 kDa）表达和工业化连续生产方面仍面临挑战。未来需通过开发低成本试剂、优化能量再生系统和自动化工艺来突破这些瓶颈。优化后的原核体外蛋白表达已广泛应用于抗体筛选、酶工程等领域。
中国在合成生物学领域的政策布局更侧重细胞工厂（如微生物发酵），对无细胞蛋白表达技术这类技术的专项扶持较少。尽管《“十四五”生物经济发展规划》提及无细胞合成，但配套资金和产业政策尚未细化，难以吸引资本大规模投入。此外，无细胞蛋白表达技术涉及多学科交叉（合成生物学、微流控、AI建模），国内既懂技术又懂产业化的复合型人才稀缺。反观美国，DARPA等机构通过“BioMADE”计划资助无细胞蛋白表达技术的jun shi和民用转化，而中国在类似顶层设计上的滞后，进一步拉大了与国际前沿水平的差距。无细胞体系的开放性允许直接添加非天然氨基酸，扩展了体外表达蛋白的化学多样性。植物蛋白表达系统
使用T7 RNA聚合酶合成加帽mRNA，可提升真核体外蛋白表达效率。酵母蛋白表达原理
无细胞蛋白表达技术CFPS的开放体系特性使其对实验环境极为敏感。裂解物中的酶活性会随冻融次数下降，需分装保存并避免反复冻融；反应中核酸酶残留可能导致模板降解，常需额外添加抑制剂（如RNasin）。此外，不同批次的裂解物活性可能存在差异，导致实验结果难以重复。例如，某研究组发现同一模板在连续三次实验中蛋白产量波动达30%，后来通过标准化裂解物制备流程（如固定细胞生长OD值）才解决该问题。这些细节要求使得CFPS的操作容错率较低。酵母蛋白表达原理
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