無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)的模板可以是線性DNA（如PCR產(chǎn)物）或環(huán)狀質(zhì)粒，需包含啟動(dòng)子（如T7/T3/SP6）和核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）以啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄翻譯。為提升效率，系統(tǒng)可能添加分子伴侶（如DnaK/GroEL）輔助蛋白折疊，或氧化還原劑（如谷胱甘肽）促進(jìn)二硫鍵形成。部分高級(jí)系統(tǒng)（如PURE體系）使用純化重組元件替代粗提物，實(shí)現(xiàn)更高可控性，但成本較高。無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)可靈活引入非天然氨基酸（nnAA），擴(kuò)展了蛋白質(zhì)的功能多樣性。例如，通過(guò)定制tRNA和氨酰-tRNA合成酶，無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確將熒光標(biāo)記或交聯(lián)基團(tuán)嵌入目標(biāo)蛋白，用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)或藥物偶聯(lián)開發(fā)。更前沿的應(yīng)用是人工生命體系的構(gòu)建，如利用無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)合成噬菌體或人工細(xì)胞雛形，結(jié)合微流控技術(shù)模擬細(xì)胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)，為合成生物學(xué)研究提供可控的簡(jiǎn)化模型。添加 2 mM 鎂離子可使 ??大腸桿菌體外蛋白表達(dá)??產(chǎn)量提高 60%。目的蛋白表達(dá)條件篩選

無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)CFPS的開放體系特性使其對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境極為敏感。裂解物中的酶活性會(huì)隨凍融次數(shù)下降，需分裝保存并避免反復(fù)凍融；反應(yīng)中核酸酶殘留可能導(dǎo)致模板降解，常需額外添加抑制劑（如RNasin）。此外，不同批次的裂解物活性可能存在差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以重復(fù)。例如，某研究組發(fā)現(xiàn)同一模板在連續(xù)三次實(shí)驗(yàn)中蛋白產(chǎn)量波動(dòng)達(dá)30%，后來(lái)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化裂解物制備流程（如固定細(xì)胞生長(zhǎng)OD值）才解決該問(wèn)題。這些細(xì)節(jié)要求使得CFPS的操作容錯(cuò)率較低。桿狀病毒蛋白表達(dá)量CHO細(xì)胞重組蛋白表達(dá)??是生產(chǎn)抗體的常用技術(shù)。

體外蛋白表達(dá)正在革新現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)。以瘧疾診斷為例：將凍干的大腸桿菌裂解物、瘧原蟲 HRP2 基因 DNA 及顯色底物預(yù)裝在微流控芯片中，加入水樣后啟動(dòng) 30 分鐘體外蛋白表達(dá)反應(yīng)，生成的 HRP2 蛋白催化顯色劑變紅，靈敏度達(dá) 5 寄生蟲/μL（傳統(tǒng)試紙只 200/μL）。此方案在剛果金野外測(cè)試中顯示，陽(yáng)性檢出率提升 40% 且無(wú)需冷鏈運(yùn)輸。類似技術(shù)已擴(kuò)展至COVID-19檢測(cè)——用患者鼻拭子 RNA 直接合成 Spike 蛋白，結(jié)合納米金抗體實(shí)現(xiàn) 1 小時(shí)確診。這種 “即測(cè)即表達(dá)”模式 將診斷成本降至 $0.5/次，成為資源匱乏地區(qū)的抗疫利器。

體外蛋白表達(dá)技術(shù)的重點(diǎn)在于利用細(xì)胞裂解物中的生物合成機(jī)器（核糖體、tRNA、翻譯因子）在試管中直接合成蛋白質(zhì)。以大腸桿菌系統(tǒng)為例：首先制備含T7啟動(dòng)子的線性DNA模板，將其與商業(yè)化裂解物（如RocheRTS100）、能量混合物（ATP/GTP）及20種氨基酸混合，在37℃振蕩反應(yīng)2-4小時(shí)即可完成蛋白表達(dá)。整個(gè)過(guò)程無(wú)需細(xì)胞培養(yǎng)與基因轉(zhuǎn)染，速度比傳統(tǒng)方法快10倍以上。例如，COVID19刺突蛋白R(shí)BD結(jié)構(gòu)域的體外表達(dá)只需6小時(shí)，而HEK293細(xì)胞系統(tǒng)需5天。該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是開放體系的可編程性——可直接添加非天然氨基酸（如Azidohomoalanine）合成定制化蛋白，為藥物偶聯(lián)物開發(fā)提供高效平臺(tái)。通過(guò)微型化??體外蛋白表達(dá)??系統(tǒng)，24小時(shí)內(nèi)測(cè)試了50種激酶抑制劑的效價(jià)。

20世紀(jì)90年代后，隨著分子生物學(xué)和合成生物學(xué)的進(jìn)步，無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)技術(shù)迎來(lái)突破。研究者通過(guò)優(yōu)化裂解物制備（如敲除大腸桿菌核酸酶）、開發(fā)能量再生系統(tǒng)（如Phosphoenolpyruvic acid，PEP循環(huán)），明顯提升蛋白產(chǎn)量和反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)。2000年代初，連續(xù)交換式反應(yīng)體系（CECF）的出現(xiàn)解決了底物耗盡問(wèn)題，使反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至24小時(shí)以上，產(chǎn)量達(dá)毫克級(jí)，為工業(yè)化鋪平道路。此階段，無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)開始應(yīng)用于毒性蛋白合成和抗體片段生產(chǎn)，但成本仍較高。大腸桿菌裂解物添加含T7啟動(dòng)子的線性DNA后，利用其??高密度核糖體??快速啟動(dòng)蛋白表達(dá)。毒性蛋白表達(dá)優(yōu)化

芯片級(jí)體外蛋白表達(dá)平臺(tái)在個(gè)性化醫(yī)療中尤為關(guān)鍵，能夠?yàn)閏ancer患者快速篩選驅(qū)動(dòng)突變的體外蛋白表達(dá)產(chǎn)物。目的蛋白表達(dá)條件篩選

盡管體外蛋白表達(dá)在科研領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，其規(guī)模化應(yīng)用仍面臨三重挑戰(zhàn)：裂解物制備成本高： 真核裂解物（如兔網(wǎng)織紅細(xì)胞）的原料獲取與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)難度大，單位成本遠(yuǎn)超微生物發(fā)酵；反應(yīng)體系穩(wěn)定性不足： 蛋白酶/核酸酶導(dǎo)致的產(chǎn)物降解及底物（如ATP）快速耗竭限制持續(xù)合成時(shí)間；產(chǎn)物濃度天花板： 當(dāng)前比較好工藝的蛋白產(chǎn)量約5g/L，較CHO細(xì)胞系統(tǒng)（>10g/L）存在差距。解決這些瓶頸需開發(fā) 工程化裂解物（如RNase缺陷型菌株）與連續(xù)流灌注技術(shù)，提升經(jīng)濟(jì)可行性目的蛋白表達(dá)條件篩選