體外蛋白表達(dá)技術(shù)的重點在于利用細(xì)胞裂解物中的生物合成機器(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小時即可完成蛋白表達(dá)。整個過程無需細(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RBD結(jié)構(gòu)域的體外表達(dá)只需6小時,而HEK293細(xì)胞系統(tǒng)需5天。該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢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。通過??優(yōu)化蛋白表達(dá)條件??,我們獲得了更高產(chǎn)量的酶。功能蛋白表達(dá)檢測
相較于原核表達(dá)體系,真核體外蛋白表達(dá)的he xin優(yōu)勢在于具備部分翻譯后修飾能力,但 關(guān)鍵修飾途徑仍存在明顯局限。在缺乏內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體轉(zhuǎn)運機制的情況下,糖基化修飾通常終止于高甘露糖型(Man?GlcNAc?)階段,無法合成復(fù)雜雙觸角唾液酸化糖鏈。這一缺陷直接影響zhi liao性抗體的抗體依賴性細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性(ADCC)效應(yīng)。同時,裂解物中二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)與分子伴侶(如BiP)的活性不足,導(dǎo)致含多對二硫鍵的蛋白錯誤折疊率升高40%-60%。為克服此瓶頸,需在裂解物中外源性添加重組糖基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體(如GnT-I/GnT-II/FUT8)以重構(gòu)修飾途徑,并通過優(yōu)化氧化還原電勢(Eh=-230 mV至-280 mV)改善二硫鍵形成效率。體外蛋白表達(dá)的這些修飾缺陷是目前制約其應(yīng)用于功能性糖蛋白生產(chǎn)的主要因素。常用蛋白表達(dá)方法體外蛋白表達(dá)需使用??不含質(zhì)粒骨架的模板??以避免副反應(yīng)。
在無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)領(lǐng)域,Thermo Fisher Scientific和Merck KGaA等生命科學(xué)巨頭占據(jù)主導(dǎo)地位,它們提供標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)化試劑盒(如Thermo的PURExpress®和Merck的RTS 100系統(tǒng)),覆蓋科研到工業(yè)級需求。這些企業(yè)通過成熟的供應(yīng)鏈和全球分銷網(wǎng)絡(luò),為制藥、診斷客戶提供一站式解決方案。此外,Takara Bio(寶生物工程)憑借其高效真核裂解物技術(shù),在復(fù)雜蛋白表達(dá)(如糖基化抗體)細(xì)分市場表現(xiàn)突出。這些綜合服務(wù)商正通過收購創(chuàng)新企業(yè)(如Thermo收購CellFree Tech)進(jìn)一步鞏固技術(shù)壁壘。
無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)的雛形可追溯至20世紀(jì)50年代。1958年,Zamecnik頭次證明細(xì)胞裂解物中的翻譯機器可在體外合成蛋白質(zhì),為技術(shù)奠定基礎(chǔ)。1961年,Nirenberg和Matthaei利用大腸桿菌裂解物破譯遺傳密碼子,推動了分子生物學(xué)的發(fā)展。然而,早期技術(shù)因表達(dá)量低、穩(wěn)定性差,長期局限于實驗室研究,主要用于密碼子解析和翻譯機制探索,未實現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用。近十年,無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)技術(shù)加速向醫(yī)療、合成生物學(xué)等領(lǐng)域滲透。例如,在COVID-19期間,該技術(shù)被用于快速生產(chǎn)疫苗抗原和抗體。同時,AI算法的引入實現(xiàn)了反應(yīng)條件智能預(yù)測,進(jìn)一步優(yōu)化表達(dá)效率。中國企業(yè)如蘇州珀羅汀生物通過自主研發(fā)試劑盒,推動國產(chǎn)化替代。未來,無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)或與代謝工程、微流控技術(shù)結(jié)合,成為生物制造和準(zhǔn)確醫(yī)療的he xin工具。用微流控技術(shù)整合裂解物分配\DNA模板加載及反應(yīng)監(jiān)測模塊可在??單張芯片上并行執(zhí)行千次蛋白表達(dá)反應(yīng)??.
無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)的he xin優(yōu)勢在于其高效性、靈活性和較廣的適用性。與傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)相比,CFPS無需繁瑣的細(xì)胞培養(yǎng)和基因轉(zhuǎn)染步驟,可在數(shù)小時內(nèi)完成蛋白質(zhì)合成,速度提升5-10倍,特別適合快速研發(fā)需求。該系統(tǒng)采用開放的反應(yīng)體系,允許直接添加非天然氨基酸、同位素標(biāo)記物或翻譯調(diào)控因子,為定制化蛋白(如抗體藥物偶聯(lián)物、熒光標(biāo)記蛋白)的合成提供了獨特優(yōu)勢。此外,CFPS能夠高效表達(dá)傳統(tǒng)細(xì)胞系統(tǒng)難以生產(chǎn)的毒性蛋白、膜蛋白或易被蛋白酶降解的蛋白,解決了細(xì)胞表達(dá)中的存活率問題。由于反應(yīng)條件完全可控,研究人員可實時優(yōu)化溫度、pH和底物濃度等參數(shù),明顯提高復(fù)雜蛋白的可溶性和活性。這些特點使CFPS成為藥物開發(fā)、合成生物學(xué)和蛋白質(zhì)工程領(lǐng)域的重要工具,尤其適用于小批量、高難度蛋白的快速制備和篩選。無細(xì)胞體系的開放性??允許直接添加非天然氨基酸,擴展了??體外表達(dá)蛋白??的化學(xué)多樣性。低溫誘導(dǎo)蛋白表達(dá)技術(shù)
通過體外蛋白表達(dá),只需在裂解物中添加對應(yīng)mRNA,就能在裂解物中安全實現(xiàn)dusu合成及機制研究。功能蛋白表達(dá)檢測
無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)(CFPS)根據(jù)反應(yīng)體系的設(shè)計可分為分批式(Batch)、雙層式(Bilayer)和連續(xù)交換式(CECF)三種主要形式。分批式是Zui基礎(chǔ)的形式,反應(yīng)在單一試管中進(jìn)行,操作簡單但受限于底物耗盡和副產(chǎn)物積累,表達(dá)時間通常只4小時,適合小規(guī)模篩選(如Promega的試劑盒)。雙層式通過密度差異將反應(yīng)液與緩沖液分層,延長反應(yīng)時間至8-20小時,日本CFS公司的產(chǎn)品采用此設(shè)計。連續(xù)交換式(CECF)通過半透膜連接反應(yīng)室與供應(yīng)室,持續(xù)補充底物并移除副產(chǎn)物,可將反應(yīng)延長至24小時,產(chǎn)量明顯提高(如德國RTS系統(tǒng)的1mL及以上規(guī)模產(chǎn)品)功能蛋白表達(dá)檢測