圖1｜無細(xì)胞蛋白表達(dá)（CFPS）體系示意圖（參考文獻(xiàn)^[3]）

傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)體系（如大腸桿菌、昆蟲細(xì)胞及哺乳動(dòng)物細(xì)胞）在蛋白表達(dá)中各具優(yōu)勢(shì)，但在膜蛋白或復(fù)雜蛋白制備過程中仍存在明顯瓶頸，包括表達(dá)毒性、錯(cuò)誤折疊及缺乏天然膜環(huán)境等問題。相比之下，CFPS體系由于其開放性，可以直接調(diào)控反應(yīng)組分，在表達(dá)條件優(yōu)化方面具有更高自由度。

這一特性在膜蛋白研究中尤為關(guān)鍵。膜蛋白通常含有多個(gè)疏水跨膜結(jié)構(gòu)域，在傳統(tǒng)體系中極易失活或錯(cuò)誤折疊，而在CFPS體系中可以通過加入去垢劑或納米盤結(jié)構(gòu)模擬天然膜環(huán)境，從而促進(jìn)其正確折疊與功能保持。

圖2｜納米盤（Nanodisc）模擬膜環(huán)境示意圖（參考文獻(xiàn) ^[4]）

例如在G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）研究中，CFPS結(jié)合納米盤體系已被證明能夠顯著提高蛋白穩(wěn)定性與功能保持能力，為配體結(jié)合分析與結(jié)構(gòu)解析提供高質(zhì)量樣品。在離子通道蛋白研究中，通過調(diào)控脂質(zhì)組成，也可以有效改善膜插入效率與構(gòu)象穩(wěn)定性。

隨著冷凍電鏡（Cryo-EM）技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)生物學(xué)對(duì)高質(zhì)量蛋白樣品的需求進(jìn)一步提高。CFPS體系能夠與納米盤體系結(jié)合，提供均一性更高的蛋白樣品，從而顯著縮短結(jié)構(gòu)篩選周期。

除結(jié)構(gòu)生物學(xué)外，CFPS在蛋白工程與高通量篩選中的應(yīng)用也日益廣泛。由于其不依賴細(xì)胞生長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)微量反應(yīng)體系的并行化操作，用于蛋白突變體庫篩選、定向進(jìn)化及功能驗(yàn)證，從而顯著提高設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測(cè)試-學(xué)習(xí)循環(huán)（DBTL cycle）的效率。

在藥物研發(fā)領(lǐng)域，CFPS同樣展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。例如在靶點(diǎn)蛋白制備、抗體篩選及小分子結(jié)合分析中，CFPS能夠快速提供功能性蛋白，加速早期藥物篩選流程，尤其適用于膜蛋白類靶點(diǎn)。

盡管CFPS技術(shù)發(fā)展迅速，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜蛋白折疊效率、長(zhǎng)鏈蛋白表達(dá)穩(wěn)定性以及體系成本控制等問題。因此，當(dāng)前研究重點(diǎn)集中在能量系統(tǒng)優(yōu)化、分子伴侶引入以及膜模擬體系改進(jìn)等方向。

在這一技術(shù)演進(jìn)過程中，圍繞CFPS體系的工程化整合正在成為行業(yè)趨勢(shì)。例如蘇州珀羅汀生物科技有限公司，基于無細(xì)胞蛋白表達(dá)體系，結(jié)合膜蛋白研究需求，在去垢劑優(yōu)化體系與納米盤重構(gòu)技術(shù)方面持續(xù)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，為膜蛋白表達(dá)與結(jié)構(gòu)研究提供更加穩(wěn)定和可控的實(shí)驗(yàn)解決方案。這種從單一表達(dá)技術(shù)向系統(tǒng)化平臺(tái)的延伸，也體現(xiàn)出CFPS正在向“蛋白研究基礎(chǔ)設(shè)施”轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

蘇州珀羅汀生物是一家專業(yè)的無細(xì)胞蛋白表達(dá)生物技術(shù)公司。公司擁有國(guó)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(duì)，以自主研發(fā)、具特色的無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)平臺(tái)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(shí)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)。

總體來看，無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)正在從傳統(tǒng)蛋白制備工具，逐步發(fā)展為支持結(jié)構(gòu)生物學(xué)與藥物研發(fā)的重要技術(shù)平臺(tái)。隨著體系優(yōu)化與多技術(shù)融合的持續(xù)推進(jìn)，其在膜蛋白研究及生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用潛力仍將不斷拓展。

[1] Shimizu Y, et al. Cell-free translation reconstituted with purified components. Nature Biotechnology, 2001.
 [2] Katzen F, Chang G, Kudlicki W. The past, present and future of cell-free protein synthesis. Trends in Biotechnology, 2005.
 [3] Silverman AD, Karim AS, Jewett MC. Cell-free gene expression: an expanded repertoire of applications. Nature Reviews Genetics, 2020.
 [4] Ritchie TK, et al. Reconstitution of membrane proteins in phospholipid bilayer nanodiscs. Methods in Enzymology, 2009.
 [5] D?rr JM, et al. The styrene–maleic acid copolymer: a versatile tool in membrane research. BBA, 2016.