“隨著科學與技術的發(fā)展，現(xiàn)在我們有能力對一個生命體進行重新設計、構建和合成，重新構建一個具有全新功能的生物體，這就是所謂的合成生物學。"
——中國科學院深圳先進技術研究院副院長、深圳合成生物學創(chuàng)新研究院院長劉陳立
一
合成生物學技術與無細胞蛋白表達
合成生物學是一門匯集生物學、基因組學、工程學和信息學等多種學科的交叉學科，用以設計和合成各種復雜生物功能模塊、系統(tǒng)甚至人工生命體，并可應用于特定化學物生產(chǎn)、生物材料制造、基因治療、組織工程等。其技術路徑主要包括設計、構建、測試、學習。
在合成生物學這一跨學科領域中，無細胞蛋白表達（Cell-Free Protein Synthesis, CFPS）技術正以未有的速度嶄露頭角，它掙脫了傳統(tǒng)蛋白質生產(chǎn)方式的束縛，為科學研究與工業(yè)應用注入了新的活力。CFPS技術不僅代表了一種革命性的生產(chǎn)方式，更是蛋白質科學領域的一次重大突破，是推動蛋白質研究和應用的強大工具，極大地擴展了合成生物學的應用邊界。
CFS技術，顧名思義，是在沒有完整細胞的情況下，通過模擬細胞內(nèi)的環(huán)境，實現(xiàn)蛋白質的體外合成。這一技術利用一套精心設計的反應體系，包括細胞裂解液、酶、輔因子等，來構建完整的蛋白質合成環(huán)境。通過控制反應條件，優(yōu)化蛋白質的合成效率，從而實現(xiàn)大量、快速且高質量的蛋白質生產(chǎn)。
圖1:無細胞蛋白質合成（CFPS）的成分和應用
二
CFPS在基礎研究中的應用
1.蛋白質結構與功能研究
CFPS技術通過高效合成大量高純度、高活性的蛋白質樣品，包括功能性蛋白質，通過調整反應體系的組分和條件，可以優(yōu)化蛋白質的合成效率和功能特性。這為蛋白質工程提供了強有力的工具。使得研究人員可以深入探討蛋白質的結構與功能關系，揭示其在生物體內(nèi)的作用機制。此外，研究人員還可以通過構建精細的蛋白質工程系統(tǒng)，進行蛋白質的結構改造和功能優(yōu)化，以滿足特定的應用需求。
2.生物分子網(wǎng)絡的構建與驗證
研究人員可以在無細胞系統(tǒng)中模擬復雜的生物化學反應，設計并組裝出未有的生物邏輯電路、信號傳導途徑和代謝通路。這有助于深入理解生命現(xiàn)象的基本原理，并為藥物靶點篩選、酶催化性能優(yōu)化等工作提供有力支持。在合成生物學領域，CFPS技術為構建和驗證新的生物分子網(wǎng)絡提供了可能性。已有研究利用大腸桿菌CFPS系統(tǒng)來研究蛋白質-蛋白質相互作用，并且揭示了CD1E和B2M之間的精確親和力。
圖2:驗證CD1E和B2M之間的相互作用
2.生物傳感器設計
傳統(tǒng)的基于合成生物學的生物傳感器是在活細胞上設計的，但細胞生物傳感器的開發(fā)受到轉基因生物問題和細胞膜阻塞等缺陷的極大限制。與細胞生物傳感器相比，基于CFPS系統(tǒng)的生物傳感器具有安全性更高、靈敏度更高、響應時間更快的優(yōu)勢，這使得無細胞生物傳感器具有更廣泛的應用前景。
圖3.無細胞生物傳感器系統(tǒng)的識別-響應機制
三
CFPS在蛋白生產(chǎn)上的應用
1.AI高通量蛋白篩選及優(yōu)化
結合機器學習和大規(guī)模篩選實驗，CFPS技術可以快速地識別出具有特定功能或性能的蛋白質。通過合理的設計和優(yōu)化反應體系，可以實現(xiàn)多個目標蛋白的同時合成，大幅提高工作效率和成本效益。這種高通量蛋白篩選方法為新藥研發(fā)、酶工程和材料科學等領域提供了高效的篩選平臺，加速了藥物和生物材料的研發(fā)進程。
由機器學習算法優(yōu)化CFPS系統(tǒng)的第一個例子是與高通量實驗耦合的機器人工作站。這種方法對應于實驗的進化設計（Evo-DOE），可基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）的機器學習算法，預測下一輪實驗以改善適應性功能。通過這種方法，證明了熒光報告蛋白的產(chǎn)量提高和能量緩沖液中重要成分之間的協(xié)同作用。
2.難表達蛋白的合成
在傳統(tǒng)細胞表達系統(tǒng)中某些蛋白質難以高效表達，例如膜蛋白以及具有細胞毒性或難以正確折疊的蛋白質。CFPS技術可以通過消除細胞內(nèi)的復雜調控和蛋白質折疊問題，為難表達蛋白的合成提供新的選擇。通過優(yōu)化反應條件，可以顯著提高這些蛋白質的表達效率。
3.酶的定向改造
酶的定向改造是合成生物學領域的重要研究內(nèi)容之一。CFPS技術可以通過基因工程手段引入目標基因，對酶的結構和功能進行調整，從而獲得具有特定催化活性和穩(wěn)定性的新型酶。這為工業(yè)生產(chǎn)中的酶催化過程提供了更多可能性，推動了酶工程的進步。
四
未來展望
隨著合成生物學和CFPS技術的不斷發(fā)展，其應用前景將越來越廣闊?？梢灶A見，未來，CFPS系統(tǒng)將變得更加高效、穩(wěn)定和可控，這將為蛋白質的合成和定制提供更多可能性。同時，該技術還將與人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術深度融合，進一步推動生物醫(yī)藥、材料科學等領域的創(chuàng)新發(fā)展。
綜上所述，CFPS技術作為合成生物學領域的一項重要技術，正在逐步改變蛋白質研究的面貌。相信在不久的將來，這一技術將帶來更多突破和創(chuàng)新，為人類社會的發(fā)展注入新的動力。
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