無細胞蛋白表達系統(tǒng)（Cell-freeProteinSynthesis,CFPS）是以外源DNA或mRNA為模板，人工添加所需原料和能源物質(zhì)，以細胞提取物為條件合成蛋白的體外基因表達系統(tǒng)，可以突破細胞限制，方便快捷的表達各種蛋白質(zhì)。CFPS的第一步是將生物體細胞裂解，將其細胞器提取出來，再混合合成反應(yīng)需要的能量、原材料等物質(zhì)形成反應(yīng)液。在向該反應(yīng)液中加入外源性DNA或者mRNA作為模板后，體系內(nèi)將進行蛋白表達反應(yīng)。CFPS相較于傳統(tǒng)蛋白表達方法有著產(chǎn)物和能量轉(zhuǎn)化效率更高、可表達蛋白更豐富、反應(yīng)時間短、調(diào)控方便和合成效率高等優(yōu)點。
在合成生物學(xué)中，CFPS在代謝工程、生物傳感器、基因電路、人工細胞和AI輔助的高通量蛋白藥物篩選等領(lǐng)域都有著應(yīng)用前景。

1、CFPS在合成生物學(xué)中的運用

在合成生物學(xué)中，CFPS在代謝工程、生物傳感器、基因電路、人工細胞和AI輔助的高通量蛋白藥物篩選等領(lǐng)域都有著應(yīng)用前景。

2、CFPS在代謝工程中的運用
隨著代謝工程和合成生物學(xué)的發(fā)展，無細胞代謝工程（cell-freemetabolicengineering,CFME）已被用于生產(chǎn)生物材料、生物燃料和藥物前體。最初，CFME是通過使用純化的酶組裝代謝途徑來進行的。然而，體內(nèi)蛋白質(zhì)表達和每種途徑蛋白質(zhì)的純化都是費力和耗時的。而將無細胞蛋白表達引入，可以達到加快代謝工程的DBT（design-build-test）循環(huán)的效果。
Wu與其研究團隊利用CFPS進行1,4-丁二醇（BDO）生物合成的快速方案設(shè)計[1]。其通過CFPS手段表達各種代謝酶，不僅驗證了代謝通路和各種途徑酶的功能，還確定了BDO途徑的限速步驟（4-羥基丁酸轉(zhuǎn)化為下游代謝產(chǎn)物）。該團隊通過調(diào)節(jié)各種酶表達水平和增加下游酶表達水平的方式，顯著地提高了BDO的產(chǎn)量。這證明CFPS可以作為代謝工程和合成生物學(xué)應(yīng)用的支持平臺。對BDO代謝通路的探索，證明了CFPS可以快速調(diào)節(jié)途徑酶的表達水平，并篩選具有改進催化活性的酶變體以提高產(chǎn)物產(chǎn)量。該結(jié)果證明了CFPS-ME可以直接應(yīng)用于體內(nèi)菌株的開發(fā)。

3、CFPS在生物傳感器和基因電路的運用
合成生物學(xué)設(shè)計的無細胞生物傳感器是檢測各項臨床相關(guān)生物標(biāo)志物的一種很有前途的新工具。
Wen和其團隊設(shè)計了一種基于大腸桿菌的無細胞系統(tǒng)的生物傳感器，在其中實現(xiàn)了利用銅綠假單胞菌的酰基同型絲氨酸內(nèi)酯的傳感電路來分析囊性纖維化患者的痰液樣本的效果。[2]其研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化無細胞系統(tǒng)和樣品提取方式，可以在納摩爾水平上對囊性纖維化肺痰液樣品中的分子3-oxo-C12-HSL進行定量測量。這項研究進一步說明了模塊化無細胞生物傳感器作為快速、低成本檢測方法的潛力，也表明它有潛力成為檢測和監(jiān)測人類呼吸道樣本中病原體生物標(biāo)志物的平臺。