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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，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。CFPS的第一步是將生物體細胞裂解，將其細胞器提取出來，再混合合成反應需要的能量、原材料等物質形成反應液。在向該反應液中加入外源性DNA或者mRNA作為模板后，體系內將進行蛋白表達反應。CFPS相較于傳統(tǒng)蛋白表達方法有著產物和能量轉化效率更高、可表達蛋白更豐富、反應時間短、調控方便和合成效率高等優(yōu)點。
在合成生物學中，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域都有著應用前景。
1、CFPS在合成生物學中的運用
在合成生物學中，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域都有著應用前景。
2、CFPS在代謝工程中的運用
隨著代謝工程和合成生物學的發(fā)展，無細胞代謝工程（cell-freemetabolicengineering,CFME）已被用于生產生物材料、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，體內蛋白質表達和每種途徑蛋白質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-羥基丁酸轉化為下游代謝產物）。該團隊通過調節(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的產量。這證明CFPS可以作為代謝工程和合成生物學應用的支持平臺。對BDO代謝通路的探索，證明了CFPS可以快速調節(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物產量。該結果證明了CFPS-ME可以直接應用于體內菌株的開發(fā)。
3、CFPS在生物傳感器和基因電路的運用
合成生物學設計的無細胞生物傳感器是檢測各項臨床相關生物標志物的一種很有前途的新工具。
Wen和其團隊設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志物的平臺。
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