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“隨著科學與技術的發展，現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、系統甚至人工生命體，并可應用于特定化學物生產、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，它掙脫了傳統蛋白質生產方式的束縛，為科學研究與工業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，通過模擬細胞內的環境，實現蛋白質的體外合成。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境。通過控制反應條件，優化蛋白質的合成效率，從而實現大量、快速且高質量的蛋白質生產。
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，進行蛋白質的結構改造和功能優化，以滿足特定的應用需求。
2.生物分子網絡的構建與驗證
研究人員可以在無細胞系統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象的基本原理，并為藥物靶點篩選、酶催化性能優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絡提供了可能性。已有研究利用大腸桿菌CFPS系統來研究蛋白質-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的識別-響應機制
三
CFPS在蛋白生產上的應用
1.AI高通量蛋白篩選及優化
結合機器學習和大規模篩選實驗，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化反應體系，可以實現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、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進程。
由機器學習算法優化CFPS系統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），可基于人工神經網絡（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量提高和能量緩沖液中重要成分之間的協同作用。
2.難表達蛋白的合成
在傳統細胞表達系統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定性的新型酶。這為工業生產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技術的不斷發展，其應用前景將越來越廣闊。可以預見，未來，CFPS系統將變得更加高效、穩定和可控，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、大數據等前沿技術深度融合，進一步推動生物醫藥、材料科學等領域的創新發展。
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新，為人類社會的發展注入新的動力。
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