無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成技術(shù)

目前除了傳統(tǒng)的基于細(xì)胞的蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)以外，另外一種新興的蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)——無細(xì)胞蛋白表達(dá)（CFPS）正在被廣泛應(yīng)用。將這兩種技術(shù)進(jìn)行對比可以歸納為以下幾點(diǎn)：
1.技術(shù)原理
傳統(tǒng)的基于細(xì)胞的蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)依賴于活細(xì)胞（如大腸桿菌、酵母或哺乳動(dòng)物細(xì)胞等）作為生物反應(yīng)器來生產(chǎn)蛋白質(zhì)。這些細(xì)胞提供了蛋白質(zhì)合成所需的環(huán)境和成分。

 圖1:CFPS展示

CFPS技術(shù)則是在體外環(huán)境中，利用細(xì)胞提取物（如核糖體、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、酶等）進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。它不依賴于完整的活細(xì)胞，可直接在體外模擬細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成過程。
2.實(shí)驗(yàn)條件與操作
傳統(tǒng)蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)需要進(jìn)行基因克隆、宿主轉(zhuǎn)化、細(xì)胞培養(yǎng)、蛋白表達(dá)誘導(dǎo)和優(yōu)化以及蛋白收集和純化等復(fù)雜步驟，同時(shí)需要優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)條件以確保蛋白質(zhì)的高效表達(dá)。
而CFPS技術(shù)則無需進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，直接利用細(xì)胞裂解液進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，從而簡化實(shí)驗(yàn)步驟。此外，還可以通過調(diào)整反應(yīng)體系的組分濃度和添加劑來實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)合成的精確控制。
3.表達(dá)效率與產(chǎn)量
傳統(tǒng)蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)的表達(dá)效率和產(chǎn)量受細(xì)胞生長狀態(tài)、培養(yǎng)條件以及外源基因與宿主細(xì)胞的兼容性等多種因素影響。
CFPS技術(shù)由于直接在體外進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，可以避免細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制，從而有可能實(shí)現(xiàn)更高的表達(dá)效率和產(chǎn)量。同時(shí)，還可以通過優(yōu)化反應(yīng)條件來進(jìn)一步提高蛋白質(zhì)的合成效率。
4.應(yīng)用靈活性
傳統(tǒng)蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)受限于宿主細(xì)胞的生理特性和遺傳背景，某些特定蛋白質(zhì)可能難以在特定宿主細(xì)胞中表達(dá)或正確折疊。
CFPS技術(shù)則具有更高的靈活性，可以使用多種來源的細(xì)胞裂解物或酶類反應(yīng)系統(tǒng)來進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，從而更好地適應(yīng)不同蛋白質(zhì)的生產(chǎn)需求。還可以用于生產(chǎn)具有特殊修飾或標(biāo)記的蛋白質(zhì)，以及進(jìn)行高通量蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)。
5.成本與時(shí)間
傳統(tǒng)蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)需要耗費(fèi)大量時(shí)間和資源來培養(yǎng)、收集和純化細(xì)胞，同時(shí)還需要考慮細(xì)胞的保存和傳代等問題。
CFPS技術(shù)則無需進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)等耗時(shí)耗力的步驟，從而可以縮短實(shí)驗(yàn)周期并降低實(shí)驗(yàn)成本。此外，由于CFPS系統(tǒng)的反應(yīng)體系相對簡單且易于控制，因此還可以提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和一致性。
由此可見，傳統(tǒng)的基于細(xì)胞的蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)與CFPS技術(shù)在技術(shù)原理、實(shí)驗(yàn)條件、操作步驟、表達(dá)效率、蛋白產(chǎn)量、成本、時(shí)間以及應(yīng)用靈活性等多方面都存在顯著差異。

 

兩種方法的選擇：
根據(jù)上述內(nèi)容，我們可以看到CFPS與傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)表達(dá)相比，具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)勢：
1.表達(dá)速度快
CFPS無需進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)和維護(hù)，因此可以迅速啟動(dòng)蛋白質(zhì)的合成過程，大大縮短了從基因到蛋白質(zhì)的生產(chǎn)周期，提高了實(shí)驗(yàn)效率。傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)表達(dá)則需要較長的時(shí)間來培養(yǎng)細(xì)胞，并在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成和積累。
2.靈活性更高
CFPS系統(tǒng)對反應(yīng)條件相對不敏感，可以在不同的溫度、pH等環(huán)境條件下進(jìn)行。此外，還可以通過調(diào)整添加的底物和輔因子濃度來優(yōu)化蛋白質(zhì)的表達(dá)。這種靈活性使得CFPS能夠更好地適應(yīng)不同蛋白質(zhì)的生產(chǎn)需求，并有望解決傳統(tǒng)表達(dá)系統(tǒng)中某些蛋白質(zhì)表達(dá)困難的問題。
3.高表達(dá)水平
CFPS系統(tǒng)不受細(xì)胞生長和復(fù)制的限制，能夠充分利用所有添加的底物進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。這種高效率的表達(dá)有助于滿足大量蛋白質(zhì)生產(chǎn)的需求。
4.拓寬可表達(dá)蛋白質(zhì)的范圍
一些在傳統(tǒng)的基于細(xì)胞的表達(dá)系統(tǒng)中難以表達(dá)的蛋白質(zhì)，如無法正確折疊的復(fù)雜蛋白質(zhì)、毒性蛋白質(zhì)或膜蛋白等，在CFPS系統(tǒng)中能夠得到更好的表達(dá)。這為研究和應(yīng)用這些特殊蛋白質(zhì)提供了新的可能性。
綜上所述，無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)以其高效、快速、靈活和簡化的特點(diǎn)，在某些方面相較于傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)表達(dá)方法展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。