20世纪90年代后，随着分子生物学和合成生物学的进步，无细胞蛋白表达技术技术迎来突破。研究者通过优化裂解物制备（如敲除大肠杆菌核酸酶）、开发能量再生系统（如Phosphoenolpyruvic acid，PEP循环），明显提升蛋白产量和反应时长。2000年代初，连续交换式反应体系（CECF）的出现解决了底物耗尽问题，使反应时间延长至24小时以上，产量达毫克级，为工业化铺平道路。此阶段，无细胞蛋白表达技术开始应用于毒性蛋白合成和抗体片段生产，但成本仍较高。随着工程化裂解物与自动化设备的进步，体外蛋白表达技术将成为生命科学工具箱中的常备利器。哺乳动物蛋白表达原理
前沿高校和研究所是无细胞蛋白表达技术创新的源头。哈佛大学George Church实验室开发的"全基因组裂解物"技术，明显提升了复杂途径的体外重构能力；东京大学则通过微流控-无细胞蛋白表达技术联用系统，推动单细胞蛋白组学研究。值得注意的是，合成生物学公司（如Ginkgo Bioworks、Zymergen）正将无细胞蛋白表达技术纳入其自动化生物铸造平台，用于高通量酶进化。而传统发酵技术公司（如DSM）也开始布局无细胞蛋白表达技术，探索其在可持续蛋白（如无细胞合成乳清蛋白）中的应用，预示着技术融合的跨界竞争趋势。大肠杆菌外源蛋白表达上调小麦胚芽裂解物尤其适用于同位素标记的蛋白表达用于NMR结构解析。
无细胞蛋白表达技术（CFPS）虽然具有快速、灵活等优势，但仍存在一些关键缺点。首先，成本较高，商业化裂解物、能量试剂和酶的价格昂贵，小规模实验单次反应成本可达数百元，大规模生产的经济性尚未完全解决。其次，蛋白产量较低，反应通常在几小时内终止，产量（0.1-1 mg/mL）远低于细胞表达系统（如大肠杆菌可达10 mg/mL以上）。此外，复杂蛋白表达受限，原核裂解物缺乏真核翻译后修饰能力（如糖基化），而真核裂解物成本更高；部分蛋白可能因折叠不完全而丧失活性。技术操作上，反应条件（pH、离子强度等）需精细调控，且线性DNA模板易降解，增加了实验难度。CFPS目前更适合小规模应用，在超长蛋白（>100 kDa）表达和工业化连续生产方面仍面临挑战。未来需通过开发低成本试剂、优化能量再生系统和自动化工艺来突破这些瓶颈。
在小规模、快速验证性实验中，无细胞蛋白表达技术（CFPS）的性价比优势明显。其单次反应成本约200-500元（含商业化裂解物和模板），虽高于大肠杆菌发酵的试剂成本，但可节省大量时间——传统细胞表达需3-5天（含转化、培养、诱导），而CFPS只需4-8小时即可获得ug-mg级蛋白，尤其适合药物筛选、突变体库构建等时效性需求。例如，某CRO公司采用CFPS一周内完成50种抗体变体的活性测试，而传统方法只能完成5-10种，人力与设备成本大幅降低。体外蛋白表达技术使致死性靶点研究成为可能，为新药开发提供关键依据。
当研究凋亡相关蛋白（如 caspase-3）或细菌du su（如白喉du su A 链）时，传统细胞表达系统常因蛋白毒性导致宿主死亡。体外蛋白表达技术通过无细胞环境规避了这一限制：在兔网织红细胞裂解物中添加目标基因 mRNA，4 小时内即可获得功能性毒性蛋白，且产率高达 0.5 mg/mL。2021 年斯坦福团队利用此技术成功表达出全长 63 kDa 的 Bax 蛋白，并证实其在线粒体膜穿孔中的构象变化。该方案不只避免了细胞毒性问题，还通过 实时荧光监测（如 FITC 标记）量化了蛋白折叠效率，为靶向凋亡通路的抗cancer药物筛选提供了新工具。在冰上预混裂解物与能量混合物，是保证体外蛋白表达重复性的关键步骤。CHO细胞蛋白表达市场现状
从模板添加到获得功能性体外表达蛋白只需6小时，而HEK293系统需两周。哺乳动物蛋白表达原理
体外蛋白表达正在推动 无细胞合成生物学 的范式革新：人工代谢通路重构： 在裂解物中整合多酶级联反应，利用底物通道效应实现小分子化合物的高转化率合成；基因振荡器开发： 通过T7 RNA聚合酶的自调控表达构建分子钟，模拟细胞周期节律；仿生细胞构建： 将蛋白表达系统封装于脂质体内，结合ATP再生模块（如bing tong酸激酶系统）创建可自我维持的人工细胞雏形。这种 “设计-构建-测试”闭环 明显加速了生物系统的理性设计进程。nuclera 高通量微流控蛋白表达筛选系统可助力体外蛋白表达，如想了解更多信息，欢迎咨询官方代理商上海曼博生物！哺乳动物蛋白表达原理
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