无细胞合成是更有效的高值产品合成手段，但规模化生产仍是待解难题( 二 ) 某些情况下

2016年，日本横滨RIKEN系统和结构生物学中心的生物学家使用无细胞大肠杆菌系统生产了19种哺乳动物膜蛋白。他们发现由此产生的蛋白质通常比结合在完整细胞内时更容易获取和纯化。
除此之外，无细胞系统还能够用于制造更加复杂或表达外来的蛋白质，包括那些不存在于自然界中的蛋白质。
通过改造细胞，强制其在蛋白质翻译过程中转换氨基酸是手段之一。例如，刀豆氨酸被认为具有潜在的药物和医学特性。但作为非蛋白质形成氨基酸，天然蛋白质中并不存在刀豆氨酸，因此很难研究其生物学效应。
在活细胞培养中，作为精氨酸类似物，理论上使用刀豆氨酸替换蛋白质中的精氨酸属于常规操作。但由于刀豆氨酸对于许多动物细胞具有毒性，在活细胞培养物中制造携带刀豆氨酸蛋白质并不可行。
在2015年，德国的研究人员构建了基于大肠杆菌的无细胞系统，可以成功表达和收集大量绿色荧光蛋白，其中每个精氨酸分子都被刀豆氨酸分子取代。

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图丨基于刀豆氨酸（品红色）取代的荧光蛋白结构（来源：Bioorganic&MedicinalChemistryLetters）
灵活、便捷的分散式制造平台
无细胞系统的另一个优势在于便携性。
细胞裂解操作简单，而且经过干燥的裂解液无需冷冻，更易保存。这将吸引那些地域偏远、难以获得进口试剂的研究人员。
2018年，来自德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员表明，在实验室进行的部分化学反应中，完全可以使用裂解物代替昂贵的商业酶。他们使用工程化细菌进行蛋白质生产，然后通过简单地裂解步骤即可获得在聚合酶链式反应(PCR)中用于扩增DNA的酶。将裂解的细胞冻干处理后，可在室温下储存数月，复溶后继续使用。
为了证明该方法的可行性，他们通过快递将干燥的细胞裂解液发送给喀麦隆和加纳的合作人员，并成功应用于实验。
“我们将这项技术带到了真正可用的地方。实验室以外地区的人已经使用这项技术并且奏效了。 ”不过，领导该研究的生物学家SanchitaBhadra补充说，处理后的无细胞混合物的确切组分或存在批间差异，可能导致不同批次的性能存在差异。
尽管当前尚在试验阶段，但该技术提供了更加便捷的制造方式。 Freemont指出， “有了冻干的细胞裂解液和核酸模板，客户可以在世界上的任何地方制造产品。 ”他补充说， NASA有一个关于无细胞系统的大型项目，正在探索用于航空领域的无细胞提取物。
据麻省理工学院合成生物学家JamesCollins介绍，迄今为止，该技术最有用的应用之一是制造坚固且便携的生物传感器。
2014年， Collins参与项目将基因开关整合到纸质无细胞传感器中，当其遇到埃博拉病毒的DNA时会改变颜色。一年半后，该小组开发了基于纸张的寨卡病毒诊断方法，并在多个国家/地区用于研究和检测。

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在他的设想中，医生、士兵甚至宇航员可以携带无细胞颗粒作为一种方便的药物来源。 “当你需要一种特定的药物或治疗分子时，只需将无细胞颗粒与核酸颗粒等一起加入水中，药物就会被生产出来， ”Collins说。
工业化难题：成本与规模化尚存壁垒
一个典型的无细胞蛋白质合成系统（也称为转录-翻译系统或TX-TL）不仅包括了细胞裂解液中残留的天然成分，还需添加反应混合液与核酸模板等调节基因表达反应的必须成分，包括酶辅因子、核苷酸、底物、氨基酸和tRNA等。