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无细胞蛋白表达平台重构复杂多肽生物合成体系
发布时间：
2026-06-29
本文解读的文献为：“Cell-free protein synthesis for nonribosomal peptide synthetic biology”
该研究系统总结了无细胞蛋白合成（cell-free protein synthesis, CFPS）在非核糖体多肽（nonribosomal peptides, NRPs）研究中的应用进展，重点讨论了其在复杂酶体系表达与工程化改造中的潜力。
非核糖体多肽（nonribosomal peptides, NRPs）是一类来源广泛且具有重要生物活性的天然产物，在抗生素、抗肿瘤和免疫调节等领域具有重要应用价值。其生物合成依赖非核糖体多肽合成酶（nonribosomal peptide synthetases, NRPSs），这类酶通常由多个功能结构域串联组成，形成高度有序的模块化催化体系。然而，NRPS普遍具有分子量大、结构复杂、折叠依赖性强等特征，使其在传统细胞表达体系中难以获得具有功能活性的蛋白产物，从而限制了相关机制研究与工程改造。
图1：NRPS由多个功能模块串联组成，每个模块包含A（腺苷化）、T（载体蛋白）和C（缩合）等结构域，形成类似“装配线”的多肽合成路径
NRPS的模块化结构赋予其高度的产物多样性，同时也显著增加了异源表达难度。多个结构域之间需要精确协同，任何表达失衡或折叠异常均可能导致整体活性丧失。此外，部分中间产物或终产物具有生物毒性，也会进一步干扰宿主细胞的正常生理过程。这些因素共同构成了NRPS研究中的关键技术瓶颈。
在此背景下，无细胞蛋白合成体系被提出作为一种重要替代策略。CFPS通过在体外重建转录与翻译过程，使蛋白表达脱离细胞代谢约束，形成一个开放且可调控的反应环境。文献指出，该体系能够有效降低复杂蛋白表达过程中的折叠压力，并允许通过添加分子伴侣、辅因子等方式优化蛋白活性形成过程。此外，由于不依赖细胞生长，表达过程通常可在数小时内完成，从而显著提升实验效率。
图2：无细胞蛋白合成体系通过体外重建表达过程
相较于传统体内表达流程，CFPS无需细胞培养与转化过程，通常可在数小时内完成蛋白表达。此外，其开放体系允许引入非天然底物或进行体系级调控，使其在复杂酶体系研究中具有明显优势。对于NRPS这类多结构域蛋白，CFPS不仅提高了表达成功率，还为后续功能验证与工程优化提供了更高的灵活性。
该文献进一步指出，CFPS正在改变NRPS的研究范式。传统依赖细胞体系的工程策略，如结构域替换或模块重组，往往受限于表达效率和宿主适应性，实验周期长且成功率不稳定。而在CFPS体系中，可以实现快速构建与并行测试，从而显著提升工程优化效率。
这种变化使NRPS研究逐渐从以经验为主的探索模式，转向以设计驱动为核心的工程化路径。同时，CFPS体系还支持非天然氨基酸的引入及反应条件的精细调控，为新型多肽分子的开发提供了实验基础。
随着不同来源CFPS体系的发展（如大肠杆菌、小麦胚芽及其他真核体系），其适用范围不断拓展，使得来自不同生物来源的NRPS均有机会在体外实现功能表达。这种多体系协同策略进一步提高了复杂蛋白表达的成功率，并推动天然产物生物合成研究向更加系统化和工程化方向发展。
在实际科研场景中，无细胞蛋白合成技术正在从方法学工具逐步走向平台化应用。针对复杂蛋白表达效率低、优化周期长等问题，标准化CFPS系统能够提供更稳定的实验基础。商业化无细胞表达系统提供了更稳定的解决方案。
例如，苏州珀罗汀生物目前推出的多款无细胞试剂盒，基于无细胞蛋白合成技术构建的表达平台，在多结构域蛋白表达方面具有良好的适配性。其开放体系支持对底物及辅因子的灵活调控，可用于天然产物合成路径验证、复杂酶体系重构及高通量筛选等研究场景。在NRPS等复杂系统研究中，这类平台能够显著缩短实验周期并提升成功率。
该文献表明，无细胞蛋白合成体系正在为非核糖体多肽研究提供一种更加高效且可控的技术路径。通过将复杂酶体系的表达与调控转移至体外环境，CFPS不仅提升了实验效率，也为天然产物的理性设计提供了新的可能性。随着相关技术的持续优化，其在合成生物学与生物制造领域的应用前景将进一步拓展。
原文链接：
https://doi.org/10.3389/fntpr.2024.1353362
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