酶工程的“快车道”——无细胞蛋白表达技术（CFPS）

2026-01-06

一、酶工程研究的重要性及瓶颈

天然催化剂——酶，对于维持生命活动至关重要，比如参与DNA复制与转录、蛋白质合成、信号转导等。因其具备高效性、专一性和环境友好等优势，也被广泛应用于医药、食品、能源、环保等多个领域。但是，天然酶的性质往往难以直接满足工业应用需求，因此，酶工程应运而生，旨在通过修饰、优化或设计酶来提升其在各种应用中的性能。

图1：主要的酶工程策略

然而，尽管酶工程前景广阔，但在实际应用中仍面临诸多挑战和瓶颈，比如：

体外表达和纯化难：由于细胞膜的存在、内部代谢的复杂性、反应条件难以精确控制以及可能的代谢产物毒性，许多需要进行工程改造的酶在细胞内表达效率低下，且纯化过程困难。
大规模文库筛选效率低：定向进化需要从庞大的突变体库中筛选出具有特定改良性能的酶，传统的筛选方法无法高效的从庞大的遗传多样性库中识别出最合适的变异；
预测性设计能力有限：由于蛋白质序列-功能关系的复杂性，精确预测突变对酶性能的影响仍然具有挑战性。

突破细胞壁垒的合成平台——CFPS

无细胞蛋白表达技术（CFPS）的出现，为酶工程领域提供了全新的解决方案，重塑了酶工程的研究范式和应用前景。该技术打破了细胞的“束缚”，无需维持细胞活力，大大提高了酶制备的灵活性和效率，从而规避了上述传统表达系统的诸多限制。

CFPS技术并非简单地将细胞裂解后提取蛋白，而是一种高度可控、模块化、开放式的体外生物合成平台。它通过保留细胞内转录与翻译的核心机器（如核糖体、tRNA、能量再生系统等），在试管或微孔板中直接利用DNA模板合成目标蛋白。由于无需维持细胞活性，CFPS摆脱了生命系统的诸多约束，为酶的设计、筛选与优化提供了前所未有的自由度。其优势包括：1.开放反应体系；2.操作简便灵活；3.表达快速高效易纯化；4.可与自动化设备结合等。（相关文章：https://mp.weixin.qq.com/s/je-rT-uHhAU4X_DkKlsRGQ）

图2：无细胞酶工程示意图

CFPS在酶工程中的应用

高通量筛选与定向进化

酶工程常依赖定向进化策略，构建包含数千至上百万个突变体的文库。传统方法需逐个转化、培养、裂解，耗时久。而CFPS技术能够实现DNA到蛋白质的快速表达，这使得高通量地表达和筛选大量的酶突变体成为可能。

毒性酶的高效表达

传统酶工程中，毒性酶的表达是一大难题，因为这些酶会对宿主细胞产生毒性甚至致死效应，导致无法获得足够产量。CFPS技术因无完整细胞结构，可安全表达此类“危险”蛋白。

加速酶设计与优化

将机器学习与CFPS技术结合，可以快速构建序列-功能关系的大规模数据集，从而指导酶的预测性设计和优化。

非天然酶设计

通过引入非天然氨基酸设计具有新功能的酶，是酶工程领域的前沿方向。CFPS技术为非天然酶合成提供了独特优势。与传统体内表达相比，CFPS系统避免了低表达产量和溶解性问题对非天然氨基酸掺入的限制。特别是对于那些对细胞有毒或难以穿过细胞膜的非天然氨基酸，显示出明显优势。

多酶级联反应的构建

CFPS技术通过缩短反应时间和加速代谢途径优化，可以很容易地扩展为无细胞代谢工程（CFME）的多路复用形式。与体内系统相比，CFME具有反应速率更快、对底物和产物耐受性更高以及易于分离产物的优点。该技术允许科研人员构建多酶级联反应，将各种酶通过物理或功能连接聚集在一起，形成复杂的代谢网络，合成高附加值生物产品。（相关文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/AWXIpo54EJtrsPqUkGKu3A）

图3：采用纯化酶(a)或细胞提取物(b)进行的无细胞代谢工程

结语及未来展望

酶工程是连接基础生物学与产业应用的桥梁，而无细胞蛋白表达技术正在重塑酶工程的研究范式，其开放性、灵活性和高效性为解决传统酶工程面临的挑战提供了全新解决方案。从难表达酶的高效合成，到翻译后修饰的精准调控，再到代谢途径的理性设计和非天然酶的功能拓展，这项技术展现出广阔的应用前景。

未来，CFPS有望与AI驱动的酶设计、自动化机器人平台深度融合，构建“设计—合成—测试—学习”（Design-Build-Test-Learn）闭环，极大加速新型工业酶的开发进程。随着技术的不断成熟，CFPS技术有望在以下领域发挥更大作用：

药物酶开发——快速合成具有治疗价值的酶分子；
工业生物催化——设计高效稳定的工业用酶；
环境修复——开发用于污染物降解的特种酶；

CFPS技术或将重塑整个生物制造生态，推动生物制造、医药开发、环境治理等领域的创新发展。未来，我们有理由期待这一技术为绿色生物制造和可持续发展贡献更多力量，开启酶工程研究的新篇章。

参考文献：

Ndochinwa, Obinna Giles et al. “Current status and emerging frontiers in enzyme engineering: An industrial perspective.” Heliyon vol. 10,11 e32673. 7 Jun. 2024, doi:10.1016/j.heliyon.2024.e32673
Nan Jiang, Lianju Ma, Yuan Lu. Cell-free synthetic biology in the new era of enzyme engineering[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2020, 28(11): 2810-2816.
Landwehr, Grant M et al. “Accelerated enzyme engineering by machine-learning guided cell-free expression.” Nature communications vol. 16,1 865. 20 Jan. 2025, doi:10.1038/s41467-024-55399-0.
Li, Zhengqun et al. “Growth-coupled high throughput selection for directed enzyme evolution.”Biotechnology advances vol. 68 (2023): 108238. doi:10.1016/j.biotechadv.2023.108238

无

免费试用 | 从靶点到药物：珀罗汀全长4次跨膜Claudin-6蛋白，成实体瘤靶向研发“关键利器”

无

免费试用 | 从靶点到药物：珀罗汀全长4次跨膜Claudin-6蛋白，成实体瘤靶向研发“关键利器”

返回列表