体外合成咖啡因｜无细胞平台或成制药行业“颠覆性创新”

2026-01-09

一、天然产物：药物开发的宝藏与困境

在现代制药行业中，大多数小分子检测都是使用天然产物，它们被认为是新药最高效的来源。许多“救命药”都源于自然界，比如类固醇、聚酮类、非核糖体肽类、萜类、生物碱类等。传统的天然产物获取方式主要有两种：从异源宿主中生产，或通过化学合成。然而，无论是哪种方法往往都面临着效率低、周期长、成本高等挑战。例如，紫杉醇（Taxol）作为重要的抗癌药物，其生产需要先在细胞培养物中合成前体，然后再进行后续的有机合成，过程繁琐且成本高昂。

图1:基于天然产物的药物发现关键途径

（图片来源：https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c02736）

今天，小编和大家分享一篇发表在Synthetic Biology期刊上的的文章-“Utilizing a cell-free protein synthesis platform for the biosynthesis of a natural product, caffeine”，该研究团队成功利用无细胞蛋白合成（Cell-Free Protein Synthesis, CFPS）平台实现了咖啡因的体外合成，为天然产物的快速开发开辟了新思路。

图2:文章概要图

二、研究背景与技术挑战

天然产物具有复杂的结构和多样的生物活性，尽管它们是制药业的宝贵资源，但传统生产方法存在明显局限。许多制药公司因为天然产物研发周期长、难度大，转而投向组合化学的怀抱；然而，数百万化合物中只有少数具有一定程度的理想活性。随着合成生物学的兴起，研究人员开始探索利用生物系统进行天然产物的合成，但细胞内环境的复杂性限制了这一策略的广泛应用。

三、CFPS：天然产物合成的革命性平台

CFPS系统作为一种新兴的生物技术平台，与传统在细胞内生产蛋白质的方法不同，CFPS利用细胞裂解液中的转录翻译机器，在试管中直接从质粒合成蛋白质。该系统具有多项优势：

毒性底物利用：因为其是无细胞体系，因此可以使用对细胞有毒的底物；

自动化程度高：从质粒到蛋白质的整个过程可实现自动化；

代谢工程需求低：无需进行复杂的代谢工程；

反应速度快：整个蛋白/产物合成过程只需一天。

此外，研究人员指出CFPS系统可以同时进行酶表达和产物合成，无需纯化酶，这将大大简化流程，为天然产物的快速原型设计提供了强大工具。

四、咖啡因合成的突破性实验

本研究的核心是利用CFPS系统，通过S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖的甲基转移酶反应，以咖啡因为模型，进行了以下关键实验：

TCS1蛋白的表达与验证：该研究成功在CFPS系统中表达了TCS1（茶咖啡因合成酶），并通过SDS-PAGE和LC-MS方法验证其功能。

咖啡因合成实验：在CFPS系统中添加底物可可碱和辅因子SAM，TCS1成功将可可碱转化为咖啡因，并使用LC-MS检测到特征性峰。

图3：使用纯化的 TCS1 从茶碱和可可碱底物中生产咖啡因。A、B、C图为质谱峰图，D图为茶碱、可可碱和咖啡因的结构结构图及其预期 m/z 在 LC-MS 色谱图中显示。

此外，该研究还使用 TCS1 在粗CFPS 系统（粗提取物）中进行的实验为 CFPS 系统作为天然产物合成的多功能平台的潜在用途提供了进一步的证据。该研究表明CFPS 系统可用于单溶液反应，能够同时进行酶的合成和利用以及产物合成，从而不需要实现酶纯化。这种简单高效的过程对于简化各种环境中的天然产物合成具有重要意义。

五、结论与意义

传统的天然产物生产方法包括从天然来源提取天然物质或使用有机化学技术合成。这两种方法不仅耗时、劳动密集而且技术挑战大。而CFPS 系统通过创造一个能在体外进行化合物（如咖啡因）生物合成的环境，规避了这些问题。这种受控环境为研究人员提供了更多灵活性来调节条件和进行实验，从而节省了维护和改造整个生物体所需的时间和精力，对整体研究具有重要意义：

快速原型设计：CFPS系统为天然产物的快速原型设计提供了高效平台，只需将质粒、底物和辅因子加入反应体系，即可在一天内完成蛋白合成和产物生成。

新型化合物开发：无细胞环境使得那些对细胞有毒的底物得以应用，从而拓宽了可合成化合物的种类，为天然产物类似物开辟了新途径。以咖啡因为例，与黄嘌呤相比，它拥有三个甲基化位点。如果一种酶可以在这些位点中的每一个上进行甲基化、乙基化和丙基化，则使用单个酶-底物对可以产生27种可能衍生物。

药物筛选应用：研究中获得的咖啡因浓度足以满足许多高通量药物筛选方法，比如ELISA、表面等离子共振和等温滴定量热法。这意味着该方法可用于生成少量化合物，然后可以筛选这些化合物以获得有用的生物活性。

因此，在天然产物这个"宝藏库"中，CFPS系统有望成为药物发现和天然产物工程的常规工具，为我们提供了一把更高效、更灵活的"钥匙"，帮助我们更快地解锁更多潜在的救命药物。

五、展望

CFPS系统代表了一种范式转变：从利用生命体到重构生命过程。这项研究不仅展示了咖啡因合成的技术可行性，更重要的在于揭示了一条生物学工程化的新路径。随着合成生物学、自动化技术和人工智能的融合发展，无细胞系统有望成为生物制造的“通用平台”。从天然药物到新材料，从精细化工到环境修复，这一技术的应用边界正在不断扩展。

在生物学研究日益走向定量化、工程化的今天，无细胞系统或许将催生新一代生物技术创新，为解决人类面临的健康、环境和能源挑战提供全新解决方案。

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酶工程的“快车道”——无细胞蛋白表达技术（CFPS）

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