非天然氨基酸精准插入：无细胞系统让蛋白功能研究更灵活

2026-02-02

非天然氨基酸（Unnatural Amino Acids, UAAs）技术通过扩展遗传密码，使研究者能够在蛋白质中引入自然界不存在的化学基团，为蛋白标记、结构解析、反应活性调控及新材料构建提供前所未有的可能性[1]。随着 UAAs 工具箱的不断丰富，该策略正在成为结构生物学、蛋白工程与生物药开发中的关键技术手段。

近年来，无细胞蛋白表达（Cell-Free Protein Synthesis, CFPS）体系的快速发展，使 UAAs 的位点特异性插入效率、可控性与通量能力得到显著提升，为膜蛋白、酶类蛋白及复杂复合蛋白的功能化研究打开了全新空间。

本文将重点解析：
为什么 CFPS 特别适用于 UAAs 定点插入？传统细胞体系存在哪些根本性限制？

一、传统细胞体系中 UAAs 插入的核心限制

尽管细胞体系是生物学研究的基础平台，但在 UAAs 插入方面却存在天然瓶颈：

1. 插入效率低且缺乏稳定性，部分 UAAs 在细胞内根本无法使用

在细胞内，UAAs 的摄取、转运、稳定性均受限，且竞争性底物（内源天然氨基酸）浓度高，容易导致插入效率显著下降[4]。某些化学性质敏感的 UAAs 在细胞环境中还会出现失活或被降解。

2. 宿主细胞代谢对实验条件具有严格限制

UAAs 可能对细胞具有代谢负担、细胞毒性或生长抑制效果，导致细胞无法顺利完成蛋白翻译，从根本上限制实验优化空间。

3. 对膜蛋白、毒性蛋白等难表达蛋白几乎不可行

膜蛋白折叠复杂、要求特定微环境，而插入 UAAs 会进一步增加错误折叠与失活的风险；毒性蛋白则直接威胁宿主细胞的生存，使细胞体系难以维持表达流程。

综上，细胞体系在 UAAs 插入方面难以实现可控、可重复、可扩展的实验需求。

二、无细胞体系（CFPS）在 UAAs 插入中的核心优势

随着 CFPS 技术的成熟与工程化改造能力不断增强，其在 UAAs 插入方面展现出明显结构性优势。

1. 完全开放体系，可精确调控，实现更高插入效率

CFPS 反应体系不受细胞膜与代谢网络限制，实验者可以直接调控：

UAA 浓度
工程化的 aaRS / tRNA 系统
能量与离子体系
蛋白折叠辅助因子
反应环境（pH、氧化态等）

这种高度可控性显著提高了 UAAs 的定点插入效率，并能够避免细胞体系中的转运限制和代谢降解[2][3]。

图1：无细胞蛋白表达体系示意图

2. 对蛋白毒性不敏感，天然适用于膜蛋白与难表达蛋白

CFPS 无需维持细胞生命活动，因此：

可顺利表达多跨膜蛋白
可表达具有细胞毒性的蛋白
可表达多亚基复合蛋白

这使 CFPS 成为膜蛋白 UAAs 修饰、难表达蛋白合成的重要平台。

3. 易于构建高通量体系，适合蛋白工程与药物筛选

CFPS 可在 96/384 孔板上实现数十至数百反应的并行开展，使以下任务在数小时内完成：

不同位点 UAAs 插入效率比较
蛋白结构/功能突变体筛选
光敏/交联 UAAs 的快速功能验证

高通量 UAAs 操作让CFPS 成为新材料开发、先导化合物筛选和定向进化中的关键加速工具。

图2：珀罗汀非天然氨基酸插入案例

三、总结

CFPS 技术正在从根本上改变 UAAs 插入和蛋白功能化研究的实验范式。凭借其开放、高效、可控性强以及对膜蛋白友好的特性，无细胞体系已成为 UAAs 插入的理想平台，特别适合：

跨膜蛋白定点修饰
酶活性中心精细调控
光控、化学交联等功能化研究
高通量蛋白工程筛选
复杂蛋白多位点修饰

随着无细胞系统和遗传密码扩展技术的持续融合，UAAs 将在生命科学与生物医药领域发挥更重要的作用。

参考文献

[1] Liu CC, Schultz PG. Adding new chemistries to the genetic code. Annu Rev Biochem. 2010;79:413-444..

[2] Silverman AD, Karim AS, Jewett MC. Cell-free gene expression: an expanded repertoire of applications. Nat Rev Genet. 2020;21(3):151-170.
[3] Martin RW, Des Soye BJ, Kwon YC, et al. Cell-free protein synthesis from genomically recoded bacteria enables multisite incorporation of noncanonical amino acids. Nat Commun. 2018;9(1):1203.

[4] de la Torre D, Chin JW. Reprogramming the genetic code. Nat Rev Genet. 2021;22(3):169-184.

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