体外蛋白表达技术的重点在于利用细胞裂解物中的生物合成机器（核糖体、tRNA、翻译因子）在试管中直接合成蛋白质。以大肠杆菌系统为例：首先制备含T7启动子的线性DNA模板，将其与商业化裂解物（如RocheRTS100）、能量混合物（ATP/GTP）及20种氨基酸混合，在37℃振荡反应2-4小时即可完成蛋白表达。整个过程无需细胞培养与基因转染，速度比传统方法快10倍以上。例如，COVID19刺突蛋白RBD结构域的体外表达只需6小时，而HEK293细胞系统需5天。该技术的关键优势是开放体系的可编程性——可直接添加非天然氨基酸（如Azidohomoalanine）合成定制化蛋白，为药物偶联物开发提供高效平台。大肠杆菌裂解物是经济的体外蛋白表达平台。his蛋白表达原理
体外蛋白表达（InVitroProteinExpression）是指在无完整活细胞的环境下（如试管、微孔板或芯片），利用生物提取物中的核糖体、tRNA、酶及能量系统，直接将遗传信息转化为功能蛋白质的技术。与传统细胞依赖的系统不同，该技术完全避开了细胞膜屏障和基因复制过程，只通过添加目标DNA/RNA模板及底物（氨基酸、ATP）即可启动蛋白表达。这一过程通常可在1-4小时内完成，其速度优势大幅加速了蛋白质研究进程。无细胞蛋白表达系统的重点在于重构翻译机器，例如提取大肠杆菌裂解物中的核糖体，或利用兔网织红细胞裂解物中的真核翻译因子，以实现跨物种的高效蛋白表达。蛋白表达protocol芯片级体外蛋白表达平台在个性化医疗中尤为关键，能够帮助指导靶向药物选择。
提升体外蛋白表达效能的关键技术路径包括：裂解物工程化改造： CRISPR敲除核酸酶/蛋白酶基因增强稳定性，或过表达分子伴侣（如GroEL/ES）改善折叠；能量再生系统强化： 耦合葡萄糖脱氢酶与ATP合成酶模块，实现ATP持续再生；膜蛋白表达突破： 添加脂质纳米盘（Nanodiscs）提供类膜环境，促进跨膜结构域正确折叠；高通量筛选适配： 微流控芯片实现万级反应并行运行，单次筛选规模超越传统细胞方法。这些策略共同推动该技术向 更高效率、更低成本、更广适用性 演进。
无细胞蛋白表达技术的模板可以是线性DNA（如PCR产物）或环状质粒，需包含启动子（如T7/T3/SP6）和核糖体结合位点（RBS）以启动转录翻译。为提升效率，系统可能添加分子伴侣（如DnaK/GroEL）辅助蛋白折叠，或氧化还原剂（如谷胱甘肽）促进二硫键形成。部分高级系统（如PURE体系）使用纯化重组元件替代粗提物，实现更高可控性，但成本较高。无细胞蛋白表达技术可灵活引入非天然氨基酸（nnAA），扩展了蛋白质的功能多样性。例如，通过定制tRNA和氨酰-tRNA合成酶，无细胞蛋白表达技术系统能准确将荧光标记或交联基团嵌入目标蛋白，用于结构生物学或药物偶联开发。更前沿的应用是人工生命体系的构建，如利用无细胞蛋白表达技术合成噬菌体或人工细胞雏形，结合微流控技术模拟细胞内代谢网络，为合成生物学研究提供可控的简化模型。真核型体外蛋白表达系统对毒性蛋白研究具有不可替代的价值，如凋亡相关蛋白caspase-3的可控表达。
无细胞蛋白表达技术（CFPS）虽然具有快速、灵活等优势，但仍存在一些关键缺点。首先，成本较高，商业化裂解物、能量试剂和酶的价格昂贵，小规模实验单次反应成本可达数百元，大规模生产的经济性尚未完全解决。其次，蛋白产量较低，反应通常在几小时内终止，产量（0.1-1 mg/mL）远低于细胞表达系统（如大肠杆菌可达10 mg/mL以上）。此外，复杂蛋白表达受限，原核裂解物缺乏真核翻译后修饰能力（如糖基化），而真核裂解物成本更高；部分蛋白可能因折叠不完全而丧失活性。技术操作上，反应条件（pH、离子强度等）需精细调控，且线性DNA模板易降解，增加了实验难度。CFPS目前更适合小规模应用，在超长蛋白（>100 kDa）表达和工业化连续生产方面仍面临挑战。未来需通过开发低成本试剂、优化能量再生系统和自动化工艺来突破这些瓶颈。添加0.5mM PMSF将 体外表达蛋白的降解率从45%压制至<5%。his蛋白表达原理
体外蛋白表达需使用不含质粒骨架的模板以避免副反应。his蛋白表达原理
从裂解物来源看，无细胞蛋白表达技术主要分为原核系统和真核系统。原核系统以大肠杆菌S30提取物为主，成本低、耐受性强，适合表达简单蛋白或引入非天然氨基酸，但缺乏复杂翻译后修饰能力。真核系统包括兔网织红细胞裂解物（RRL）和麦胚提取物（WGE），前者适合哺乳动物蛋白的高效表达，后者对植物和病毒蛋白更优，且能处理长链RNA，但成本较高。此外，昆虫细胞提取物系统近年也用于复杂蛋白的修饰研究。英国nuclera 高通量微流控蛋白表达筛选系统可助力支持无细胞蛋白表达技术，如想了解更多信息，欢迎咨询官方代理商上海曼博生物！his蛋白表达原理
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