https://www.nature.com/articles/d41586-026-03136-6 迈克尔·朱厄特有时会发现自己与生物学相悖。 作为一名利用合成生物学研究改善人类和地球健康的生物工程师，朱厄特需要微生物来制造特定的化合物或执行他提供的遗传指令。但这些细胞进化是为了确保自身的生存和繁殖，它们有其他的优先事项。例如，微生物可能会使朱厄特插入其基因组的外源DNA片段（即转基因）失活。或者，它们可能会将细胞资源用于满足自身需求，而不是用于朱厄特的研究目标。 于是，他改变了策略。“与其纠结于细胞自身的需求和我们工程师想要实现的目标之间的拉锯战，不如干脆斩断这根绳索，”在加州斯坦福大学工作的朱厄特说道。“我们剥离细胞壁，收集细胞内部物质，然后利用这些物质作为分子工厂来完成生物学过程。” 这并非什么新概念：基于无细胞蛋白表达的系统早在20世纪60年代就帮助研究人员破译了遗传密码。但这项技术仍在不断发展。“我会把它描述为一种非常热门的趋势，”生物物理学家文森特·诺瓦罗说道，他在明尼阿波利斯明尼苏达大学的团队开发了自己的系统。 尽管组成成分各不相同，但无细胞蛋白表达系统通常包含将DNA转录成信使RNA并将其翻译成蛋白质所需的所有机制。这些系统可以基于细菌或真核细胞裂解液，也可以由纯化的组分组装而成。后一种技术被称为重组元件蛋白合成技术（Protein Synthesis Using Recombinant Elements，简称PURE）。 利用这些方法，蛋白质设计者无需改造和培养细胞即可筛选成百上千种方案。马萨诸塞州波士顿大学的合成生物学家威尔逊·王表示，这可以将设计-构建-测试-学习的周期从几天或几周缩短到几小时。科学家们可以制造出对活细胞有毒或会被细胞酶分解或改变的物质。一些研究人员正在开发冻干制剂，用于按需合成生物药物（例如疫苗），或作为便携式测试盒用于水质检测、即时诊断和其他用途。与此同时，合成生物学家正在探索PURE系统，将其作为人工细胞的起点。 无细胞系统具有速度快、可定制性和便捷性等优点，但成本也很高。运行升规模无细胞系统所需的试剂可能超过4000美元，而且大多数研究报告的蛋白质产量不足2克，这使得这些系统的成本比基于细胞的蛋白质合成系统高出一个数量级。为了降低高通量筛选的成本，一些研究人员选择在亚微升级规模下进行研究。 生物工程师可以通过不断移除产物并添加新鲜培养基来培养细菌或酵母，从而持续合成所需产物，而无细胞系统则会迅速耗尽能量。“无论你想做什么，都必须在几个小时内完成，”黄说。 对于无细胞传感器而言，这并非难题，它们只需在几十分钟内检测目标分子并产生可测量的信号。“大自然早已进化出所有这些传感器，”朱厄特的合作者、伊利诺伊州埃文斯顿西北大学合成生物学中心联合主任朱利叶斯·卢克斯说道。这是因为细胞通常需要识别并响应金属、抗生素和其他小分子。尽管科学家可以将细胞用作活体生物传感器，但挑战依然巨大。细胞必须保持活性，目标分子必须能够穿过细胞壁和细胞膜。此外，研究人员还面临着将转基因生物释放到环境中的风险。 无细胞技术意味着拉克斯无需使用活体生物即可构建一个最小化的生物系统。2020年，他的团队描述了一种名为ROSALIND的化学成分明确的系统，该系统利用DNA结合转录因子作为传感器。这些转录因子会阻断RNA合成，直到它们遇到特定的污染物或目标分子¹。一旦遇到目标分子，蛋白质就会从DNA上脱落，基因被转录，从而产生信号。作为原理验证，该团队成功测试了冻干的ROSALIND系统，并检测到了从2018年加州山火污染的市政供水系统中采集的样本中的铜和锌。 但当应用于快速迭代的蛋白质工程时，无细胞合成技术的优势就更加显著，尤其是在机器学习指导下的设计方面。Lucks、Jewett及其同事利用这种方法对另一种基于转录因子的生物传感器进行了微调——这次是为了检测铅²。铅是一种棘手的污染物，因为许多能够识别铅的传感器也能识别锌，而锌通常被认为无害。为了构建一种铅选择性传感器，研究团队将一系列能够检测铅的突变蛋白的数据输入到机器学习模型中，并利用结果设计下一组突变体，然后在无细胞系统中进行测试。经过几轮迭代，研究团队成功构建了一种能够检测低至5.7ppb铅浓度的传感器。 为了测试这些传感器，朱厄特的团队培养了实验室细菌大肠杆菌，裂解细胞，并将其内容物用作蛋白质表达培养基。新英格兰生物实验室（NEB）位于马萨诸塞州伊普斯维奇，其生产科学家艾米丽·陈表示，与PURE系统相比，这种“裂解液”通常能以更低的成本提供更高的产量，使其成为蛋白质生产的理想选择。例如，这家生物技术公司的NEBExpress蛋白质合成系统就是基于大肠杆菌裂解液的。 陈表示，购买细胞裂解液可能很划算，尤其对于那些缺乏细胞蛋白生产所需全部设备的初创公司和实验室而言。其他商业化的大肠杆菌系统包括：Noireaux 公司的 myTXTL（由位于密歇根州安娜堡的 Daicel Arbor Biosciences 公司销售）；位于波士顿的 Ginkgo Bioworks 公司的 CFPS 试剂盒；以及位于新泽西州皮斯卡塔韦的 GenScript 公司的 CFXpress 系统。一些供应商还提供可以提高难表达化合物产量的配方。例如，Gingko 试剂业务部总经理 Cynthia Collins 表示，Gingko 的 CFPS Premium 试剂盒包含一种增溶剂，适用于体积特别大、不溶或需要额外折叠辅助的蛋白质。 预计会消耗大量细胞裂解液的研究人员可以通过自行配制裂解液来节省成本并定制试剂，但Noireaux建议，初次接触无细胞蛋白表达系统的科学家最好先从标准化的商业产品入手。无论是自制还是商业的裂解液，都必须添加葡萄糖和核苷酸等成分。Jewett表示，这些试剂有助于模拟细胞环境，为蛋白质翻译提供能量和原材料，并提高生产效率。他的实验室通过确定哪些试剂对整个过程至关重要，找到了降低成本的方法。研究人员使用实验室自制的裂解液测试了1231种配方，最终将配方优化至仅需12种试剂。这使得成本降低了95%，每克蛋白质的生产成本低于100美元³。 使用其他细胞类型制备的裂解液也可用。这些裂解液具有一些优势，例如能够对蛋白质进行翻译后修饰，包括添加糖类或泛素分子，而现成的细菌系统则无法做到这一点。过去，研究人员经常使用从贫血兔身上获得的未成熟红细胞（网织红细胞）裂解液。但这种模型引发了动物伦理和科学方面的担忧。伯尔尼的独立研究员兼讲师埃文·卡鲁西斯警告说，网织红细胞的翻译过程非常独特。不同寻常的是，网织红细胞不需要mRNA“帽”来保护mRNA并促进翻译；它们在非经典位点启动翻译；并且它们拥有能够降解RNA转录本的酶。卡鲁西斯发现，他正在研究的兔网织红细胞裂解液采用了一种非标准的RNA降解方法，因此不得不停止一项为期三年的研究项目⁴。 Karousis建议，研究翻译过程的研究人员，与其仅仅关注蛋白质的合成，不如寻找一种与他们研究的生物学过程密切相关的细胞裂解系统。为此，他之前在伯尔尼大学领导的研究小组开发了从多种人类细胞系中制备细胞裂解液的技术。他们利用源自宫颈癌（HeLa）、胚胎肾（HEK-293）以及神经母细胞瘤（SH-SY5Y）和骨肉瘤（U2OS）等癌症的细胞，构建了无细胞翻译系统。他表示，其中，来自能够贴壁培养的HeLa细胞的裂解液提供了最高效的翻译。 植物也提供了便捷的无细胞系统——德国施特劳宾慕尼黑工业大学的合成生物学家亨里克·尼德霍尔特迈尔表示，来自植物光合作用捕获光能的细胞器（叶绿体）的裂解液尤其有用。这是因为植物生物工程师有时更倾向于在叶绿体而非细胞核中表达转基因。核DNA修饰会导致转基因沉默或其表达不可预测。生物安全也是一个需要考虑的问题，因为核DNA会随花粉传播。使用工程改造的叶绿体可以避免这些问题。 1 个帖子 - 1 位参与者 阅读完整话题

  • 情报分类：技术学习与提效
  • 分类依据：内容涉及技术、AI、软件工具或工程实践
  • 信息来源：服务器 / LINUX DO - 最新话题
  • 发布时间：2026/10/7 20:38:35