前沿生物医药技术漫谈

寒潮连绵总让人念起那一炉砂锅煲，汤味醇厚，暖心暖胃，满满的冬日慰籍。砂锅的鲜美来自食材中蛋白质分解成氨基酸，那你可曾想过能否将氨基酸再反向“煲”成蛋白质呢？今天，我们来介绍一下在蛋白质合成领域的颠覆性“煲汤”技术——无细胞蛋白质合成(Cell-free protein synthesis，CFPS)。

一、蛋白质的合成过程

科学家认为：生命起源于“原始汤（Primordial Soup）”。在远古地球的海底热液口附近，氨基酸等小分子组装成最早的大分子蛋白质，为生命提供了物质基础。而生命体也逐步演化出复杂的合成系统，可以在细胞中将氨基酸连接组装成所需蛋白质。

细胞内部有分工明确的蛋白质合成团队，包括信使RNA（Message RNA，mRNA）、氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl-tRNA Synthetase, AARS)、核糖体（Ribosome）、分子伴侣（Molecular Chaperones）、折叠酶 (Foldases)、三磷酸腺苷（ATP）、鸟苷三磷酸（GTP)、以及延伸因子、转录起始因子和辅助酶等。在合成蛋白质时，团队成员各司其职。如mRNA负责转录DNA里的编码信息，作为蛋白质的合成模板；AARS负责将氨基酸搬运到转运RNA（tRNA)上；核糖体在因子指挥下包裹到mRNA上，读取来自基因的碱基序列，并按照密码子配对的原则，将tRNA携带的特定氨基酸连接成肽链。分子伴侣和折叠酶则帮助肽链折叠成正确的蛋白质构象。

二、药用蛋白质的生产

蛋白类大分子药物已经成为最重要的创新药类别。主要通过活细胞表达法来生产药用蛋白质。为此，先要把细胞改造，利用基因重组或编辑技术把表达药用蛋白的基因序列插入细胞或细胞的DNA中，获得“种子细胞”。“种子细胞”在适当的培养基、温度、氧气浓度和pH值条件下，会迅速复制，同时表达出目标蛋白。

但是由于活细胞的“精力”大部分用于自身的扩增，使得目标蛋白的表达量受限，而且存在易退化、易被污染、生产周期长、成本高等限制因素。此外，一些特殊蛋白，如人血红蛋白和毒性蛋白，由于会抑制细胞的生长，并不适用该技术。那能否象“太古地球”时一样，不依赖活细胞，而由氨基酸直接生成蛋白质呢？

三、CFPS技术原理

上世纪五十年代，科学家研究基因的作用机理时，发现可以使用大肠杆菌提取物生成特定的肽链，后又发现可以用兔织网膜红细胞、小鼠肝细胞裂解物、小麦胚芽裂解物、酿酒酵母裂解物等细胞提取物在体外翻译mRNA。这表明蛋白质的合成不仅可以在“原始汤”中文火慢炖，更能用“高汤锅底”实现快速“烹饪”。于是，无细胞蛋白质合成技术CFPS应运而生。

在CFPS技术中，好“锅底”至关重要。“锅底”主要成分是上文所述的AARS、核糖体、延伸因子、转录起始因子、分子伴侣和折叠酶等，可以由细菌（如大肠杆菌、酵母菌）、哺乳动物细胞、昆虫细胞或植物细胞（如胚芽）等制备。生产时，将细胞培养到一定数量，然后裂解，去除细胞碎片和DNA，再经分离和纯化就能提取精制“锅底”。使用时，在专用反应器中加入“锅底”，以及氨基酸、能量底物、辅因子和核苷酸等配料，再放入DNA模板，就能自动激活，启动蛋白质合成。

四、技术特点

无细胞蛋白质合成技术将活细胞培养和蛋白质合成过程分离，能够克服活细胞表达蛋白法的局限性。

1、把生命过程简化为生化反应，生产能力提升。例如，来自酵母菌系统的培养体积可达50000L以上，是现有活细胞表达蛋白法最大体积的5倍，规模优势明显。

2、不受细胞约束，可合成蛋白种类增加。由于是在体外环境中进行蛋白质的转录和翻译，可以制备对宿主细胞有毒性的蛋白，尤其是经AI人工智能设计的全新分子，从而开发更有效的治疗药物，如抗体偶联药物ADC。

3、原料通用性提升，生产切换更灵活。传统技术生产不同药用蛋白需要切换生产用细胞种子，可能涉及上下游工艺参数大幅改变。而无细胞蛋白合成技术，可以用相同的“锅底”搭配不同的DNA模板，实现多品种迅速切换。

五、展望

目前，无细胞蛋白质合成技术研究进入快速发展期，CFPS试剂盒在新药研发领域已得到广泛使用，而且可以与AI驱动的蛋白质药物设计深度融合，快速实现从序列设计到样品试制，加速新型药物的开发进程。生产规模的CFPS技术也得到了突破。我们有理由期待这项颠覆性的“煲汤”技术为满足人民健康需求做出贡献。