在生物技術(shù)的廣闊領(lǐng)域中，無(wú)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)正逐漸嶄露頭角，成為推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的重要平臺(tái)。它不受限于活細(xì)胞環(huán)境的復(fù)雜性，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、可控的生物化學(xué)反應(yīng)，從而極大地促進(jìn)了新藥物、新材料的研發(fā)進(jìn)程。

今天小編和大家分享一篇發(fā)表于Life-basel上的一篇名為“Biotechnology Applications of Cell-Free Expression Systems"的文獻(xiàn)。該篇文獻(xiàn)綜述了無(wú)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)（CFES）在生物技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，并且特別關(guān)注了無(wú)細(xì)胞蛋白合成（CFPS）的新興應(yīng)用。此外，本文還探討了機(jī)器學(xué)習(xí)在優(yōu)化CFPS中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)上，體內(nèi)表達(dá)平臺(tái)被用來(lái)合成新的與工業(yè)相關(guān)的蛋白質(zhì)，并作為基因回路和生物傳感器等許多生物技術(shù)原型的測(cè)試臺(tái)，但它們受到生長(zhǎng)周期的時(shí)間限制、穩(wěn)態(tài)考慮因素和生產(chǎn)適應(yīng)性有限的阻礙。相反，無(wú)細(xì)胞平臺(tái)不受支持生命的約束的阻礙，相比傳統(tǒng)的體內(nèi)系統(tǒng)，無(wú)細(xì)胞平臺(tái)不受生命維持條件限制，展現(xiàn)出更高的適應(yīng)性和靈活性，適用于多種生產(chǎn)和檢測(cè)場(chǎng)景，因此高度適應(yīng)廣泛的生產(chǎn)和測(cè)試計(jì)劃。未來(lái)十年，無(wú)細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用預(yù)計(jì)將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，特別是在無(wú)細(xì)胞蛋白合成方面，將深入探索其在代謝工程、原型設(shè)計(jì)及生物制造中的應(yīng)用，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)以優(yōu)化這些過(guò)程。簡(jiǎn)言之，無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)正革新生物技術(shù)領(lǐng)域，成為解決現(xiàn)有技術(shù)局限性的有力工具。

代謝工程是操縱細(xì)胞的遺傳和分子過(guò)程，以獲得對(duì)生物功能的洞察力和控制，如酶通路、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)。自該領(lǐng)域成立以來(lái)，一直是利用無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行研究。通過(guò)無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)，研究者可以快速原型化新的代謝途徑，評(píng)估不同代謝酶的性能，優(yōu)化代謝途徑。CFME在無(wú)需活細(xì)胞支持的情況下，可以方便地調(diào)整代謝條件，模擬不同的環(huán)境條件，為代謝工程研究提供強(qiáng)有力的支持。最近，無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)代謝工程的新進(jìn)展促進(jìn)了裂解物的進(jìn)一步優(yōu)化和對(duì)酶通路的更大控制。西北大學(xué)的Jewett實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)證明了酶在裂解之前的過(guò)度表達(dá)，以及隨后在單個(gè)裂解物中過(guò)度表達(dá)的酶的混合。開(kāi)放式操作允許在基于裂解液的無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中進(jìn)行更大程度的定制，允許更廣泛的表達(dá)范圍，并能夠通過(guò)CFPS控制整個(gè)通路。此外，無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)表現(xiàn)出的擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、控制反應(yīng)因子和通過(guò)代謝調(diào)控產(chǎn)生各種目標(biāo)蛋白的能力，表明CFPS和CFME比細(xì)胞系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。

原型設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，其中測(cè)試了一個(gè)新的想法、工具或系統(tǒng)。在為大規(guī)模生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化生物和生化系統(tǒng)之前，這些系統(tǒng)必須首先在原型階段得到驗(yàn)證。無(wú)細(xì)胞表達(dá)技術(shù)為生物技術(shù)原型制作提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，可以快速合成和測(cè)試基因電路、生物傳感器等復(fù)雜生物系統(tǒng)，評(píng)估其性能，加快研發(fā)速度。其在原型空間中具有重要優(yōu)勢(shì)，比如：

生物制造是通過(guò)生物、生化和化學(xué)合成平臺(tái)生產(chǎn)具有商業(yè)價(jià)值的化學(xué)品和材料的過(guò)程。生物制造行業(yè)價(jià)值的預(yù)計(jì)增長(zhǎng)是向無(wú)細(xì)胞生產(chǎn)平臺(tái)過(guò)渡。與目前用于生物制造的基于細(xì)胞的系統(tǒng)相比，無(wú)細(xì)胞平臺(tái)具有許多優(yōu)勢(shì)，比如不受生物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的限制、可操作性更強(qiáng)、生產(chǎn)周期短、效率高等。這些優(yōu)勢(shì)表明，無(wú)細(xì)胞生物制造平臺(tái)代表了向生產(chǎn)藥品、食品和其他工業(yè)相關(guān)生物分子的更高效和更具成本效益的方向進(jìn)步。

• 生產(chǎn)單克隆抗體：無(wú)細(xì)胞平臺(tái)能夠快速、高效地生產(chǎn)單克隆抗體，克服傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)方法的局限，如周期長(zhǎng)、資源消耗大等問(wèn)題。

• 生產(chǎn)抗菌肽和疫苗：無(wú)細(xì)胞平臺(tái)可以有效生產(chǎn)抗菌肽和疫苗等生物活性物質(zhì)。

• 小分子和膜蛋白：無(wú)細(xì)胞平臺(tái)可以表達(dá)難表達(dá)的蛋白包括小分子藥物和膜蛋白。

• 按需生產(chǎn)：無(wú)細(xì)胞平臺(tái)非常適合小批量和定制化的生物分子生產(chǎn)，能夠滿足特殊用途和個(gè)體化醫(yī)療的需求。

  
  

無(wú)細(xì)胞平臺(tái)能夠模擬自然條件下的生物合成過(guò)程，高效生產(chǎn)天然食品成分，如營(yíng)養(yǎng)素、功能性食品原料等，滿足市場(chǎng)對(duì)健康食品的需求。其優(yōu)點(diǎn)允許生產(chǎn)比基于細(xì)胞的系統(tǒng)更大的潛在成分，包括益生菌、益生元、蛋白質(zhì)、氨基酸、膳食纖維和維生素，并將降低生產(chǎn)這些成分或從天然來(lái)源中提取它們的成本和時(shí)間。

除了制藥和食品行業(yè)，化妝品和工業(yè)生物分子生產(chǎn)等其他行業(yè)也可以從無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中受益。膠原蛋白及其衍生物在CFPS實(shí)驗(yàn)中得到了很好的記錄，無(wú)細(xì)胞平臺(tái)可以優(yōu)化生產(chǎn)用于化妝品應(yīng)用的膠原蛋白。

機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）是一種人工智能，它使用數(shù)據(jù)分析來(lái)改進(jìn)各種不同應(yīng)用程序的建模方法。較常用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、集合學(xué)習(xí)、多變量統(tǒng)計(jì)分析和高斯過(guò)程。由機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化的CFPS系統(tǒng)的第一個(gè)例子是與高通量實(shí)驗(yàn)耦合的機(jī)器人工作站。這種方法對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)化設(shè)計(jì)（Evo-DOE），是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該算法預(yù)測(cè)下一輪實(shí)驗(yàn)以改善適應(yīng)性功能。另外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合自動(dòng)化工作站和高通量實(shí)驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)下一輪實(shí)驗(yàn)的方向，從而提升蛋白質(zhì)產(chǎn)量并改進(jìn)系統(tǒng)的其他輸出。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化能量緩沖液中的組分濃度，可以顯著提高熒光報(bào)告蛋白的產(chǎn)量，并降低無(wú)細(xì)胞反應(yīng)的成本。此外，它還能夠在短時(shí)間內(nèi)探索龐大的實(shí)驗(yàn)空間，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯著優(yōu)化。總之，無(wú)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)正在走向工作流程標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化，通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從而支持高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2：涉及機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)周期

無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的高效、靈活與低成本特點(diǎn)使其在生物系統(tǒng)工程中的地位日益突出。通過(guò)這一系統(tǒng)，研究人員能深入洞察和控制生物分子過(guò)程，實(shí)時(shí)觀察并調(diào)整反應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的生物傳感和制造。同時(shí)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)量和原型設(shè)計(jì)效率得以顯著提升。展望未來(lái)，無(wú)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)在醫(yī)藥、生物制造等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，有望成為生物技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方向。

參考文獻(xiàn)：

Brookwell, A., Oza, J. P., & Caschera, F. (2021). Biotechnology Applications of Cell-Free Expression Systems. Life (Basel, Switzerland), 11(12), 1367.