天然催化劑——酶，對于維持生命活動至關(guān)重要， 比如參與DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。因其具備高效性、專一性和環(huán)境友好等優(yōu)勢，也被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、能源、環(huán)保等多個領(lǐng)域。但是，天然酶的性質(zhì)往往難以直接滿足工業(yè)應(yīng)用需求，因此，酶工程應(yīng)運(yùn)而生，旨在通過修飾、優(yōu)化或設(shè)計酶來提升其在各種應(yīng)用中的性能。

圖1：主要的酶工程策略

然而，盡管酶工程前景廣闊，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)和瓶頸，比如：

1.體外表達(dá)和純化難：由于細(xì)胞膜的存在、內(nèi)部代謝的復(fù)雜性、反應(yīng)條件難以精確控制以及可能的代謝產(chǎn)物毒性，許多需要進(jìn)行工程改造的酶在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)效率低下，且純化過程困難。

2.大規(guī)模文庫篩選效率低：定向進(jìn)化需要從龐大的突變體庫中篩選出具有特定改良性能的酶，傳統(tǒng)的篩選方法無法高效的從龐大的遺傳多樣性庫中識別出最合適的變異；

3.預(yù)測性設(shè)計能力有限：由于蛋白質(zhì)序列-功能關(guān)系的復(fù)雜性，精確預(yù)測突變對酶性能的影響仍然具有挑戰(zhàn)性。

無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)（CFPS）的出現(xiàn)，為酶工程領(lǐng)域提供了全新的解決方案，重塑了酶工程的研究范式和應(yīng)用前景。該技術(shù)打破了細(xì)胞的“束縛"，無需維持細(xì)胞活力，大大提高了酶制備的靈活性和效率，從而規(guī)避了上述傳統(tǒng)表達(dá)系統(tǒng)的諸多限制。

CFPS技術(shù)并非簡單地將細(xì)胞裂解后提取蛋白，而是一種高度可控、模塊化、開放式的體外生物合成平臺。它通過保留細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄與翻譯的核心機(jī)器（如核糖體、tRNA、能量再生系統(tǒng)等），在試管或微孔板中直接利用DNA模板合成目標(biāo)蛋白。由于無需維持細(xì)胞活性，CFPS擺脫了生命系統(tǒng)的諸多約束，為酶的設(shè)計、篩選與優(yōu)化提供了未有的自由度。其優(yōu)勢包括：

1.開放反應(yīng)體系；2.操作簡便靈活；3.表達(dá)快速高效易純化；4.可與自動化設(shè)備結(jié)合等。

圖2：無細(xì)胞酶工程示意圖

• 高通量篩選與定向進(jìn)化

• 毒性酶的高效表達(dá)

傳統(tǒng)酶工程中，毒性酶的表達(dá)是一大難題，因?yàn)檫@些酶會對宿主細(xì)胞產(chǎn)生毒性甚至致死效應(yīng)，導(dǎo)致無法獲得足夠產(chǎn)量。CFPS技術(shù)因無完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)，可安全表達(dá)此類“危險"蛋白。

• 加速酶設(shè)計與優(yōu)化

• 非天然酶設(shè)計

• 多酶級聯(lián)反應(yīng)的構(gòu)建

CFPS技術(shù)通過縮短反應(yīng)時間和加速代謝途徑優(yōu)化，可以很容易地擴(kuò)展為無細(xì)胞代謝工程（CFME）的多路復(fù)用形式。與體內(nèi)系統(tǒng)相比，CFME具有反應(yīng)速率更快、對底物和產(chǎn)物耐受性更高以及易于分離產(chǎn)物的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)允許科研人員構(gòu)建多酶級聯(lián)反應(yīng)，將各種酶通過物理或功能連接聚集在一起，形成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，合成高附加值生物產(chǎn)品。

（相關(guān)文章鏈接：助力合成生物學(xué)創(chuàng)新|無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)在酶促過程中的應(yīng)用）

圖3：采用純化酶(a)或細(xì)胞提取物(b)進(jìn)行的無細(xì)胞代謝工程

酶工程是連接基礎(chǔ)生物學(xué)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的橋梁，而無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)正在重塑酶工程的研究范式，其開放性、靈活性和高效性為解決傳統(tǒng)酶工程面臨的挑戰(zhàn)提供了全新解決方案。從難表達(dá)酶的高效合成，到翻譯后修飾的精準(zhǔn)調(diào)控，再到代謝途徑的理性設(shè)計和非天然酶的功能拓展，這項(xiàng)技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

未來，CFPS有望與AI驅(qū)動的酶設(shè)計、自動化機(jī)器人平臺深度融合，構(gòu)建“設(shè)計—合成—測試—學(xué)習(xí)"（Design-Build-Test-Learn）閉環(huán)，極大加速新型工業(yè)酶的開發(fā)進(jìn)程。隨著技術(shù)的不斷成熟，CFPS技術(shù)有望在以下領(lǐng)域發(fā)揮更大作用：

CFPS技術(shù)或?qū)⒅厮苷麄€生物制造生態(tài)，推動生物制造、醫(yī)藥開發(fā)、環(huán)境治理等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。未來，我們有理由期待這一技術(shù)為綠色生物制造和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量，開啟酶工程研究的新篇章。

珀羅汀生物作為一家專業(yè)的無細(xì)胞蛋白表達(dá)生物技術(shù)公司，已依托自主研發(fā)的 CFPS 技術(shù)平臺，搭建起高通量自動化蛋白表達(dá)工作站，可高效完成難表達(dá)酶、膜蛋白等的快速合成，助力酶開發(fā)、藥物靶點(diǎn)研究等場景的效率升級。