今天，生物学比以往任何时候都更容易观察，但仍然难以理解。 DNA测序和合成方面的强大进步使科学家们在追求“掌握”生物学方面不断前进。但仍然存在无数挑战。
在设计生物体时，大多数实验室合成基因，将它们插入细胞中，并查看是否发生了所需的效果。这种方法有很多局限性;这个过程可能非常耗时，而且基因通常不会像预期的那样“起作用”。因此，该领域的许多人现在看到无细胞系统 - 一种研究生物学的体外工具 - 作为原型基因插入活细胞之前易于获取的方法。与生物体相比，无细胞系统具有一些关键优势，它们可以由全细胞提取物制成，也可以由单独纯化的组分制成，例如PURE系统。
与活细胞不同，无细胞系统可用于以高产率产生毒素，并且通常可以添加或去除组分而没有后果，而体内蛋白质的缺失可能杀死细胞。重要的是，一些实验室还表明，使用无细胞系统进行的测量与体内结果密切相关，这意味着它们通常可用作表征遗传部件和装置的快速原型工具。
但许多人现在才看到无细胞系统的真正含义：解决复杂生物问题的难以置信的强大方法，今天正处于实现其全部潜力的尖端。世界各地的合成生物学实验室现在利用无细胞系统生产具有非天然化学成分的蛋白质，对整个代谢途径进行原型设计，甚至在几分钟内检测出具有临床重要性的生物分子。他们刚刚开始。
蛋白质生产2.0：解开非自然化学成分
无细胞系统长期以来一直用于生产蛋白质，因为制备提取物只需要几天时间，并且可以在严格控制化学环境的同时生产有毒蛋白质。但是一些实验室正在研究天然蛋白质，而不是选择生产含有非天然氨基酸的蛋白质。
在生物体中，非天然氨基酸通常通过称为停止密码子抑制的方法掺入蛋白质中。这是将终止密码子（通常是UAG）重新编码到另一个密码子并去除其相关机器的地方。以这种方式，可以表达识别UAG的正交tRNA，但是代替信号翻译停止，它代替了非天然氨基酸。使用这种方法已将超过100种非天然氨基酸掺入蛋白质中。
清华大学化学工程助理教授袁璐旨在利用无细胞系统而不是生物体来构建非天然蛋白质。 “与活细胞相比......无细胞系统对非天然成分引起的毒性具有更高的耐受性，没有细胞膜屏障限制非天然氨基酸的运输，通过自由调节系统组成更灵活的反应控制，以及更高的掺入效率非天然氨基酸，“他说。
由于无细胞系统改善和扩展了可以组装的蛋白质的多样性，清华大学的Lu小组旨在将它们应用于人类健康和生物催化的广泛应用。
虽然合成生物学家正在采用无细胞系统来生产用非天然氨基酸修饰的蛋白质，但其他人正急切地应用新发现的功能同时探测数十种相互作用的蛋白质。
超越蛋白质生产：用于通路原型的无细胞系统
Ashty Karim认为无细胞系统不仅仅是独立遗传部分的原型工具。他将它们设想为测试整个代谢途径的工具。作为研究员和西北大学Michael Jewett教授实验室的助理科学主任，他了解到代谢工程师通常希望将现成的分子转化为高价值的产品，但在体内反复检测代谢途径是不利的。 -consuming。
Ashty KarimAshty Karim，西北大学Michael Jewett教授的研究员和助理科学主任。
为了规避这一艰难的过程，Karim开创了使用改良无细胞系统进行高通量途径原型制作的方法。
“我们的体外原型分析方法利用粗大肠杆菌裂解物，其中基因组DNA和细胞碎片被去除，留下代谢酶和转录和翻译机制。我们的想法是，我们可以通过这些裂解物的模块组装来构建离散的酶途径，所述裂解物含有通过无细胞蛋白质合成而不是通过生物体产生的酶。这样可以将构建通路的总时间从几周甚至几个月减少到几天，“Karim说。
通过创建许多细胞提取物，每个细胞提取物具有表达的单个途径，Karim基本上将无细胞系统制成模块化系统，其可用于在体外组装任何所需途径。这种巧妙的方法，加上自动化和机器学习，可以大大加快科学家测试代谢途径组合的方式。尽管如此，Karim很快意识到我们将无细胞系统的结果应用于生物体的能力存在根本性的限制。
“我们能够在无细胞环境中快速建立通路的目标之一是使用生成的数据来通知细胞设计，”Karim说。 “在我们最近的工作中，我们正在尝试开发无细胞到细胞的相关性，这将允许我们在无细胞系统中测试数百到数千种途径组合 - 不同的酶同源物和浓度，然后向下选择一小部分在细胞中进行测试。“
Karim的方法所带来的丰富数据甚至可以超越代谢途径;它也可用于创建临床生物传感的无细胞系统。
传感器按需
细胞不断地感知它们的环境，响应信号并仔细地响应它们的反应。很自然地，可以利用生物学的出色响应性和可编程性来感知人类临床重要性的分子。无细胞系统使这成为可能。
Paul Freemont是伦敦帝国理工学院的医学教授，也是帝国合成生物学中心的联合创始人，他开创了用于生物传感应用的无细胞系统，旨在开发能够在几分钟而不是几小时内准确诊断疾病的测试。
“我们的生物传感器工作专注于应用无细胞系统来设计遗传编码的生物传感器，用于测量临床相关样本中的生物标记物。虽然许多生物传感器设计已经在实验室中发挥作用，但很少有人真正在真实的临床样本上进行测试，“他说。 “我们选择的样本是来自囊性纤维化患者的痰，我们的生物标志物目标是来自铜绿假单胞菌的群体感应分子，”Freemont解释说。 “令我们惊讶的是，我们谦逊且非常便宜的无细胞生物传感器产生[绿色荧光蛋白]输出，与同一样本的黄金标准[诊断方法]显着相关。”
该团队不仅设法创建一种简单，无细胞的测定特定生物分子的方法，该方法现在提供了一种快速，便携式定量生物标记物的方法。
“在某些情况下，无细胞系统优于生命系统[作为生物传感器]的原因是因为这些分析方法便宜，快速，定量，可自动扩展，并且可重复。他们还为生物传感提供了优势，因为它们可以冷冻干燥到纸张等表面，而不是转基因生物，因此更适合在临床环境和野外使用，“Freemont说。
在未来几年，我们可能会看到无细胞系统在临床环境中越来越多地使用，特别是在需要快速初步测试的情况下。但是，虽然世界各地的实验室已经在积极探索非自然化学，途径原型制作和按需生物传感，但5年或10年内无细胞系统将被用于什么？
更遥远的无细胞未来
从物理学到电气工程和数学的各种学科的融合，使合成生物学变得伟大。同样也是不同学科的解释无细胞系统的全部潜力的方法。
例如，袁璐设想无细胞系统将用于生物学以外的领域。 “为了实现这一目标，无细胞系统不能只关注生物转录和翻译，”他说。 “为实现突破性发展，无细胞系统需要与材料科学，神经科学，电子工程，3D打印，人工智能和其他下一代技术高度集成。”
Ashty Karim认为无细胞系统将越来越多地用于“直接使用”应用。 “我们将开始将无细胞传感器视为农业，国防和医药的诊断，我们将看到按需生物制造治疗，疫苗和商品，”他说，并强调通过提取物的改进可以实现这些进步。制备和无细胞混合物，例如“可以使蛋白质糖基化的无细胞系统和含有正交转录因子的无细胞系统”。
也许最无野性的无细胞系统应用，例如Build-a-Cell联盟，旨在从头开始构建一个最小的合成细胞。据该联盟成员保罗弗里蒙特称，这项努力并非如此简单，但无细胞系统将促进这一努力。 “如果我们构建一系列模拟生物系统[无细胞系统]的各个方面的模块，如运动性，传感和调节，那么真正的挑战将是如何将这些不同的模块连接起来以产生更复杂的合成细胞， “ 他说。
无细胞系统正在迅速扩大合成生物学的潜力，引领一系列尚未在生物体中实现的强大应用。因此，当科学家分裂细胞以扩展遗传密码，探测途径和检测生物标记时，其他人应该密切注意;无细胞系统可以解锁生物学。
在旧金山举行的SynBioBeta 2019年10月1日至3日，了解从无需细胞的DNA到蛋白质的技术，以及无细胞生物学将如何影响生物制药，食品和饮料等行业。
——文章发布于2019年4月30日
