無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)（CFPS）根據(jù)反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)可分為分批式（Batch）、雙層式（Bilayer）和連續(xù)交換式（CECF）三種主要形式。分批式是Zui基礎(chǔ)的形式，反應(yīng)在單一試管中進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單但受限于底物耗盡和副產(chǎn)物積累，表達(dá)時(shí)間通常只4小時(shí)，適合小規(guī)模篩選（如Promega的試劑盒）。雙層式通過(guò)密度差異將反應(yīng)液與緩沖液分層，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至8-20小時(shí)，日本CFS公司的產(chǎn)品采用此設(shè)計(jì)。連續(xù)交換式（CECF）通過(guò)半透膜連接反應(yīng)室與供應(yīng)室，持續(xù)補(bǔ)充底物并移除副產(chǎn)物，可將反應(yīng)延長(zhǎng)至24小時(shí)，產(chǎn)量明顯提高（如德國(guó)RTS系統(tǒng)的1mL及以上規(guī)模產(chǎn)品）大腸桿菌裂解物是??同位素標(biāo)記蛋白表達(dá)??的首要方案，因快速反應(yīng)能zai大化標(biāo)記原子利用率。功能蛋白表達(dá)條件篩選

從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)還面臨多重障礙。規(guī)模化生產(chǎn)時(shí)，反應(yīng)體系的均一性和重復(fù)性難以保證，且大規(guī)模制備高活性裂解物的成本效益比仍需優(yōu)化。在下游純化環(huán)節(jié)，由于反應(yīng)混合物中含有大量核酸、酶和其他細(xì)胞組分，目標(biāo)蛋白的分離純化步驟比傳統(tǒng)方法更復(fù)雜。此外，目前大多數(shù)CFPS工藝仍處于分批反應(yīng)模式，連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)滯后，限制了其在工業(yè)流水線中的應(yīng)用潛力。盡管存在這些挑戰(zhàn)，隨著微流控技術(shù)、人工智能優(yōu)化反應(yīng)條件等新方法的引入，CFPS技術(shù)正在逐步突破這些產(chǎn)業(yè)化瓶頸。毒性蛋白表達(dá)發(fā)展前景無(wú)細(xì)胞體系的開(kāi)放性??允許直接添加非天然氨基酸，擴(kuò)展了??體外表達(dá)蛋白??的化學(xué)多樣性。

體外蛋白表達(dá)系統(tǒng)的hexin在于重構(gòu)細(xì)胞質(zhì)環(huán)境中的核糖體翻譯機(jī)器。該過(guò)程起始于mRNA5'端與核糖體小亞基的結(jié)合，由起始因子（如原核IF1/2/3或真核eIF4F復(fù)合物）介導(dǎo)形成翻譯起始復(fù)合物。肽鏈延伸階段依賴(lài)延伸因子EF-Tu準(zhǔn)確運(yùn)送氨酰tRNA至A位點(diǎn)，并通過(guò)其GTP水解活性確保密碼子-反密碼子配對(duì)的保真度。體外蛋白表達(dá)的高效率源于反應(yīng)底物濃度的可調(diào)控性—在去除了細(xì)胞膜屏障的無(wú)細(xì)胞環(huán)境中，ATP濃度可提升至生理水平的5-8倍（4-6mM），使核糖體延伸速率高達(dá)21個(gè)氨基酸/秒。同時(shí)，磷酸肌酸（PCr）-肌酸激酶（CK）組成的能量再生系統(tǒng)持續(xù)將ADP還原為ATP，維持反應(yīng)體系48小時(shí)以上的持續(xù)活性，大幅提升了目標(biāo)產(chǎn)物的積累效率。

在無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)（CFPS）領(lǐng)域，Thermo Fisher Scientific和Merck KGaA等生命科學(xué)巨頭占據(jù)主導(dǎo)地位，它們提供標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)化試劑盒（如Thermo的PURExpress®和Merck的RTS 100系統(tǒng)），覆蓋科研到工業(yè)級(jí)需求。這些企業(yè)通過(guò)成熟的供應(yīng)鏈和全球分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)，為制藥、診斷客戶提供一站式解決方案。此外，Takara Bio（寶生物工程）憑借其高效真核裂解物技術(shù)，在復(fù)雜蛋白表達(dá)（如糖基化抗體）細(xì)分市場(chǎng)表現(xiàn)突出。這些綜合服務(wù)商正通過(guò)收購(gòu)創(chuàng)新企業(yè)（如Thermo收購(gòu)CellFree Tech）進(jìn)一步鞏固技術(shù)壁壘。從模板添加到獲得功能性體外表達(dá)蛋白只需6小時(shí)??，而HEK293系統(tǒng)需兩周。

體外蛋白表達(dá)技術(shù)的重點(diǎn)在于利用細(xì)胞裂解物中的生物合成機(jī)器（核糖體、tRNA、翻譯因子）在試管中直接合成蛋白質(zhì)。以大腸桿菌系統(tǒng)為例：首先制備含T7啟動(dòng)子的線性DNA模板，將其與商業(yè)化裂解物（如RocheRTS100）、能量混合物（ATP/GTP）及20種氨基酸混合，在37℃振蕩反應(yīng)2-4小時(shí)即可完成蛋白表達(dá)。整個(gè)過(guò)程無(wú)需細(xì)胞培養(yǎng)與基因轉(zhuǎn)染，速度比傳統(tǒng)方法快10倍以上。例如，COVID19刺突蛋白R(shí)BD結(jié)構(gòu)域的體外表達(dá)只需6小時(shí)，而HEK293細(xì)胞系統(tǒng)需5天。該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是開(kāi)放體系的可編程性——可直接添加非天然氨基酸（如Azidohomoalanine）合成定制化蛋白，為藥物偶聯(lián)物開(kāi)發(fā)提供高效平臺(tái)。隨著工程化裂解物與自動(dòng)化設(shè)備的進(jìn)步，體外蛋白表達(dá)技術(shù)將成為生命科學(xué)工具箱中的常備利器。大腸桿菌蛋白表達(dá)陽(yáng)性

原核蛋白表達(dá)速度快，但??真核蛋白表達(dá)??更接近天然結(jié)構(gòu)。功能蛋白表達(dá)條件篩選

若需實(shí)現(xiàn)高階應(yīng)用（如非天然氨基酸插入、膜蛋白合成），無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)復(fù)雜度會(huì)明顯提升。例如，插入Azidohomoalanine需定制正交tRNA合成酶體系，且需優(yōu)化反應(yīng)中nnAA與天然氨基酸的比例；表達(dá)膜蛋白時(shí)則需添加脂質(zhì)體或納米盤(pán)以維持蛋白折疊。此類(lèi)實(shí)驗(yàn)往往涉及多學(xué)科知識(shí)（合成生物學(xué)、生物化學(xué)），并依賴(lài)特殊設(shè)備（如微流控芯片工作站）。不過(guò)，隨著商業(yè)化試劑盒（如Thermo的PUREfrex2.0）和自動(dòng)化平臺(tái)（如ArborBio的AI優(yōu)化系統(tǒng)）的普及，部分操作正趨于標(biāo)準(zhǔn)化，降低了技術(shù)門(mén)檻。功能蛋白表達(dá)條件篩選