20世纪90年代后，随着分子生物学和合成生物学的进步，无细胞蛋白表达技术技术迎来突破。研究者通过优化裂解物制备（如敲除大肠杆菌核酸酶）、开发能量再生系统（如Phosphoenolpyruvic acid，PEP循环），明显提升蛋白产量和反应时长。2000年代初，连续交换式反应体系（CECF）的出现解决了底物耗尽问题，使反应时间延长至24小时以上，产量达毫克级，为工业化铺平道路。此阶段，无细胞蛋白表达技术开始应用于毒性蛋白合成和抗体片段生产，但成本仍较高。通过体外蛋白表达，只需在裂解物中添加对应mRNA，就能在裂解物中安全实现dusu合成及机制研究。低温诱导蛋白表达产业链
从实验室走向产业化，无细胞蛋白表达技术还面临多重障碍。规模化生产时，反应体系的均一性和重复性难以保证，且大规模制备高活性裂解物的成本效益比仍需优化。在下游纯化环节，由于反应混合物中含有大量核酸、酶和其他细胞组分，目标蛋白的分离纯化步骤比传统方法更复杂。此外，目前大多数CFPS工艺仍处于分批反应模式，连续化生产设备的开发滞后，限制了其在工业流水线中的应用潜力。尽管存在这些挑战，随着微流控技术、人工智能优化反应条件等新方法的引入，CFPS技术正在逐步突破这些产业化瓶颈。定制蛋白表达修饰添加硒代甲硫氨酸的体外蛋白表达实验，直接获得 X 射线晶体学级硒标记蛋白。
无细胞蛋白表达技术（CFPS）虽然具有快速、灵活等优势，但仍存在一些关键缺点。首先，成本较高，商业化裂解物、能量试剂和酶的价格昂贵，小规模实验单次反应成本可达数百元，大规模生产的经济性尚未完全解决。其次，蛋白产量较低，反应通常在几小时内终止，产量（0.1-1 mg/mL）远低于细胞表达系统（如大肠杆菌可达10 mg/mL以上）。此外，复杂蛋白表达受限，原核裂解物缺乏真核翻译后修饰能力（如糖基化），而真核裂解物成本更高；部分蛋白可能因折叠不完全而丧失活性。技术操作上，反应条件（pH、离子强度等）需精细调控，且线性DNA模板易降解，增加了实验难度。CFPS目前更适合小规模应用，在超长蛋白（>100 kDa）表达和工业化连续生产方面仍面临挑战。未来需通过开发低成本试剂、优化能量再生系统和自动化工艺来突破这些瓶颈。
尽管体外蛋白表达在科研领域优势明显，其规模化应用仍面临三重挑战：裂解物制备成本高： 真核裂解物（如兔网织红细胞）的原料获取与标准化生产难度大，单位成本远超微生物发酵；反应体系稳定性不足： 蛋白酶/核酸酶导致的产物降解及底物（如ATP）快速耗竭限制持续合成时间；产物浓度天花板： 当前比较好工艺的蛋白产量约5g/L，较CHO细胞系统（>10g/L）存在差距。解决这些瓶颈需开发 工程化裂解物（如RNase缺陷型菌株）与连续流灌注技术，提升经济可行性添加纳米盘磷脂的 GPCR体外蛋白表达系统，功能性受体得率提升至80%。
根据模板设计，无细胞蛋白表达技术可分为线性模板和环状模板表达。线性模板（如PCR产物）无需克隆，快速启动表达，但稳定性差、产量较低，适用于Batch体系的快速筛选。环状模板（如质粒DNA）通过克隆技术制备，稳定性高且产量提升，适合CECF体系的大规模生产（如抗体或抗原制备）。此外，结合T7/T3/SP6启动子的偶联转录/翻译系统（如TNT系统）可直接以DNA为模板，简化流程并提高效率。以上形式可根据需求组合使用，例如原核CECF系统+环状模板用于工业化生产，或真核Batch系统+线性模板用于快速筛选。从实验室的突变体筛选到抗疫前线的便携检测,每一次成功的体外蛋白表达都印证了“无细胞”体系的独特生命力.内源蛋白表达实验流程
科学家用细菌进行蛋白表达来生产胰岛素。低温诱导蛋白表达产业链
传统的蛋白质表达纯化流程极其依赖人工操作,并且往往需要几周或者几个月的时间.无细胞蛋白表达的兴起可将这一时间缩短至十几个小时，但是仍需要现进行表达载体的制备,体外扩增和高通量蛋白表达然后再进行筛选等多步操作。Nuclera将这些复杂的流程ji he到eProteinDiscovery系统.该系统使用基于数字微流控的智能卡盒、蛋白质质量检测和无细胞蛋白合成，使研究人员更容易快速获取高质量蛋白质。只要将目标蛋白质的序列输入配套软件，就可以利用预设融合标签定制DNA构建体以优化表达，然后将表达载体装载到机器上，该系统就会通过自动化构建筛选（可同时筛24种DNA构建体x8种无细胞混合物=192种独特表达条件），根据可溶性、可纯化性和纯化产量数据确定Zui佳表达条件，然后放大规模并获取蛋白质以供下游应用，从DNA到可用于分析检测的蛋白质只需要48小时。系统已生产超过2,000种蛋白质，包含多种类型，其中约77%的人类蛋白。蛋白质类型包括伴侣蛋白、水解酶、连接酶、氧化还原酶、信号蛋白、结构蛋白和转移酶等，分子量范围为18kDa~300kDa(平均:46kDa)。获得的难表达蛋白包括膜蛋白、含二硫键的蛋白和含高度无序结构的蛋白等,还更容易地筛选和获取同源物、直系同源物、突变和异构体.低温诱导蛋白表达产业链
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