无细胞蛋白合成系统（Cell-Free Protein Synthesis system, CFPS），又称体外翻译系统，指将细胞内合成蛋白所需的核糖体等调控因子提取出来，并辅以氨基酸及核苷酸等原料从而在体外直接合成蛋白质。
无细胞蛋白合成系统起源于20世纪60年代，经过六十多年的发展，该技术日趋成熟，尤其在近二十年得到了快速发展，使其具备了工业化的基础。
无细胞蛋白合成系统无需依赖活细胞，在体外类似于PCR反应，无需DNA或RNA的转染过程，直接加入各组分即可启动反应，独特的制作及使用流程也赋予了该系统独到的特点：传统哺乳动物细胞耗时3-7天方可完成的表达过程，该系统由于突破了细胞生长和代谢的限制，3-5小时即可完成合成过程，大大提升了效率，使重组表达过程由days进入了hours时代。无细胞合成系统对实验条件兼容性高，对实验室环境和操作人员的要求低：经过简单培训的非专业人员即可完成操作。纯度和活性对于蛋白或抗体样品在研究中发挥作用是极其重要的，无细胞蛋白合成系统制备的样品，纯化后可以具有较好的纯度和活性。· 纯度方面，义翘神州利用自建的无细胞蛋白合成系统表达的VHH可以达到SDS-PAGE和SEC-HPLC纯度均>95%（图2）。图2. 义翘神州利用无细胞蛋白合成系统表达VHH的SDS-PAGE和SEC-HPLC结果· 活性方面，义翘神州制备的抗体片段显示出与哺乳动物细胞表达纯化的样品一致的体外抗原结合活性（图3）图3. 义翘神州利用无细胞蛋白合成系统表达的VHH与HEK293细胞表达样品的活性对比数据通常抗体片段由于恒定区的缺失导致了抗体对于细胞适应性的减弱，从而出现较多抗体片段在细胞或细菌中表达不理想的情况。无细胞蛋白合成系统在表达细胞不耐受性或有难度的样品方面具有突出的优势。义翘神州利用无细胞蛋白合成系统，成功制备出在真核细胞中不表达的抗体片段（图4）。图4. 义翘神州无细胞蛋白合成系统成功合成在HEK293细胞中表达困难的VHH片段除了能合成在细胞中表达有难度的样品，该系统可排除细胞环境中复杂因素干扰，可以很好地区分抗体片段表达不佳的原因，以直观的结果提供结论，在指导目标基因序列的改造和优化方面，无细胞蛋白合成系统也具有不可比拟的优势。如在义翘神州某项目中，经AI设计的VHH序列，研发团队通过序列分析发现该序列具有形成二聚体的趋势，在HEK293细胞上该序列无法有效表达。义翘通过无细胞蛋白合成系统成功获得了样品，SDS-PAGE结果显示，样品在非还原电泳中体现出二聚体和单体混合的状态，与预测结果一致，这对于序列的优化具有重要意义。图5. 义翘无细胞蛋白合成系统合成VHH片段的SDS-PAGE结果除了以上特点，无细胞蛋白合成系统还具有可控（时间、空间、反应条件、规模等）、灵活、操作简便、高通量等优势，该系统的多种特点及飞速发展，决定了其在多领域具有广阔的应用前景和潜力。随着六十余年的发展，无细胞蛋白合成系统开始在不同领域进行工业化应用。包括抗体工程、酶生物、传感器以及疫苗开发等各种领域都有越来越广泛的应用。尤其在抗体工程方面，随着抗体及抗体片段药物的崛起，无细胞蛋白合成系统被认为是抗体工业的“Game Changer”。对于该项技术，义翘神州，专注于为全球生命科学研究及医药研发提供高质量的蛋白及抗体试剂产品和高水平的CRO技术服务，已提前进行布局，目前公司已建成一支优秀的高水平研发队伍，经过多年的深入研究，成功建立了自主、高效的无细胞蛋白合成技术平台，并进行了大量优化，3h即可完成合成过程，快至1天即可拿到纯化样品，已具有数百个项目成功经验，成功率>99%，真正做到快速、高通量支持药物研发。目前推荐该系统适用于VHH及scFv等抗体片段的快速筛选和制备，助力加速药物的研发进程。图6. 义翘神州利用无细胞合成系统高通量合成的VHH及scFv片段随着技术的日趋成熟，已有越来越多的Big pharma开始将目光投向了无细胞蛋白合成技术，2023年1月，FDA授予了疫苗企业Vaxcyte研发的链球菌肺炎疫苗Vax-24突破性疗法资格，与Pfizer使用从细菌培养物中提取的糖蛋白疫苗不同，Vaxcyte通过基于无细胞蛋白合成技术的生物化学方法构建了Vax-24。Merck主导开发的MK-1484 IL2选择性拮抗剂和Astellas主导开发的iADC均选择无细胞蛋白合成系统作为底层技术平台。义翘神州也在致力于进一步开发针对Fab、短肽和基于真核细胞的高质量无细胞蛋白合成系统，持续助力加速生物医药企业的研发进程，推动人类健康事业的发展。近年来AI的发展如火如荼，大数据模型的成熟需要大量的有效数据进行模型训练，快速、高通量和自动化的数据积累方案成了必然的需求。无细胞蛋白合成系统的特征对于AI设计的早期药物筛选需求完美适配，二者的结合及进一步发展，对于未来实现个性化、精准的生物医学治疗提供了很好的基础。相信通过不断的探索和发展，无细胞蛋白合成技术将成为生命科学关键技术之一，在制药、医疗、科学、农业等领域中得到更加广泛的关注和应用，为人类生产和生活带来更多的可能性。
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