基于设计优化的低成本试剂配方，用于可重复且高产的无细胞基因表达

在没有活细胞的情况下制造复杂药物

许多现代药物——从癌症疗法到疫苗——都是蛋白质，通常在巨大的不锈钢罐中的活细胞内生长。这种方法有效，但速度慢、成本高且难以脱离集中式工厂。在这项研究中，研究人员展示了如何重新设计一种“无细胞”蛋白质制造体系，使其以常规化学成本的一小部分产生大量蛋白，从而为更便宜、更灵活地制造关键生物药物打开了大门。

为什么干脆不使用细胞？

无细胞基因表达不是依赖完整细胞，而是使用被破碎的细胞，只保留读取DNA并构建蛋白的内部机器。当与适当的小分子和DNA蓝图混合时，这种浓缩的提取物可以像微型蛋白工厂一样工作。无细胞体系具有模块化和便携的优点：同一提取物只需更换DNA就能制造不同蛋白，混合物也能被干燥、运输并在需要时用水再激活。然而，供给这些提取物的化学“配方”通常复杂且昂贵，主要由高价能量来源主导以补充细胞的燃料，这使得其广泛应用难以推广。

设计更简单、更便宜的配方

研究团队着手设计一种更精简的化学配方，同时仍能推动强劲的蛋白产量。他们没有逐一微调某种成分，而是采用系统化设计方法和机器学习引导的搜索，测试了1,231种不同的58种可能成分组合。一步步地，他们发现了哪些盐类、构件和能量来源是真正关键的，哪些可以在不损害性能的情况下移除。他们首先得到了一种超简化混合物，仅使用一种关键盐、氨基酸和基本的DNA构件，然后逐步重新引入少量低成本助剂以提升产量。

从昂贵走向降本的蛋白工厂

结果是一个优化后的配方，仅包含12种成分，就能在微小的15微升反应中稳定地产生超过2克/升的荧光示范蛋白。对实际应用来说尤为重要的是，与现有主流配方相比，每克蛋白的化学成本降低了约95%，接近甚至优于传统细胞培养制造的成本范围。当研究者改善反应中的氧气供应——使用一个小型生物反应器提供纯氧时——他们将产量提高到约3.7克/升，同时进一步降低了成本。精确测量显示，该配方比旧体系支持了更稳的能量和中心代谢平衡，帮助蛋白“工厂”运行得更长更高效。

在不同实验室、菌株和多种蛋白中都表现稳健

仅仅低成本还不够；实用系统还必须可靠且多用途。科学家们展示了他们的新配方在使用不同批次的细胞提取物、不同实验室环境和不同研究人员操作时产生的蛋白量几乎相同，表明其稳健性很强。他们还调整了条件以支持需形成二硫键的蛋白——这是许多抗体所需的重要内部化学连接——通过细致调节反应的酸碱度并添加辅助蛋白来实现。在这种模式下，该体系成功生产了20多种不同蛋白，包括15种与医学相关的产物，如疫苗载体和全长抗癌药物曲妥珠单抗（trastuzumab），其中许多产量超过100微克/毫升，通常比早期配方具有更高的可溶产量或更低的成本。

按需制造活性药物

为确认这些蛋白不仅存在且具有功能性，团队对其中几种进行了活性测定。一种溶栓酶如预期切割了其目标分子；一种抗菌蛋白杀死了测试细菌；一个设计的小型蛋白与SARS‑CoV‑2刺突蛋白结合；抗体曲妥珠单抗识别了其特异性捕获伙伴。这些结果共同表明，这种精简、低成本的无细胞体系能够制造复杂且具有活性的生物分子，而不仅仅是简单的示范蛋白。

将蛋白生产更靠近患者

简而言之，这项工作将曾经娇气且昂贵的无细胞蛋白体系转变为一种更简单、更便宜且更强大的工具。通过将化学配方削减到必要要素同时提升产量，研究人员把无细胞制造推向了在大型工厂之外实用化的方向——例如区域医院、现场诊所或疫情期间的快速响应设施。随着DNA制备、纯化和稳定性方面的进一步改进，同样的策略有望帮助将先进蛋白药物的生产在全球范围内实现更广泛的普及。

引用: Olsen, M.L., Copeland, C.E., Sundberg, C.A. et al. Design-driven optimization of low-cost reagent formulations for reproducible and high-yielding cell-free gene expression. Nat Commun 17, 3478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69605-8

关键词: 无细胞蛋白质合成, 低成本生物制品, 合成生物学, 按需生物制造, 抗体生产