无细胞蛋白合成（CFPS）技术通过体外重构蛋白质翻译“机器”，成功突破传统细胞表达系统瓶颈，实现重组蛋白和抗体的高通量、快速制备。本文将阐述CFPS的技术优势，重点分析其在高通量抗体生产中的突破性应用，并深度探讨CFPS与囊泡递送系统的协同整合策略，为复杂治疗药物的生物制造提供系统性技术框架。
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无细胞蛋白合成技术的原理及核心优势
无细胞蛋白表达平台（CFPS）是一种基于细胞抽提物的体外翻译系统，以DNA或mRNA为模板，通过整合核糖体、翻译因子、氨基酸和核苷酸等元件实现快速蛋白表达。该技术自20世纪60年代问世以来，历经六十余年的持续优化，现已具备工业化应用的技术成熟度。与传统细胞表达相比，CFPS具有显著优势（表1）。
表1 传统细胞基与无细胞蛋白质合成（CFPS）平台在生物制造中的对比分析
无细胞蛋白质合成（CFPS）系统因其在基础科学和生物技术领域的独特优势而备受关注。传统细胞培养平台受限于蛋白质复杂性、成本、规模等方面，而CFPS可快至1天快速完成体外蛋白质合成。CFPS省去耗时的细胞培养过程，在可控的环境中实现高通量蛋白合成。如基于提取物的CFPS平台单日可高效表达24个开放阅读框，远高于传统细胞表达平台。
精准调控和优化反应条件的灵活性，使CFPS能高效生产蛋白和抗体。在传统细胞表达平台中，蛋白质过量合成会因资源耗尽而引发宿主细胞应激反应，导致细胞毒性和形成包涵体，还会破坏蛋白质的正确折叠。CFPS不受细胞限制，缓解蛋白质与细胞生长平衡间的难题。通过引入必需的辅因子、分子伴侣和酶，简化表征过程并调整反应环境，对处理不稳定或错误折叠的复杂蛋白质尤为重要。Focke等人利用CFPS平台实现了多种膜蛋白的正确折叠，包括钾离子通道、电压门控通道及氨基酸转运蛋白等。
此外，无细胞表达还能简化重组蛋白的纯化步骤，提高合成过程的整体效率。借助无细胞蛋白合成平台，科研人员能够高效生产难表达蛋白及IgG、scFv-His、VHH-Fc、VHH-His等多种形式抗体，为蛋白质合成提供了一种可控性更强、产率更高的创新方法。
无细胞蛋白表达技术已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。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”。
图1 无细胞蛋白表达平台技术路线图
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CFPS的高通量抗体生产能力
2.1 高通量合成
CFPS平台最显著的优势在于其卓越的并行处理能力。单次项目可完成2,000+个scFv-His/VHH-His抗体片段的合成、纯化及亲和力检测（BLI），从基因合成、抗体表达纯化到活性检测全流程仅需3-4周，较传统方法效率提升数个量级。这种超高通量特性使其成为抗体药物早期发现的理想工具。
无细胞表达系统非常适合高通量表达，其产量最高可到mg/mL级别，抗体和抗体功能性片段是100 μg/mL级别。对于少量蛋白的检测需要建立相应的检测方法，我们可以协助进行方法学设计。
2.2 真实体现抗体活性
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的活性情况
2.3 突破传统表达系统限制
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2个在HEK293细胞中表达困难的VHH片段
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义翘神州无细胞蛋白表达平台
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。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、高效的无细胞蛋白表达平台，3小时即可完成合成过程，快至1天即可拿到纯化样品。已具有数百个项目的成功经验，成功率>99%，真正做到快速、高通量支持药物研发。
目前，无细胞蛋白质表达技术研究进入高速发展期，快速实现从序列设计到样品试制，高通量抗体生产，加速新型药物的开发进程。义翘神州无细胞蛋白表达平台将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。
参考文献：
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Zhang et al. Development and comparison of cell-free protein synthesis systems derived from typical bacterial chassis. Bioresour. Bioprocess. 2021. https://doi.org/10.1186/s40643-021-00413-2
Ji-Su Jun, et al. Automated and Programmable Cell-Free Systems for Scalable Synthetic Biology with a Focus on Biofoundry Integration. J. Microbiol. Biotechnol. 2025. https://doi.org/10.4014/jmb.2507.07019
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