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Cell-free synthetic biology: Engineering in an open world. ​

文献信息 ​

DOI10.1016/j.synbio.2017.02.003
PMID29062958
期刊Synthetic and systems biotechnology
影响因子4.4
JCR 分区Q1
发表年份2017
被引次数66
关键词人工细胞, 细胞无关蛋白质合成, 细胞无关合成生物学, 代谢工程, 蛋白质工程
文献类型Journal Article, Review
ISSN2405-805X
页码23-27
期号2(1)
作者Yuan Lu

一句话小结 ​

无细胞合成生物学是一种灵活的技术，能够在无活细胞的条件下高效地工程化生物部件，本文综述了其在蛋白质、代谢和人工细胞工程等领域的最新进展，表明无细胞系统可简化复杂蛋白质的合成，并有助于设计代谢途径和构建人工细胞，推动生命科学研究和应用的发展。该研究的意义在于为生命的理解提供新方法，同时在环境和生物医学领域展现广泛应用潜力。

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人工细胞 · 细胞无关蛋白质合成 · 细胞无关合成生物学 · 代谢工程 · 蛋白质工程

摘要 ​

无细胞合成生物学作为一种强大且灵活的技术，能够在不使用活细胞的情况下，工程化生物部件和系统，以满足生命科学应用的需求。与细胞系统相比，它在开放环境中提供了更简单、更快速的工程解决方案，并具有前所未有的设计自由度。本文综述了无细胞合成生物学在分子和细胞层面的生物工程领域的最新进展，包括蛋白质工程、代谢工程和人工细胞工程。在无细胞蛋白质工程中，无细胞系统对反应条件的直接控制使得复杂蛋白质、毒性蛋白质、膜蛋白以及含有非天然氨基酸的新型蛋白质的合成变得更加容易。无细胞系统提供了设计代谢途径以生产所需产品的能力。基于无细胞系统的人工细胞构建将有助于我们对生命的理解，并可用于环境和生物医学应用。

英文摘要 ​

Cell-free synthetic biology emerges as a powerful and flexible enabling technology that can engineer biological parts and systems for life science applications without using living cells. It provides simpler and faster engineering solutions with an unprecedented freedom of design in an open environment than cell system. This review focuses on recent developments of cell-free synthetic biology on biological engineering fields at molecular and cellular levels, including protein engineering, metabolic engineering, and artificial cell engineering. In cell-free protein engineering, the direct control of reaction conditions in cell-free system allows for easy synthesis of complex proteins, toxic proteins, membrane proteins, and novel proteins with unnatural amino acids. Cell-free systems offer the ability to design metabolic pathways towards the production of desired products. Buildup of artificial cells based on cell-free systems will improve our understanding of life and use them for environmental and biomedical applications.

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主要研究问题 ​

  1. 在细胞外合成生物学中，如何优化蛋白质工程的反应条件以提高复杂蛋白的合成效率？
  2. 相较于传统细胞系统，细胞外合成生物学在代谢工程中具体能带来哪些新的设计自由度？
  3. 在人工细胞工程中，细胞外系统如何帮助我们理解生命的基本机制？
  4. 细胞外合成生物学的应用是否能够解决当前生物医学领域中的哪些具体挑战？
  5. 细胞外合成生物学在环境应用方面有哪些潜在的创新性项目或研究方向？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

细胞自由合成生物学（cell-free synthetic biology）是一种新兴的技术，能够在不使用活细胞的情况下设计和工程生物部件及系统。这种方法提供了比传统细胞系统更简便、更快速的工程解决方案，具有前所未有的设计自由度。本文综述了细胞自由合成生物学在分子和细胞层面上的最新进展，特别是在蛋白质工程、代谢工程和人工细胞工程方面的应用。

主要方法/材料/实验设计 ​

细胞自由合成生物学的主要方法包括：

  1. 提取基础系统：利用粗提取物，包含基本的转录和翻译功能。
  2. 纯化系统：如PURE系统，包含纯化的转译成分。
  3. 合成酶途径系统：利用多种酶实现复杂的生物反应。
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关键结果和发现 ​

  1. 细胞自由蛋白工程：可以直接控制反应条件，轻松合成复杂蛋白、毒性蛋白和膜蛋白。通过细胞自由系统，能够有效合成包含多种亚基的生物活性复合蛋白，并提高了蛋白质的产量和折叠正确性。
  2. 细胞自由代谢工程：能够将化学合成与细胞生长分离，提高产物的转化效率。例如，在无细胞系统中，生物氢的生产达到理论最大产量的97%。
  3. 人工细胞工程：通过细胞自由合成生物学构建人工细胞，有助于理解生命起源，并在环境和医疗保健等领域具有潜在应用。

主要结论/意义/创新性 ​

细胞自由合成生物学为克服活细胞固有的局限性提供了有效的工具，其开放性使得在分子和细胞层面上进行灵活的生物工程成为可能。这种方法特别适合高价值生物药物的开发，预计在未来的基础和应用研究中将得到更广泛的应用。

研究局限性和未来方向 ​

尽管细胞自由合成生物学具有诸多优势，但仍面临一些挑战，包括：

  • 蛋白质的后转译修饰（如糖基化、磷酸化等）仍然困难。
  • 如何在单一蛋白质中整合多种非天然氨基酸的能力有限。
  • 细胞自由系统的重复使用效率低。

未来的研究方向应集中在优化细胞自由合成系统，结合基因编辑和外源物质的添加，以提升其灵活性和应用范围。此外，细胞自由合成生物学应与其他前沿技术（如干细胞、3D打印、微生物组等）相结合，以拓展其应用潜力。

参考文献 ​

  1. Practical cell-free protein synthesis system using purified wheat embryos. - Kazuyuki Takai;Tatsuya Sawasaki;Yaeta Endo - Nature protocols (2010)
  2. A synthetic biology approach to the construction of membrane proteins in semi-synthetic minimal cells. - Yutetsu Kuruma;Pasquale Stano;Takuya Ueda;Pier Luigi Luisi - Biochimica et biophysica acta (2009)
  3. Cell-free expression of G-protein-coupled receptors. - Erika Orbán;Davide Proverbio;Stefan Haberstock;Volker Dötsch;Frank Bernhard - Methods in molecular biology (Clifton, N.J.) (2015)
  4. Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes. - A Krogh;B Larsson;G von Heijne;E L Sonnhammer - Journal of molecular biology (2001)
  5. Five hard truths for synthetic biology. - Roberta Kwok - Nature (2010)
  6. Rapid translation system (RTS): a promising alternative for recombinant protein production. - J-M Betton - Current protein & peptide science (2003)
  7. Celgene wagers on Sutro's cell-free platform to ramp up ADCs. - Mark Ratner - Nature biotechnology (2014)
  8. A cell-free protein synthesis system from insect cells. - Toru Ezure;Takashi Suzuki;Eiji Ando - Methods in molecular biology (Clifton, N.J.) (2014)
  9. Development of an artificial cell, from self-organization to computation and self-reproduction. - Vincent Noireaux;Yusuke T Maeda;Albert Libchaber - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2011)
  10. Cell Break: How Cell-Free Biology Is Finally Putting the Engineering Back in Bioengineering. - Shannon Fischer - IEEE pulse (2016)

引用本文的文献 ​

  1. Progress in biopharmaceutical development. - Malgorzata Kesik-Brodacka - Biotechnology and applied biochemistry (2018)
  2. Bacterial cell-free expression technology to in vitro systems engineering and optimization. - Filippo Caschera - Synthetic and systems biotechnology (2017)
  3. Bottom-up synthetic biology: modular design for making artificial platelets. - Sagardip Majumder;Allen P Liu - Physical biology (2017)
  4. Cell-Free Approaches in Synthetic Biology Utilizing Microfluidics. - Samar Damiati;Rami Mhanna;Rimantas Kodzius;Eva-Kathrin Ehmoser - Genes (2018)
  5. Cell-free synthetic biology for in vitro biosynthesis of pharmaceutical natural products. - Jian Li;Lingkai Zhang;Wanqiu Liu - Synthetic and systems biotechnology (2018)
  6. Cell-free protein synthesis enabled rapid prototyping for metabolic engineering and synthetic biology. - Lihong Jiang;Jiarun Zhao;Jiazhang Lian;Zhinan Xu - Synthetic and systems biotechnology (2018)
  7. "The Smartphone's Guide to the Galaxy": In Situ Analysis in Space. - Joost Nelis;Christopher Elliott;Katrina Campbell - Biosensors (2018)
  8. Microfluidics for Artificial Life: Techniques for Bottom-Up Synthetic Biology. - Pashiini Supramaniam;Oscar Ces;Ali Salehi-Reyhani - Micromachines (2019)
  9. Efficient Incorporation of Unnatural Amino Acids into Proteins with a Robust Cell-Free System. - Wei Gao;Ning Bu;Yuan Lu - Methods and protocols (2019)
  10. Accelerating the Production of Druggable Targets: Eukaryotic Cell-Free Systems Come into Focus. - Lena Thoring;Anne Zemella;Doreen Wüstenhagen;Stefan Kubick - Methods and protocols (2019)

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