无细胞蛋白表达系统：高通量抗体生产的革命性解决方案

无细胞蛋白合成表达（Cell-Free Protein Synthesis system，CFPS）技术通过体外重构蛋白质翻译机制，实现重组蛋白和抗体的高通量、快速制备。本文将阐述CFPS平台的技术优势，重点突出其在高通量抗体生产领域的突破性应用。

 

01 无细胞蛋白表达平台概述

 

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，通过将核糖体、翻译因子等调控元件与氨基酸、核苷酸等底物在体外重构，实现以DNA或mRNA为模板的蛋白质快速合成。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。

 

 

图1 无细胞蛋白合成系统

 

无细胞蛋白表达平台核心优势

 

高通量：单项目2000+抗体的生产能力

超高效率：3小时完成抗体表达，1天获得纯化抗体

强兼容性：支持质粒DNA和线性DNA输入

高活性：抗体结合活性与哺乳动物细胞表达相当

强拓展性：可生产难表达抗体、非天然氨基酸序列抗体

 

无细胞蛋白表达技术还具有可控（时间、空间、反应条件、规模等）、灵活、操作简便、等优势。该系统飞速发展，决定了其在多领域具有广阔的应用前景和潜力，比如在指导目标基因序列的改造和优化方面具有不可比拟的优势。该系统可排除细胞环境中的复杂干扰因素，分析抗体片段表达不佳的原因，以直观的结果提供优化策略。

 

无细胞蛋白表达技术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”。

 

02 高通量抗体生产能力

 

（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）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

 
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

 
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

（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

 

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。平台已累积数百个成功项目经验，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赋能生物医药企业研发进程，为人类健康事业贡献力量。

 

【参考文献】

1. Cho E and Lu Y: Compartmentalizing cell-free systems: toward creating life-like artificial cells and beyond. Acs Synth Biol 9(11): 2881-2901, 2020. DOI: 10.1021/acssynbio.0c00433

2. Marshall W. Nirenberg and J. Heinrich Matthaei The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides. Proc Natl Acad Sci 47 (10) 1588-1602.

3. Zawada JF, Burgenson D, Yin G, Hallam TJ, Swartz JR and Kiss RD: Cell-free technologies for biopharmaceutical research and production. Curr Opin Biotechnol 76: 102719, 2022. DOI: 10.1016/j.copbio.2022.102719

4. Brookwell A, Oza JP and Caschera F: Biotechnology applications of cell-free expression systems. Life (Basel, Switzerland) 11(12): 1367, 2021. DOI: 10.3390/life11121367

5. Carrie Arnold: PROTEINS ON DEMAND — JUST ADD WATER. Nature 615: 552, 2023.