张 鹏，林 骏，卢 元

(1. 清华大学 化学工程系，北京 100084； 2. 中国石油大学(北京) 新能源研究院，北京 102249)

生物技术的进步使得合成生物学家可快速可靠地改造生物体系及设计生产生物大分子，尤其是具备生物学功能的蛋白质大分子的设计生产。在过去多年合成生物学的发展中，主要以细胞为宿主对蛋白质进行工程化设计,但是在细胞内部进行工程化是费时和困难的。主要原因在于细胞的生长及适应性过程通常与工程设计目标是不一致的，并且由于活细胞生命系统的复杂性、基因元件难以标准化、细胞膜的阻碍等，这大大限制了生物组件的改造[1]。这些限制使人们试图探索新的发展方向，因而推动发展了一项新的工程技术——无细胞合成生物学。探究历史，最初无细胞合成的雏形和代表性工作要追溯到1961年，Nirenberg和Matthaei用无细胞合成进行创新性实验，在发现遗传密码子方面发挥了重要作用[2]。而现在，无细胞合成生物学的发展使得其在蛋白质合成中显示出巨大的作用，包括合成细胞难以表达的膜蛋白、制造高附加值的生物医药蛋白、非天然元件的嵌入以及高通量筛选等[3]。

无细胞蛋白合成系统是以外源DNA或mRNA为模板，在体系中补充底物和能量物质，在细胞抽提物提供的多种酶的作用下合成蛋白质的体外表达系统(图1)。细胞抽提物可以来自不同种类的细胞，主要包括大肠杆菌[4]、小麦胚芽细胞[5]、兔网织红细胞[6]和昆虫细胞[7]等。要特别强调的是，另一类以纯化组分为基础的无细胞蛋白质合成系统不在此讨论范围内。……