在合成生物学中，无细胞蛋白表达技术是构建人工细胞和基因电路的he xin工具。研究人员通过混合不同物种（如大肠杆菌+哺乳动物）的裂解物，创建杂合翻译系统，以实现跨物种蛋白的协同合成。该技术还支持无细胞基因线路的快速原型设计，例如将CRISPR组分与报告蛋白共表达，用于体外诊断工具的开发。由于摆脱了细胞膜的限制，CFPS可直接整合非生物元件（如合成聚合物或纳米材料），推动人工合成生命和生物-非生物杂合系统的前沿研究。无细胞蛋白表达技术可快速表达膜蛋白（如GPCRs、离子通道）用于药物靶点研究，解决了此类蛋白在细胞内难表达、易沉淀的问题。在诊断领域，基于CFPS的体外转录-翻译系统被整合到便携式设备中，用于现场检测病原体核酸（如埃博拉病毒），实现“样本进-结果出”的快速诊断。此外，该技术还能合成定制化抗原，用于抗体库筛选或个性化cancer疫苗开发。芯片级体外蛋白表达平台在个性化医疗中尤为关键，能够为cancer患者快速筛选驱动突变的体外蛋白表达产物。哺乳动物蛋白表达系统
20世纪90年代后，随着分子生物学和合成生物学的进步，无细胞蛋白表达技术技术迎来突破。研究者通过优化裂解物制备（如敲除大肠杆菌核酸酶）、开发能量再生系统（如Phosphoenolpyruvic acid，PEP循环），明显提升蛋白产量和反应时长。2000年代初，连续交换式反应体系（CECF）的出现解决了底物耗尽问题，使反应时间延长至24小时以上，产量达毫克级，为工业化铺平道路。此阶段，无细胞蛋白表达技术开始应用于毒性蛋白合成和抗体片段生产，但成本仍较高。常用蛋白表达优化体外蛋白表达作为现代分子生物学的重要工具之一。
体外蛋白表达正在革新现场快速检测技术。以疟疾诊断为例：将冻干的大肠杆菌裂解物、疟原虫 HRP2 基因 DNA 及显色底物预装在微流控芯片中，加入水样后启动 30 分钟体外蛋白表达反应，生成的 HRP2 蛋白催化显色剂变红，灵敏度达 5 寄生虫/μL（传统试纸只 200/μL）。此方案在刚果金野外测试中显示，阳性检出率提升 40% 且无需冷链运输。类似技术已扩展至COVID-19检测——用患者鼻拭子 RNA 直接合成 Spike 蛋白，结合纳米金抗体实现 1 小时确诊。这种 “即测即表达”模式 将诊断成本降至 $0.5/次，成为资源匮乏地区的抗疫利器。
若需实现高阶应用（如非天然氨基酸插入、膜蛋白合成），无细胞蛋白表达技术复杂度会明显提升。例如，插入Azidohomoalanine需定制正交tRNA合成酶体系，且需优化反应中nnAA与天然氨基酸的比例；表达膜蛋白时则需添加脂质体或纳米盘以维持蛋白折叠。此类实验往往涉及多学科知识（合成生物学、生物化学），并依赖特殊设备（如微流控芯片工作站）。不过，随着商业化试剂盒（如Thermo的PUREfrex2.0）和自动化平台（如ArborBio的AI优化系统）的普及，部分操作正趋于标准化，降低了技术门槛。芯片级体外蛋白表达体现较前沿的进展。
体外蛋白表达系统的本质是利用 纯化的细胞裂解物（含核糖体、tRNA、翻译因子及能量再生组分）重构蛋白质合成机器。在ATP/GTP供能条件下，核糖体通过mRNA模板介导的密码子-反密码子配对，驱动氨基酸按序列聚合成肽链。该过程的关键调控点包括：翻译起始效率（受5'UTR二级结构及Shine-Dalgarno序列影响）、延伸速率（依赖EF-Tu/G因子浓度）和终止准确性（释放因子RF1/2活性）。体外蛋白表达的高效性源于其 去除了细胞膜屏障，使反应底物浓度可人为提升至生理水平的10-100倍，大幅加速肽链合成动力学。不用养细胞，直接拿细胞内部的“机器”（核糖体+酶）在试管里进行蛋白表达。分泌型蛋白表达异常
添加硒代甲硫氨酸的体外蛋白表达实验，直接获得 X 射线晶体学级硒标记蛋白。哺乳动物蛋白表达系统
无细胞蛋白表达技术的模板可以是线性DNA（如PCR产物）或环状质粒，需包含启动子（如T7/T3/SP6）和核糖体结合位点（RBS）以启动转录翻译。为提升效率，系统可能添加分子伴侣（如DnaK/GroEL）辅助蛋白折叠，或氧化还原剂（如谷胱甘肽）促进二硫键形成。部分高级系统（如PURE体系）使用纯化重组元件替代粗提物，实现更高可控性，但成本较高。无细胞蛋白表达技术可灵活引入非天然氨基酸（nnAA），扩展了蛋白质的功能多样性。例如，通过定制tRNA和氨酰-tRNA合成酶，无细胞蛋白表达技术系统能准确将荧光标记或交联基团嵌入目标蛋白，用于结构生物学或药物偶联开发。更前沿的应用是人工生命体系的构建，如利用无细胞蛋白表达技术合成噬菌体或人工细胞雏形，结合微流控技术模拟细胞内代谢网络，为合成生物学研究提供可控的简化模型。哺乳动物蛋白表达系统
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