如果您问西北工程学的迈克尔·杰特（Michael Jewett），那么无细胞基因表达的潜力总是很有意义。从细胞的壁上撕下，收集其内部，并教细胞催化剂生成新型的分子和生物过程，而无需使用完整的活细胞的进化约束。

但是不到20年前，合成生物学中的这个新兴领域仍然有很多要证明的。

麦考密克工程学院的化学与生物工程教授杰特说：“人们认为我们很疯狂。”“当我还是一名研究生时，制作蛋白质治疗的想法是如此晦涩。充其量，这不会足够成本效益，无法有用，或者该系统不会产生足够的蛋白质来做任何值得的事情。”

In a review paper published on November 29 in the journal Nature Reviews Genetics, Jewett, director of Northwestern’s Center for Synthetic Biology, explores how cell-free engineering evolved from a specialized research tool to the backbone of a variety of applications in synthetic biology that stand to dramatically impact society, from the environment to medicine to education.

现在，合成生物学引起了广泛的兴趣。“商业行业围绕这些技术出现。授予机构正在看到重要性。”他说。“无细胞系统的时间在这里。下雪了。”

技术复兴

虽然无细胞基因表达已被用作研究工具已有50多年了，但其转化潜力受到多种约束的限制，包括低和可变的蛋白质合成产量，短反应持续时间和小反应量表。研究人员还与怀疑控制细胞内的反应环境的疑问将无法触及。

However, in the last 20 years, synthetic biology researchers have gradually peeled back the curtain of cell-free gene expression’s potential, uncovering new insights in the lab that have led to new efficiencies and applications outside of it — from biosensors to measure and monitor environmental contaminants in natural resources to targeted therapeutics to treat disease.

例如，Jewett和合作者最近开发了一种高产的单锅细胞蛋白质合成平台，该平台衍生自大肠杆菌的基因组菌株。该系统不仅被优化以产生迄今为止蛋白质的最高批量反应表达产率，而且该平台可以生产具有非典型氨基酸的蛋白质，从而扩展了可用于蛋白质的遗传编码化学，并为蛋白质提供了遗传编码的化学，并为创建新类型的门以创建新的类型酶，材料和治疗学。

Jewett说：“通过拥有一个可以在一锅使用中实现高级基因表达的平台，该过程变得更加民主化。”“这很令人兴奋，因为希望它可以使其他实验室更容易使用无细胞的基因表达系统。”

西北

随着无细胞合成生物学的重要性越来越重要，西北西北的合成生物学中心也是如此。该中心于2016年启动，旨在汇集该领域最聪明的头脑并为研究和教育提供支持性生态系统，迅速确立了自己的无细胞系统研究和技术开发领导者的领导者。

查尔斯·迪林·麦考密克（Charles Deering McCormick）卓越教学教授珠宝（Jewett）说：“该中心已经有机地成长为美国合成生物学的主要中心之一。”“随着我们的团队聚集在一起，我们考虑了不仅连接我们的研究主题，而且将西北定位为具有特殊的力量，并且已经出现了无细胞的系统。”

中心教师的最新进展已进一步推动了无细胞工程的界限。例如，Jewett和Milan Mrksich，Henry Wade Rogers生物医学工程学教授，合作采用了一种快速生产酶并分析其反应的方法。该系统将Jewett的无细胞蛋白质合成技术与MRKSICH的SAMDI质谱平台相结合，它将帮助合成生物学家比以往任何时候都更快地设计复杂的分子。

生物医学工程助理教授Neha Kamat最近证明了使用无细胞系统选择性地驱动脂质纳米颗粒的融合的第一次实例（一种用于药物交付的新兴载体），为新颖且复杂的生化反应开辟了大门。化学与生物工程副教授Danielle Tullman-Eccem正在揭示有关病毒等微型室内功能的新规则，这些规则可以用作提供从无细胞系统到人体有针对性位置的蛋白质疗法的血管。化学与生物工程副教授Joshua Leonard正在研究合成生物学和系统生物学的界面，以实现设计驱动的医学。今年早些时候，他主持了在西北部举办的第六届国际哺乳动物合成生物学研讨会。

该中心的工作也触及了启动空间。STEMLOOP出生于化学与生物工程副教授Julius Lucks的实验室。该公司运用Lucks的研究使命，以了解蜂窝系统如何通过技术平台（包括专注于环境水质监测的技术）对环境进行响应。Jewett最近还创立了Swiftscale Biologics，该生物制剂试图使用无细胞系统加速药物到达市场。

Sherlock Biosciences由合成生物学咨询委员会成员James Collins创立，使用工程生物学平台来创建更好，更快且负担得起的医学诊断测试。

Jewett说：“该技术已准备好在实验室外应用以解决社会问题，并且公司正在兴起，使他们在市场上摇摇欲坠。”“人们曾经完全不可能的事实被证明是不可能的。”

瞥见即将发生的事情

Jewett说，下一个十年将欢迎更大的里程碑，这在一定程度上要归功于不断发展的研究合作。

Northwestern正在与清洁能源初创公司Lanzatech和Oak Ridge国家实验室合作，由能源部支持的多年项目，以利用梭菌（一种代谢碳）生产可持续燃料的细菌。Jewett和他的实验室由化学与生物工程副教授Keith Tyo和莎拉·丽贝卡·罗兰（Sarah Rebecca Roland）化学与生物工程教授琳达·布罗德（Linda Broadbeltdesigns that could optimize clostridia’s production of biofuels.

Jewett说：“兰萨塔克（Lanzatech）几个月才能进行工程和测试，这要归功于无细胞的系统，我们的实验室可以在几天内完成。”

Jewett还设想通过中学和高中教室的体验学习机会扩展合成生物学教育。世界各地数百所学校希望将他的Biobits教育套件（与麻省理工学院和哈佛大学的Wyss Institute合作开发）纳入科学课程。现在用于数十个埃文斯顿和芝加哥教室的交互式套件，使学生通过添加水和简单的试剂来冻结无细胞反应，使学生能够进行合成和分子生物学实验。

他说：“至关重要的是，我们为学生提供培训机会，因此他们为支持和为新兴的生物经济做出贡献感到兴奋。”

那由无细胞系统支持的第一个FDA批准的治疗呢？随着公司提高扩展工程蛋白质生产的能力，Jewett希望工程疗法能够进入诊所。

他说：“经FDA批准的产品肯定是一个流域的时刻，我相信它将在未来十年内到来。”

参考
Adam D. Silverman，Ashty S. Karim，Michael C. Jewett。无细胞基因表达：扩展的应用库。自然评论遗传学，2019年；doi：10.1038/s41576-019-0186-3。

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