基因編輯和測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，使得合成生物學(xué)家可快速可靠地設(shè)計(jì)改造生物體系，大大推動(dòng)了醫(yī)藥健康領(lǐng)域的發(fā)展。而在過去多年合成生物學(xué)的發(fā)展中，特別是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，主要還是以細(xì)胞為宿主進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)。但是對(duì)細(xì)胞進(jìn)行工程化是費(fèi)時(shí)和困難的。主要原因在于細(xì)胞的生長(zhǎng)及適應(yīng)性過程通常與工程設(shè)計(jì)目標(biāo)是不一致的。并且由于活細(xì)胞生命系統(tǒng)的復(fù)雜性、基因元件難以標(biāo)準(zhǔn)化、細(xì)胞膜的阻礙等，其大大限制了生物組件的改造。為克服這些問題，一項(xiàng)新的合成生物學(xué)手段正在興起：無細(xì)胞合成生物學(xué) (Cell-free synthetic biology) 。

為什么要做無細(xì)胞合成？一句話：做細(xì)胞難做的事

什么是無細(xì)胞合成生物學(xué)？簡(jiǎn)單地講，就是利用細(xì)胞資源，在體外開放體系實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯和代謝過程。無細(xì)胞合成系統(tǒng)建立的基本流程是：首先從細(xì)胞中提取蛋白質(zhì)合成所必需的催化成分；然后補(bǔ)充添加氨基酸、能量底物、DNA模板等來啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的持續(xù)進(jìn)行。由于它的開放性和可控性，給生物合成操作提供了極大的工程自由度和可控度，包括：1) 避免了細(xì)胞生長(zhǎng)和目標(biāo)產(chǎn)物合成對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，提高目標(biāo)產(chǎn)品的最大化合成效率；2) 因無細(xì)胞生長(zhǎng)問題，可高量合成對(duì)細(xì)胞有毒性的生物產(chǎn)品；3) 更易直接控制基因轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的翻譯、折疊和組裝；4) 因無細(xì)胞膜的阻礙，可將非天然元件或材料輕易嵌入生物分子或體系。這些特性特別適用于高附加值的生物醫(yī)藥產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和合成。

膜蛋白合成是無細(xì)胞合成系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。膜蛋白占所有潛在藥物靶標(biāo)的四分之三，然而由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行過量表達(dá)時(shí)，會(huì)存在構(gòu)象折疊等問題，容易形成包涵體。在無細(xì)胞體系中可直接控制膜蛋白的合成和折疊，通過直接添加分子伴侶、表面活性劑或脂質(zhì)體，防止膜蛋白多肽的聚集，輔助結(jié)構(gòu)折疊且完整性；通過直接調(diào)節(jié)氧化還原環(huán)境，以形成正確的二硫鍵。因而，無細(xì)胞合成已成為膜蛋白合成非常有效技術(shù)手段。另外，因?yàn)椴簧婕凹?xì)胞生長(zhǎng)和易控制蛋白構(gòu)象折疊的優(yōu)勢(shì)，無細(xì)胞合成體系特別適用于高量表達(dá)對(duì)細(xì)胞有毒性蛋白和復(fù)合蛋白的合成。

無細(xì)胞體系蛋白質(zhì)合成目前另一大關(guān)注點(diǎn)是非天然氨基酸的嵌入。通過將帶有豐富側(cè)鏈的非天然氨基酸在蛋白質(zhì)中的嵌入及后修飾，為新型結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)的應(yīng)用科學(xué)研究拓展給予了新的契機(jī)。目前常用的嵌入手段是在細(xì)胞體系，采取全局抑制 (global suppression) 、正交翻譯體系 (orthogonal translation system) 等策略。而在細(xì)胞體系中，很多因素限制了非天然氨基酸的高效嵌入，使得在產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展不甚理想，主要問題包括：

• 復(fù)雜代謝造成低的嵌入效率；

• 大基團(tuán)非天然氨基酸因?yàn)榈偷募?xì)胞膜滲透性，無法進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部；

• 高濃度非天然翻譯元件引起細(xì)胞毒性等。

而面對(duì)這些問題，利用無細(xì)胞合成體系的優(yōu)勢(shì)，包括：

• 無復(fù)雜代謝只專注于目標(biāo)產(chǎn)品合成；

• 無細(xì)胞膜；

• 高細(xì)胞毒性忍耐性等，可以更容易克服細(xì)胞體系存在的問題。

因此，通過無細(xì)胞體系將非天然氨基酸嵌入蛋白質(zhì)的技術(shù)手段，越來越多受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

對(duì)于無細(xì)胞合成生物技術(shù)在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，最具代表性的企業(yè)是美國(guó)一家叫做Sutro Biopharma的公司 (http://www.) 。該公司成立于2004年，目前發(fā)展的主要著眼點(diǎn)在于抗體-藥物偶聯(lián) (ADC) 藥物上。ADC藥物的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于偶聯(lián)連接物上。不同于其他公司，Sutro Biopharma所采取的技術(shù)手段是利用無細(xì)胞合成技術(shù)將帶有反應(yīng)基團(tuán)的非天然氨基酸嵌入抗體，然后與藥物進(jìn)行偶聯(lián)。該技術(shù)手段一方面解決了通過天然氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)反應(yīng)造成的異質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物問題；另一方面解決了細(xì)胞體系非天然氨基酸嵌入的低效率難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的問題。因?yàn)榧夹g(shù)的有效性，該公司近年來已獲得多億美元的投資，被專業(yè)媒體評(píng)為最有前途的十五大生物技術(shù)公司之一。

個(gè)人基本簡(jiǎn)介：盧元 2004年本科畢業(yè)于清華大學(xué)；隨后通過免試推薦繼續(xù)在清華大學(xué)攻讀博士學(xué)位。2009年博士畢業(yè)后前往美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)和美國(guó)斯坦福大學(xué)從事博士后研究工作；之后被日本東京大學(xué)聘為特任研究員。2016年盧元入職清華大學(xué)化學(xué)工程系，任特別研究員、博士生導(dǎo)師。