膜蛋白在細胞表面的特定位置具有特定功能，其在生理功能（比如說營養(yǎng)吸收、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、有毒物質(zhì)的去除等等）和病理過程（如癌癥發(fā)展、病原體入侵等等）中發(fā)揮著重要作用，也是理想的藥物靶點。膜蛋白表達在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極其重要的地位，但同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)和瓶頸。

1.1物質(zhì)運輸與信號傳導(dǎo)：膜蛋白作為細胞膜的主要成分，負責物質(zhì)的跨膜運輸和細胞內(nèi)外信號的傳導(dǎo)。

1.2細胞識別與免疫應(yīng)答：膜蛋白還參與細胞的識別過程，作為細胞表面的標志物，能夠與其他細胞或分子相互作用。

1.3藥物靶點與疾病治療：膜蛋白承擔了生物膜的主要功能,是新藥研發(fā)最重要的靶點群,大約60%的藥物以膜蛋白為靶點。

2.1表達效率低：由于膜蛋白復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和疏水性，使得它們在細胞內(nèi)的表達往往受多種因素的限制，從而導(dǎo)致表達效率低下。

2.2純化困難：膜蛋白與細胞膜緊密結(jié)合，難以通過傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)純化方法獲得高純度的目標蛋白。

2.3穩(wěn)定性差：由于膜蛋白在水溶液中有明顯的聚集和變性傾向,在體外很難模擬維持膜蛋白正確構(gòu)象的類膜環(huán)境,導(dǎo)致膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能以及相關(guān)配體藥物的研究遠遠滯后于水溶性蛋白。

2.4功能驗證困難：由于膜蛋白的功能往往與其在細胞膜上的定位和相互作用密切相關(guān)，傳統(tǒng)的驗證手段很難在體外準確地驗證其功能。

圖1.膜蛋白在生物體內(nèi)合成途徑

2.1 概述

CFPS技術(shù)是一種在體外實現(xiàn)DNA到蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯過程的技術(shù)。它利用來源于細胞的轉(zhuǎn)錄翻譯元件，在體外構(gòu)建能夠直接從DNA合成蛋白質(zhì)的反應(yīng)體系。這種技術(shù)擺脫了細胞的束縛，具有快速、靈活、可控和易于優(yōu)化的特點。

在膜蛋白表達中，CFPS技術(shù)能夠顯著提高表達效率，通過優(yōu)化反應(yīng)條件和添加特殊配置的輔助分子試劑，實現(xiàn)膜蛋白的高效合成。同時，由于無細胞體系不含有復(fù)雜的細胞成分，因此可以簡化膜蛋白的純化過程，提高純度和回收率。此外，無細胞體系還能夠提供適宜的反應(yīng)條件，如溫度、pH值和離子強度等，有助于維持膜蛋白的天然構(gòu)象和穩(wěn)定性。更重要的是，CFPS技術(shù)為膜蛋白的功能驗證提供了有力支持。通過構(gòu)建細胞膜模型，利用脂質(zhì)體或合成細胞膜模擬細胞膜環(huán)境，研究者可以在體外觀察膜蛋白的活性、轉(zhuǎn)運速率和信號傳導(dǎo)能力等，從而驗證其功能。這種方法不僅避免了細胞內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的干擾，還提高了功能驗證的準確性和可靠性。

2.2 應(yīng)用場景

圖2：OR83b和OR42a的可溶性表達

制備病毒體

圖3：病毒體的表達及運輸

1. Guan L. The rapid developments of membrane protein structure biology over the last two decades. BMC Biol. 2023;21(1):300. Published 2023 Dec 29. doi:10.1186/s12915-023-01795-9.

2. 方家豪,曹雨虹,何宇臻,洪戰(zhàn)英,柴逸峰.膜蛋白穩(wěn)定技術(shù)及其在藥物篩選中的應(yīng)用進展[J].藥學(xué)學(xué)報,2021,56(9):前插1-前插2,2325-2334.DOI:10.16438/j.0513-4870.2021-0573.

3. 李劍勇,滿亞輝,陳倩,裴迪,吳文健.膜蛋白的表達：在無細胞體系中實現(xiàn)功能性表達、折疊和組裝[J].生物化學(xué)與生物物理進展,2018,45(4):389-400.

4. Wang Y, Jin B, Li B, et al. Cell-free protein synthesis of influenza virus hemagglutinin HA2-integrated virosomes for siRNA delivery. Int J Pharm.2022;623:121890. doi:10.1016/j.ijpharm.2022.121890.