無細胞蛋白質合成系統(Cell-Free Protein Synthesis System)，又被稱為轉錄-轉譯系統(TX-TL System)，最早是利用細胞裂解液為基底，再加入DNA模板、能量系統、tRNA、胺基酸及鹽類，在試管內完成轉錄及轉譯反應合成蛋白，這種方式只要先把細胞放大後，提前製備成為細胞裂解液保存於冰箱，就可以隨時拿出來合成蛋白。缺點是每批次的細胞裂解液成分略有不同，導致蛋白質合成效率不一致，而且細胞裂解液屬於複雜的混合物，難以對成分進行調整優化。因此科學家提出了以明確成分進行無細胞蛋白質合成的系統，稱為PURE system (Protein synthesis Using Recombinant Element)。
PURE System
PURE System比使用細胞裂解液為基底的無細胞蛋白質合成系統複雜許多，從原本只要製備細胞裂解液，變成要分別表現核醣體以及36種轉錄轉譯系統必須的蛋白，包含RNA聚合酶(RNA polymerase)、胺醯-tRNA合成酶(Aminoacyl tRNA synthetase)、起始因子(initiation factor)、延伸因子(elongation factor)及釋放因子(release factor)。除了表現這些蛋白，也需要個別純化再加到反應系統，無論是製備以及配製反應都非常耗時。
One Pot PURE system
Grasemann et al., 2021提出了一個共同培養表達36種PURE反應必要蛋白的技術，首先將個別菌株培養到一定濃度後，一起加到LB培養液中，以IPTG誘導蛋白表現，再透過破細胞與Nickel resin純化取得除了核醣體以外所有必需蛋白的OnePot蛋白質溶液。這種方式縮短了個別表達及純化的時間，讓PURE系統普及的可能性提高很多。
核醣體有沒有帶Tag表現量差很多
作者除了驗證共同培養及共同純化的One Pot蛋白溶液製備的可行性，也測試兩種不同的核醣體純化方式，分別為利用His-tagged核醣體再用Nickel resin純化的方式，以及無標記利用疏水性FPLC管柱搭配密度梯度離心的純化方式。實驗發現無標記核醣體用於PURE系統的蛋白質產量是使用His-tagged核醣體的2-3倍，顯示有沒有帶Tag對核醣體在系統中的效率是會有影響的。不過無標記核醣體的純化方式需要使用到昂貴的FPLC及超高速離心機等設備，若是一般實驗室想執行PURE system，使用His-tagged核醣體還是比較可行的入門方式。
參考文獻
Grasemann, L., Lavickova, B., Elizondo-Cantú, M. C., & Maerkl, S. J. (2021). OnePot PURE Cell-Free System. JoVE (Journal of Visualized Experiments), 2021(172), e62625. https://doi.org/10.3791/62625
文章連結: https://www.jove.com/t/62625/onepot-pure-cell-free-system