定向演化(Directed Evolution)是一個讓合成生物學家著迷的技術，這個概念在2018年榮獲諾貝爾獎，實驗內容是使用嗜菌體表達無數種枯草桿菌蛋白酶變體，再以有機溶劑篩選，挑出適者生存的變體，再次變異及表達，經過多輪的汰選後，產生能夠在有機溶劑中保持活性的枯草桿菌蛋白酶。如今這個技術也以不同的方式，成功在無細胞系統中執行。
酵素具有區域和立體選擇性(Regio- and stereoselectivity)，產物較少出現異構物，除此之外，不同於化學合成需要高溫或高壓的極端環境，酵素反應的條件更溫和，反應的溶液通常對環境比較友善，因此使用酵素製造高價值產品具有相當大的優勢。這篇文獻回顧詳細的將利用酵素製造高價值產品的流程進行拆解，依序介紹如何發現新酵素、如何生產重組酵素、如何改良酵素、如何用酵素生產產品以及可以用酵素生產甚麼。
無細胞蛋白合成(Cell Free Protein Synthesis; CFPS)是非常吸引人的技術，能夠在短時間內生產所需要的蛋白，從細胞裂解液製備到進行CFPS反應生產實驗室規模1mg蛋白只需要不到一周的時間，而且細胞裂解液可以提前製備好，當需要生產蛋白時再組成CFPS反應，只需要一天就可以生產出需要的蛋白。不過要將提高產量到工業規模並且可以被廣泛應用，則需要注重批次生產的一致性，也就是針對生產過程的關鍵影響步驟進行品質管控。
生物固碳是目前地球上固碳量最大的方式，想要達到減碳目標不妨向生物取經。因此科學家想到了模仿代謝循環系統，挑選出一系列活性最佳的酵素，組成人工固碳循環系統，進行高效率的連續固碳。然而不直接使用自然界的固碳系統是有原因的，因為這些系統的關鍵酵素都含有難以克服的副作用，例如植物光合作用的RuBisCo酵素，除了固定二氧化碳以外，同時也會利用氧氣進行光呼吸作用產生二氧化碳。
還記得大學的生化課本介紹，所謂酵素就是降低反應活化能的分子，能夠讓原本正常條件下無法自然發生的反應，在細胞內自發或者耗能進行。酵素在細胞內就像工廠裡面的工人，各司其職負責細胞需要的產物生成或降解，而且不同類型的細胞就有不同的流水線配置，例如植物細胞可以透過一連串酵素的流水線配製，將二氧化碳固定轉化為葡萄糖或澱粉儲存；動物細胞可以利用葡萄糖為原料透過一系列酵素合成胺基酸。在合成生物學家眼中，如果將這些各有特長的酵素重組，就有可能生成任何想要的產物，或者用來分解特定的物質轉化為無害的分子。
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)。
過去生技產業生產蛋白質的方式是提供外源性DNA模板到細菌或是哺乳類細胞中，借用細胞內的蛋白質合成系統來生產蛋白。不過細胞也不是笨蛋，不會一股腦地為別人生產蛋白，細胞還是得製造自己生存需要的蛋白，因此很難再提高蛋白質生產的上限。除此之外，細胞對於生產的蛋白也有偏好，具有細胞毒殺性的蛋白產量就會非常的低。
要不我們不要細胞了?