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?
確實不用細胞就不用擔心細胞毒殺性的問題，生產的蛋白質也不會夾雜著細胞內生性的蛋白。但是我們仍需要細胞內的轉錄和轉譯機制來將DNA模板的序列轉換成蛋白質，因此科學家就想到不如就來個殺雞取卵，將細胞打破後，只留下轉錄和轉譯機制來生產蛋白，無細胞蛋白質合成技術就誕生了。
又是你，E. Coli
大腸桿菌E. Coli是最常被用來生產各種蛋白的生物體，很容易餵入外源性DNA，生長繁殖速度也很快。不過無細胞蛋白質合成技術反過來，先培養出高密度的大腸桿菌，再一次破細胞取得細胞精華(Cell Extract)，含有重要的轉錄和轉譯機制。
蛋白現點現做只要一天不到
細胞精華的準備大約需要三天，但是使用做好的細胞精華加入DNA模板只需要37°C反應4小時即可以生成蛋白質。而且細胞精華做好後可以放-80°C保存至少1年，準備一次就可以省去未來等待細胞生長的時間。
確保高產量還是有眉角
目前研究發現無細胞蛋白質合成系統似乎對DNA模板的純度特別挑剔，利用大腸桿菌放大的質體需要經過純化去除DNA以外的雜質，才能提高蛋白質的產量。鎂離子濃度也需要在一個適當的濃度，過高或過低的鎂離子濃度都會降低蛋白質產量。有趣的是，研究發現反應容器體積本身同樣也會影響蛋白質產量，同樣的反應體積，使用越大的容器，可以得到更高的產量。這個現象或許與氣體交換率相關，越大空氣接觸面積有越好的交換率，而轉錄和轉譯系統或許也需要某些氣體參與，這還有待更多實驗確認。
生物界的3D列印機
無細胞蛋白質合成系統如同生物界的3D列印機工具，使科學家能夠快速將想像轉化為實際產物，而且這個產物不必得是自然產物，如果在系統中額外添加人工胺基酸，甚至能產生強化某些特質的蛋白質。過去對細胞有毒殺性的產物，也可以透過無細胞蛋白質合成技術來生產。隨著這個技術的成熟，或許將改變細胞工廠生產蛋白質的方式。
參考文獻
Levine, M. Z., Gregorio, N. E., Jewett, M. C., Watts, K. R., & Oza, J. P. (2019). Escherichia coli-Based Cell-Free Protein Synthesis: Protocols for a robust, flexible, and accessible platform technology. JoVE (Journal of Visualized Experiments), 2019(144), e58882. https://doi.org/10.3791/58882
文章連結: https://www.jove.com/t/58882/escherichia-coli-based-cell-free-protein-synthesis-protocols-for