这篇文章是一项关于细胞无蛋白质合成（CFPS）技术进步的详细研究，从增长介质活化能量代谢的角度实现了CFPS的24小时工作流程。文章的主要作者包括Max Z. Levine, Byungcheol So, Alissa C. Mullin, Rob Fanter、Kayla Dillard、Katharine R. Watts、Michael R. La Frano和Javin P. Oza，研究发表于ACS Synthetic Biology期刊上的“activation of energy metabolism through growth media reformulation enables a 24-hour workflow for cell-free expression”。这篇文章发表于2020年8月24日。

学术背景

细胞无蛋白质合成（CFPS）平台已经经过多次流程改进，使其在科研、生物制造和教育中得到广泛应用。该技术主要基于大肠杆菌（Escherichia coli）的细胞提取物，被广泛采用是因为其低成本和多样性。然而，生成粗细胞裂解液的前期处理仍是CFPS成本和技术难度的主要来源之一，为了克服这些限制，作者团队开发了一种长期自动诱导介质配方，可在不需要人工干预的情况下支持高细胞密度培养的细胞增长。

研究的目的

此研究的主要目的是通过对细胞无蛋白质合成技术中的代谢能量限制进行分析，实现更高效的CFPS流程。研究团队希望通过开发适合细胞无蛋白质合成的自动诱导培养基（CFAI）来提高CFPS的反应产量，同时减少时间和经济成本，提高简便性和可重复性，从而降低对新使用者的门槛。

研究流程

此研究的主要研究环节包括： 1. 开发一种新的细胞无蛋白质合成的自动诱导培养基(CFAI)。 2. 比较传统和新型培养基下不同培养条件生成的细胞提取物的活性。 3. 使用代谢组学分析比较在不同培养条件下生成的提取物的代谢状态。

首先，研究团队测试了新的CFAI培养基在高密度细胞培养中的表现，结果显示可以获得约400%更高的细胞质量和相应的提取物体积。其次，他们通过单次细胞洗涤代替三次细胞洗涤步骤，验证了该流程的简化不会影响细胞提取物的生产能力。

实验方法和数据分析

研究团队使用代谢组学分析来观察从不同生长阶段和不同培养基获得的细胞提取物的代谢特征。通过主成分分析（PCA），研究者发现CFAI培养基下的高密度细胞培养有助于保持高效的蛋白质合成能力。此外，他们的研究揭示了在细胞提取物的生成和CFPS反应进行中的活性代谢状态。同时，CFAI方法生成的提取物在不同实验条件下表现出一致性。

研究结果

该研究的重要结果包括： 1. 大肠杆菌细胞在高密度培养阶段生成的提取物在CFAI培养基下保持了高蛋白质合成能力。 2. 尽管传统上认为在细胞快速增殖的早中期进行细胞收获是理想的生长阶段，但CFAI培养基通过改良代谢平衡和能量系统打破了这些限制。 3. 代谢组学发现，CFAI培养基在谷氨酰胺和戊糖磷酸途径中表现出了特有的代谢特征。

结论及意义

此研究揭示了细胞无蛋白质合成技术中代谢状态与提取物质量之间的关系，并提供了一种简化且高效的流程，该流程能够在24小时内完成，从而大大降低了新研究人员进入这个领域的技术门槛。该研究不仅在代谢能量调节方面取得了突破，同时也为未来研究在无细胞系统中调节代谢奠定了基础。

研究亮点

1. 开发的CFAI培养基使得无需密切监测细胞密度，从而简化了CFPS的上游工艺。
2. 创新性地将制作细胞提取物的时间缩短到24小时，同时提高了提取物生成的重现性和产量。
3. 代谢组学分析揭示了新培养基下特别高效的代谢路径。

这项研究通过探索细胞无蛋白质合成中的代谢能量平衡和高效工作流程，极大地扩展了该技术的应用可能性。