本文是发表于《Biotechnology and Bioprocess Engineering》期刊2024年卷的研究论文，题为《photothermal heating of cell-free reactions for on-site production of recombinant proteins》。主要作者包括Kyunghwan Yeom, Yu Jin Park, Hansol Kim, Dong-Yeon Song, Dong-Myung Kim以及Ji-Ho Park，所属机构涵盖韩国高等科学技术研究院（KAIST）和忠南国立大学。
在去中心化生产环境中，利用无细胞蛋白质合成技术（cell-free protein synthesis, CFPS）进行现场重组蛋白质的生产具备显著潜力。然而，这项技术对温度控制要求严苛，而现有的加热方法体积庞大，难以在现场应用。为了克服这一挑战，研究团队提出通过将具有光热特性的金纳米棒（gold nanorods, GNRs）整合到CFPS反应混合物中，并使用手持式激光模块发射的近红外光（near-infrared light, NIR）来激活这些GNRs，从而实现快速、精确的温度控制，最终提高蛋白质产量。
本研究使用多种化学试剂和生物材料，包括ATP、GTP等核苷酸，肌酸激酶，来自大肠杆菌mre600菌株的tRNA混合物等。反应混合物通过Nucleobond Xtra Maxi Kit从马赫雷-纳格尔公司购得的质粒DNA进行转染。14C标记的亮氨酸购自PerkinElmer公司。
PEG-GNRs通过将CTAB（六水合氯化铂）稳定的GNRs与巯基PEG（methoxy-poly(ethylene glycol)-thiol）进行表面交换制备。CTAB-GNRs用种子媒介法合成。通过超声波振荡法制备种子溶液，并在28°C下孵育2小时。生长溶液通过添加硝酸银、氯金酸和抗坏血酸制备。PEG-GNRs通过离心技术进行收集和清洗，并使用UV/Vis分光光度计和动态光散射仪测定其光学和表面电位特性。透射电子显微镜用于观察纳米棒形貌及尺寸分布。
标准反应混合物包括HEPES缓冲液、各类核苷酸、二硫苏糖醇、总tRNA混合物、氨基酸、肌酸磷酸、肌酸激酶及质粒DNA。反应混合物放置于聚二甲基硅氧烷（PDMS）孔板中，通过NIR 808 nm激光模块完成光热加热，温度通过热像红外相机监测。
合成的蛋白质通过放射性标记氨基酸和SDS-PAGE分析，荧光信号通过CLARIOstar微孔板读数仪测定。
CFPS的合成效率明显受温度影响。在30°C下，CFPS达最优。低于10°C几乎没有蛋白质合成，而且在不额外加热的室温下（约25°C），合成的蛋白质量仅为最优条件下的20%。
PEG-GNRs的纵向吸收峰约为810 nm，适合光热应用。TEM图显示其呈棒状，长宽比约为4.3。
用便携式808 nm激光模块进行激光照射，并监测PDMS孔内溶液表面温度。结果表明，光热加热能使溶液迅速升温至理想温度（30°C）。
光热加热方式的CFPS在蛋白质荧光信号和合成效率上均高于传统的30°C孵育方法。在光热加热20分钟后，荧光信号比孵育方法高1.60倍，30分钟后高1.63倍。放射性蛋白标签分析显示，通过光热加热法，在20分钟和30分钟后，分别合成了334.11 µg/ml和454.78 µg/ml的sfgfp，分别是孵育方法的5.6倍和3.3倍。
本研究证明了便携式激光模块诱导的PEG-GNRs光热效应在CFPS中的有效性。通过光热能转换直接在溶液内加热，使局部温度迅速上升，从而增加蛋白质生产。这种方法不仅简化了加热设备的需求，还在较短时间内显著提高蛋白质产量，适合多种便携式应用。然而，在实际应用中，去除最终反应混合物中的GNRs仍需解决。我们预计可以通过离心或过滤等方法有效分离这些纳米棒。
重要意义
该研究展示的高效、可扩展并便携的光热效应诱导的CFPS系统为传统无细胞蛋白质合成应用提供了广泛的潜力，标志着这一领域的重大进展。
相关数据和更多细节可访问https://doi.org/10.1007/s12257-024-00051-3。