生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是由自然界中存在的20種氨基酸構(gòu)建而成的，然而，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，醫(yī)療、食品科學(xué)及材料工程等領(lǐng)域?qū)Φ鞍踪|(zhì)性能的需求日益多元化和復(fù)雜化，這些天然蛋白質(zhì)已難以滿足這些多樣化的應(yīng)用需求。而非天然氨基酸（uAAs）及其參與合成的蛋白質(zhì)逐漸展現(xiàn)出性能與潛力，探索利用非天然氨基酸對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的技術(shù)，正逐步成為科研領(lǐng)域中的一個研究熱點。

uAAs作為人工合成的氨基酸衍生物，其化學(xué)性質(zhì)和生物活性為蛋白質(zhì)工程提供了無限可能。利用終止密碼子在蛋白質(zhì)中插入uAAs，可以廣泛拓展蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,增加蛋白質(zhì)的新興應(yīng)用。但在傳統(tǒng)的基于細(xì)胞的蛋白翻譯系統(tǒng)中,翻譯終止因子會和非uAAs競爭終止密碼子位點，造成翻譯的提前終止以及uAAs的低效表達(dá)。而且這些競爭因子大部分都是維持細(xì)胞存活的必需蛋白,無法在細(xì)胞內(nèi)直接去除。而無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)（CFPS）則憑借其優(yōu)勢和無限潛力，不僅為uAAs的表達(dá)和應(yīng)用開辟了一片廣闊的天地，也為蛋白質(zhì)工程、藥物研發(fā)、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域注入了新的活力。

圖1：目前已知的非天然氨基酸生物體合成途徑

圖2：PD-L1共價藥物開發(fā)原理

蛋白質(zhì)工程和生物醫(yī)學(xué)研究：uAAs可以用來探索蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，揭示蛋白質(zhì)的作用機(jī)制，并為蛋白質(zhì)藥物的設(shè)計和優(yōu)化提供重要依據(jù)。通過在蛋白質(zhì)中引入uAAs，可以實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)和功能的精確調(diào)控，從而創(chuàng)造出具有全新功能的蛋白質(zhì)分子。

材料科學(xué)：uAAs還具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，可用于合成高分子材料。這些材料在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中具有廣泛應(yīng)用，如塑料、橡膠和纖維等。通過引入uAAs可以賦予這些材料新的性能特性，如增強(qiáng)耐熱性、耐腐蝕性和耐候性等。

合成成本高：uAAs主要通過化學(xué)合成法生產(chǎn)。這種方法存在反應(yīng)步驟復(fù)雜、生產(chǎn)成本高以及對映體選擇性差等缺點，限制了uAAs的規(guī)模化生產(chǎn)。

技術(shù)困難：在蛋白質(zhì)工程中引入uAAs需要解決一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，如遺傳密碼擴(kuò)展、tRNA/氨酰-tRNA合成酶對的優(yōu)化等。這些技術(shù)難題限制了uAAs在蛋白質(zhì)工程中的廣泛應(yīng)用。

表達(dá)量低：傳統(tǒng)的細(xì)胞內(nèi)表達(dá)存在很多問題，比如細(xì)胞毒性、競爭關(guān)系等等都會造成uAAs的低效表達(dá)。

圖 ：無細(xì)胞非天然蛋白質(zhì)合成體系

1.高效性與精確性

2.靈活性與可定制性

與傳統(tǒng)的細(xì)胞系統(tǒng)相比，CFPS系統(tǒng)具有更高的靈活性和可定制性。研究人員可以根據(jù)需要調(diào)整反應(yīng)體系中的成分和條件，來適應(yīng)不同uAAs和蛋白質(zhì)的需求。這種個性化的優(yōu)化策略不僅提高了合成效率，還保證了產(chǎn)物的純度和活性。

3.快速響應(yīng)與可擴(kuò)展性

4.成本低

圖 ：體內(nèi)表達(dá)、基于質(zhì)粒的CFPS和基于LET的CFPS的勞動力投資比較

表1：無細(xì)胞及細(xì)胞非天然蛋白質(zhì)合成體系比較

珀羅汀生物依托自主研發(fā)的CFPS技術(shù)已成功表達(dá)多個定點插入非天然氨基酸的候選抗體分子！