戴着手套的手拿着一个装有液体的小瓶，里面插了一根针

现场准备的iVAX疫苗的艺术表演。图片来源:Justin Muir

今年1月，美国食品和药物管理局(fda)授予一种细菌性肺炎球菌病疫苗突破性地位。

VAX-24由加州圣卡洛斯市的Vaxcyte公司开发，它能诱导免疫反应链球菌引起的肺炎通过将身体暴露于与载体蛋白相关的细菌糖中，即蛋白质结合疫苗。市场领先的PREVNAR-20由美国制药巨头辉瑞公司生产，具有类似的设计。但是prevnar20的蛋白质结合物是从细菌中纯化的，而VAX-24中的蛋白质结合物是用生物化学方法构建的。

Vaxcyte是越来越多采用这种无细胞生物合成策略的生物制造公司之一。这种方法不依赖酵母或细菌来制造生物分子，而是去除细胞中使其“活”的所有成分——长链DNA、复杂的内质网折纸，甚至是细胞膜的堡垒——并将剩下的部分冷冻干燥。然后，科学家们可以将干燥的材料加水，并添加核酸来编程分子机械，以根据需要制造无限阵列的蛋白质。

德国马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所的微生物生理学家托拜厄斯·埃尔布将这一过程比作使用商业蛋糕粉:只需加水并烘烤。伊利诺斯州埃文斯顿西北大学的化学和生物工程师迈克尔·朱伊特(Michael Jewett)认为，这种策略更像是打开汽车的引擎盖，取出发动机，重新利用它来为钻头提供动力。

“它使生物学在化学上变得更加多样化，同时，它使化学变得更加复杂，”Erb说。例如，朱伊特已经证明，在无细胞系统中的核糖体可以用来构建具有新的化学骨架的生物聚合物，以及蛋白质。其他研究人员使用无细胞系统用非标准氨基酸合成蛋白质。

几十年来，研究人员一直在使用无细胞系统进行生化反应，但主要是在研究实验室。现在，由于可靠性和规模的进步，无细胞合成正在成为从诊断传感器开发到疫苗生物制造等各个领域的主要工具。

不过，挑战依然存在。精简的简单性使得无细胞系统如此可取，同时也使关键的蛋白质修饰复杂化，包括碳水化合物的附着(糖基化)和分子伴侣辅助的折叠。在无细胞技术用于生物制药制造和其他应用之前，需要克服这些障碍。

但是，纽约伊萨卡康奈尔大学的生物工程师马修·迪丽莎(Matthew DeLisa)说，这样做实际上只是一个工程问题。“无细胞系统，”他说，“把蛋白质合成变成了一个化学问题，而不是生物学问题。”

从啤酒到生物制药

从生产奶酪和面包的自然发酵过程，到可以泵出胰岛素的生物工程细胞，人们长期以来一直将细胞作为活的工厂。

但高效的过程需要谨慎的平衡——生物工程师必须与细胞的内部机制竞争，后者更感兴趣的是帮助细胞生长和分裂，而不是做有用的工业工作。

“细胞并不是真的想制造可持续产品。他们不想为我们制造胰岛素，他们不想充当诊断工具。从进化的角度来看，这并不是他们的主要目标，”朱伊特说。

迈克尔·朱伊特在实验室工作。

Michael Jewett在西北大学研究无细胞过程。图片来源:西北大学提供

为了使这一过程更有效，科学家们打开(或溶解)活细胞，提取出感兴趣的分子机制，留下其他成分。1907年，德国化学家爱德华·布赫纳(Eduard Buchner)因使用无细胞酵母裂解物证明发酵的生物化学而获得诺贝尔化学奖。大约半个世纪后，美国国立卫生研究院的研究人员使用无细菌细胞提取物来破译遗传密码。

位于马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所细胞工程小组的负责人伊丽莎白·斯特查尔斯基(Elizabeth Strychalski)说:“你拥有与生命系统一起工作的所有好处，而没有所有有问题的开销。”

那么，为什么生物制造迟迟没有采用这项技术呢?在某种程度上，这完全是惯性造成的。加州斯坦福大学的化学工程师詹姆斯·斯沃茨说:“人们只是花了很长时间才明白，我们不需要一个活的有机体来进行复杂的新陈代谢，进行复杂的分子重排，甚至制造复杂的蛋白质。”

按需蛋白质

转变缓慢的一个原因是，培养大量细菌和酵母比进行生化反应更便宜、更容易，而生化反应需要昂贵的试剂、能源和其他材料。细胞也会按照规定的顺序进行这些反应，这在小瓶中是很难保证的。而且它们可以产生更高的所需产品的产量。

但现在，多年的分子修补使无细胞系统更加高效和经济。加州圣莱安德罗Tierra Biosciences的首席执行官迈克尔·内姆泽克(Michael Nemzek)说，行业兴趣日益增长背后的最大因素是长dna合成和小型化等外围技术的改进，这些技术使制造长蛋白质和小批量测试变得更容易。

朱伊特说，另一个关键的进步涉及存储。研究人员不需要冷藏和复杂的冷链，而是可以无限期地储存大多数无细胞制剂，并在需要时给它们补水。他说:“这有点像冻干的冰淇淋——你可以把它带到任何地方。”这使该技术增加了速度和灵活性，而全球疫苗供应链往往缺乏这些特性。

装有水样的试管在照明器内发出绿色的光，表明受到污染。

无细胞过程可以用来制造检测水中污染物的生物传感器。来源:西北大学

尽管信使RNA技术取得了迅速的进步，但世界上大多数疫苗都是由蛋白质结合物制成的，这种结合物使用多糖蛋白组合来引发免疫反应。朱伊特说，理论上，实验室可以在一小时内将冷冻干燥的细胞提取物重新水化，并开始生产这种疫苗。斯坦福大学生物工程师杰西卡·斯塔克(Jessica Stark)说，公共卫生官员将不必等待制药公司从地球的另一端运送剂量。药房和卫生部门可以按需生产疫苗和治疗方法。

Stark说:“COVID-19大流行确实揭示了一个事实，即我们需要更好的方法来快速制造和分发药物，以应对新出现的病原体。”

Vaxcyte的合作伙伴，位于加州南旧金山的Sutro Biopharma公司，依靠无细胞生物合成来设计、发现和合成治疗癌症的蛋白质，包括将药物传递到特定细胞或识别两种而不是一种抗原的抗体，以及称为细胞因子的免疫系统蛋白质。Tierra Biosciences使用无细胞生物合成技术创造从药物发现和临床试验的定制蛋白质到用于筛选和研究的肽库的一切。内姆泽克说:“你可以上传一个蛋白质序列，等几个星期，我们就会给你快递一个包裹。”

伊利诺伊州埃文斯顿的Stemloop公司首席执行官哈立德·阿拉姆(Khalid Alam)将公司带向了一个不同的方向。该公司不使用药物，而是使用无细胞系统，利用被称为转录因子的dna结合蛋白来制造生物传感器。这些蛋白质被环境中的分子打开，以诱导用户可以看到的荧光或彩色编码蛋白质的表达。Alam希望能有广泛的应用，从治疗传染病到检测饮用水中的重金属——朱厄尔将其比作“水的怀孕测试”。

阿拉姆说:“我们的任务是解锁生物学所具有的感知和应对环境条件变化的能力。”这些传感器“让任何人都能感知周围的世界”。

前进

受按需建立治疗方法和生物传感器的可能性的吸引，美国陆军去年3月拨款1300万美元，资助西北大学一个新的无细胞生物制造研究所，由朱伊特执掌。它的目标是解决持续存在的成本、产量和可重复性问题，以促进无细胞系统的更广泛使用。

例如，抗体已经成为许多制药公司的面包和黄油，DeLisa说，使用无细胞方法合成这些分子的能力将是“游戏规则的改变者”。但他说，即使是最简单的抗体对于现有的无细胞平台来说也太复杂了。没有根本原因表明这项技术不能合成抗体，但科学家们还没有找到具体的方法。

部分问题在于折叠:许多复杂蛋白质需要其他被称为伴侣的蛋白质才能达到它们的最终形态。

还有一个棘手的问题是糖基化。人类一半的蛋白质都带有控制蛋白质活性的碳水化合物基团。来自细菌的无细胞系统缺乏向蛋白质添加糖的机制，而哺乳动物细胞提取物可以添加所需的和不需要的化学修饰。DeLisa和其他研究人员正在为细菌无细胞提取物开发特定的糖基化模块，这将使研究人员能够保持对过程的控制并保持其准确性。

Strychalski说，另一个障碍是缺乏使无细胞反应更像计算机代码而不是炼金术的工具。例如，她正在研究改进的探针，使研究人员能够在分子水平上跟踪反应，而不仅仅是在最后表明成功。

Strychalski说，即使克服了这些障碍，无细胞合成也可能永远不会完全取代基于细胞的合成。一些公司已经优化了他们的生产设施，以与细胞合作，一些分子可能总是更容易和更便宜的方式生产。

尽管无细胞系统看似简单，但它们仍然极其复杂。研究人员还没有很好地处理试管中发生的事情，以有效地建模和扩大规模。但随着无细胞系统在生物制造工具集中占据一席之地，它们为研究人员提供了一个新的、越来越有吸引力的选择:只需加水。