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无细胞系统与无细胞生物制造
无细胞蛋白合成（CFPS）绕过活细胞：反应管中的核糖体和翻译因子在数小时（而非数周）内产出目标蛋白，并可掺入有毒和非天然氨基酸。
1 · 带来什么
无细胞系统（Cell-Free Protein Synthesis，CFPS）是一种在工业合成中摒弃活宿主细胞的范式：仅从生物体 提取翻译分子机器（核糖体、tRNA、起始/延伸/终止因子），在反应管中与 DNA 模板、氨基酸和 ATP 再生 系统组装。活细胞将多达 80% 的资源用于自身代谢；无细胞系统将全部活性导向产物，把合成从数周缩短到 数小时，并能生产对细胞有毒的蛋白以及掺入非天然氨基酸。
无细胞生产的关键平台：
- 裂解物 CFPS (Cell Lysate CFPS): E. coli、CHO、麦胚提取物——即用型翻译复合体。
- 重建 PURE (PURE): 36 种纯化 E. coli 酶，无内源蛋白酶——绝对纯度。
- 酶级联 (Cell-Free Cascades): 10–20 种耐热酶，无需细胞即可将糖转化为化学品。
- 纸基传感器 (Paper TX-TL): 冻干 TX-TL + 核糖开关，用于现场诊断。
产业价值链#
[生产菌培养] ──> [裂解与离心] ──> [裂解物]
│
(DNA + ATP 级联)
│
▼
[目标蛋白] <─── [亲和纯化] <─── [体外合成，数小时]
价值链层级#
| 层级 | 描述 | 关键输入/输出 |
|---|---|---|
| Lysate Production | 细胞培养、裂解、核糖体/酶分离 | 入: 细胞、匀浆机。出: 标准化裂解物。 |
| Energy Formulation | ATP 再生缓冲液（磷酸烯醇丙酮酸/葡萄糖） | 入: 辅因子、氨基酸。出: 能量混合物。 |
| DNA Template | 带有 T7 启动子的 de novo 合成/扩增 | 入: 数字基因设计。出: DNA 模板。 |
| In-Vitro Synthesis | +30–37°C 混合裂解物、缓冲液、模板 | 入: 裂解物、缓冲液、模板。出: 反应混合物。 |
| Purification | 亲和层析与过滤 | 入: 反应混合物。出: 纯蛋白。 |
| On-Demand Distribution | 用于现场合成的冻干试剂盒 | 入: 冻干物、卡盒。出: 现场试剂盒。 |
行业的横切技术：
- 廉价底物 ATP 再生: 葡萄糖/淀粉上的 10–12 酶级联，能量成本降低 100 倍。
- 非天然氨基酸 (nSAA): 重分配 tRNA/合成酶以掺入人工氨基酸（ADC、点击化学）。
- 连续流微流控反应器: 连续补料并去除抑制剂——可连续合成数日。
2 · 替代什么 0 · 按行业匹配
暂无关联的已评级替代方案。
3 · 如何实施 6 步
- 1CHO 裂解物在 cGMP 反应器中培养 CHO，去污剂裂解，30,000 g 离心，用微球菌核酸酶去除自身 mRNA。
- 2反应混合物反应器加入裂解物、抗体 DNA 模板、能量缓冲液、氨基酸及位于 UAG 密码子的非天然氨基酸（pAMF）。
- 3无细胞合成合成与转化+32°C 下连续补料并透析抑制剂；T7 翻译在 10 小时内产出修饰抗体，滴度 2.5 g/L。谁能完成这一步 自动匹配1,200 tons 工业规模“is a biotechnology company specializing in green pharmaceutical technology, biocatalysis, and synthetic biology.”工业规模“First-generation biomanufacturing: Fermentation-based production of organic acids, amino acids, vitamins, alcohols, and related bio-based products from starch (corn, cassava) using …”75,000 tonnes per year 中试规模“Its core technology involves the polymerization of lactic acid into high-performance PLA grades used in packaging, automotive components, 3D printing, and consumer goods.”
- 4亲和纯化纯化与下游Protein A Sepharose 结合抗体；pH 3.0 洗脱，中和至 pH 7.2。谁能完成这一步 自动匹配✓ ISO 9001“Crystallization and refining: In-house developed DP Crystallizer and Oslo Crystallizer for tailored crystallization and refining processes; integrated purification units combining …”✓ ISO 9001 工业规模“Minimal processing that preserves essential nutrients and phytochemicals via their PS 2.0 downstream process, avoiding cell damage and nutrient loss.”工业规模“With fungal and bacterial secretion systems, we custom produce the evolved enzyme products in large-scale fermentation and downstream processes.”1,200 tons 工业规模“CRO/CDMO and Testing/Quality Research Services: Comprehensive contract research and development, analytical, and quality assessment capabilities with access to NMR, LC-MS, GC-MS, …”ScaleUp Bio 新加坡10,000 L 中试规模“Core capabilities span pilot-industrial fermentation and downstream unit operations (centrifugation, TFF, chromatography, solvent extraction, spray/freeze drying) with cGMP …”
- 5点击化学DBO-连接子-毒素（MMAE）在 2 小时内与抗体叠氮基团反应；固定 DAR = 2.0。
- 6最终控制纯化与下游0.22 µm 无菌过滤、冻干、MALDI-TOF DAR 控制、无菌和热原检测。谁能完成这一步 自动匹配✓ ISO 9001“Crystallization and refining: In-house developed DP Crystallizer and Oslo Crystallizer for tailored crystallization and refining processes; integrated purification units combining …”✓ ISO 9001 工业规模“Minimal processing that preserves essential nutrients and phytochemicals via their PS 2.0 downstream process, avoiding cell damage and nutrient loss.”工业规模“With fungal and bacterial secretion systems, we custom produce the evolved enzyme products in large-scale fermentation and downstream processes.”1,200 tons 工业规模“CRO/CDMO and Testing/Quality Research Services: Comprehensive contract research and development, analytical, and quality assessment capabilities with access to NMR, LC-MS, GC-MS, …”ScaleUp Bio 新加坡10,000 L 中试规模“Core capabilities span pilot-industrial fermentation and downstream unit operations (centrifugation, TFF, chromatography, solvent extraction, spray/freeze drying) with cGMP …”
4 · 谁来交付
匹配的供应商 (自动匹配)
| Simple Planet | 韩国 | 生产商 | 运营中 |
| Integriculture | 日本 | 设备 | 运营中 |
| UMAMI Bioworks | 新加坡 | 生产商 | 运营中 |
| CellMEAT | 韩国 | 生产商 | 运营中 |
| Aleph Farms | 以色列 | 生产商 | 运营中 |
| ImpacFat | 新加坡 | 生产商 | 运营中 |
| Unibio | 丹麦 | 生产商 | 运营中 |
| Pensées | 韩国 | 生产商 | 运营中 |
服务与供货目录 1 · 付费服务
领先企业与机构（摘自简报）
| 公司 / 机构 | 国家 | 关键产品 / 平台 | 技术特点 | 2026 年状态 |
|---|---|---|---|---|
| Sutro Biopharma | 🇺🇸 美国 | XpressCF®（CDMO） | CHO/E. coli CFPS 达数千升；毒性蛋白、ADC | 商业化 |
| GreenLight Biosciences | 🇺🇸 美国 | 无细胞 RNA 平台 | 酶法 dsRNA/mRNA 吨级合成 | 商业化 |
| GeneFrontier | 🇯🇵 日本 | PUREfrex® | 36 种纯化酶、无蛋白酶 | 商业化 |
| TIB CAS | 🇨🇳 中国 | ASAP（CO2 合成淀粉） | 11 酶级联、8.5× 光合作用 | 研究 |
| Swiftscale Biotherapeutics | 🇺🇸 美国 | 快速 CFPS | 24 小时内 DNA→蛋白（个性化肿瘤） | 放大中 |
| Northwestern University | 🇺🇸 美国 | on-demand TX-TL 试剂盒 | 纸基/卡盒冻干（Jewett Lab） | 研究 |
5 · 法规与市场准入
美国
美国在治疗性蛋白和 RNA 农药的无细胞商业化方面领先（DARPA、风投）。
Sutro, GreenLight, Jewett Lab, DARPA on-demand pharmacy#
- Sutro Biopharma: 基于 E. coli/CHO 裂解物的 XpressCF® 平台——抗体和 ADC，反应器达数千升。
- GreenLight Biosciences: 无细胞合成 dsRNA 和 mRNA（农用农药、疫苗），吨级产能。
- DARPA 现场制药 + Jewett Lab（西北大学）: 由冻干卡盒驱动的便携合成箱。
欧盟
欧盟在高纯度 PURE 系统和无细胞产物的安全标准方面领先。
PUREfrex (GeneFrontier), Horizon Europe, Max Planck/CNRS#
- PUREfrex (GeneFrontier): 由 36 种酶重建的系统——无细菌 LPS 的蛋白筛选。
- Horizon Europe: 用于食品和纺织酶的微流控/膜反应器。
- Max Planck/CNRS: 人造细胞——脂质囊泡中的无细胞系统。
中国
中国押注大规模无细胞酶级联（中科院、TIB）。
TIB CAS, cell-free starch from CO2, cascade biocatalysis#
- TIB CAS（ASAP）: 11 酶级联由 CO2/H2 合成淀粉——效率为玉米光合作用的 8.5 倍。
- 多步生物催化: 稀有糖（阿洛酮糖、塔格糖）、肌醇、氨基酸，无需活体 GMO。
- 国家重点研发计划: 用于连续工业反应器的固定化酶。
6 · 资金：招标与资助
| 资助 | 开发用于生物制品发现和/或生产的无细胞蛋白合成平台 European Commission · 欧盟 | 2027年4月13日 179 天 |
| 资助 | UKRI 转化资助：MRC 概念验证——第一阶段 UKRI · 英国 | 2026年11月18日 33 天 |
| 资助 | 以知识整合和包容性治理推动变革的生活实验室 European Commission · 欧盟 | 2027年9月22日 341 天 |
| 资助 | 保护农田常见鸟类和哺乳动物，建设有韧性的粮食生产体系 European Commission · 欧盟 | 2027年9月22日 341 天 |
| 资助 | 推动食品体系微生物组方案商业化 European Commission · 欧盟 | 2027年9月23日 342 天 |
7 · 技术栈与创新
该技术栈以 PURE、廉价 ATP 再生和遗传密码扩展为基础。
- PURE（重建翻译）:
- 36 种纯化 E. coli 酶 + 70S 核糖体；无蛋白酶/核酸酶→绝对纯度蛋白。
- 廉价底物 ATP 级联:
- 麦芽糖糊精磷酸化酶 + 淀粉/葡萄糖级联——ATP 再生成本低 100 倍。
- 遗传密码扩展:
- 无 RF1 裂解物（C321.∆A）——琥珀密码子用于非天然氨基酸（对叠氮苯丙氨酸），实现 ADC 点击化学。