我校物质学院李健课题组在新型无细胞蛋白合成（Cell-free protein synthesis, CFPS）体系构建及优化等方面取得系列进展，相关成果以“Translation related factors improve the productivity of a Streptomyces-based cell-free protein synthesis system”和“Establishing a eukaryotic Pichia pastoris cell-free protein synthesis system”为题，分别于4月22日和5月4日在国际知名学术期刊《ACS Synthetic Biology》和《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》上在线发表。
近年来，无细胞蛋白合成（CFPS）技术迅速发展，成为蛋白表达的新平台。与传统体内蛋白表达系统相比，CFPS体系具有反应条件可控、蛋白产量高、无细胞毒害作用等诸多优点，已被成功应用于合成药物蛋白和膜蛋白等多种难以表达蛋白。目前的CFPS表达体系的构建主要基于原核微生物大肠杆菌，但是由于密码子偏好和缺乏翻译后修饰机制等问题，其在表达高GC含量基因编码蛋白和需要翻译后修饰的真核蛋白等方面存在很多不足之处。针对上述问题，研究人员分别选取链霉菌（Streptomyces）和毕赤酵母（Pichia pastoris）为对象，成功开发和优化了基于上述两种微生物的CFPS体系，为相关蛋白的体外快速表达提供了新平台。
研究人员以前期构建的链霉菌CFPS体系为基础，从蛋白质翻译层面进行优化，通过向反应体系中添加蛋白翻译相关元件，如翻译起始因子、延长因子和核糖体循环因子等，显著提升了链霉菌CFPS体系的蛋白表达能力，使高GC含量基因编码的蛋白产量提高了8倍，达到400 μg/mL左右，这也是目前已报道的在链霉菌CFPS体系中的最高蛋白表达产量，预期该高产体系将为链霉菌来源的天然产物合成酶表达及相关天然产物体外生物合成等研究提供新的技术平台。
图1：从蛋白质翻译层面优化提升链霉菌CFPS体系的蛋白表达能力
为了构建基于真核生物的CFPS体系并用于表达需要翻译后修饰的复杂蛋白，研究人员选取毕赤酵母（Pichia pastoris）为对象，成功开发出了基于毕赤酵母的CFPS体系，并用于表达人源血清白蛋白等几种真核来源的蛋白质，证明了该体系的鲁棒性（Robustness），使其用于表达其他复杂真核蛋白（如糖基化蛋白和膜蛋白等）成为可能。与先前已报道的基于真核生物的CFPS体系（如小麦胚芽体系等）相比，该体系具有易于制备和蛋白产量高等优势，将成为体外表达真核来源复杂蛋白和药物蛋白的新体系。
图2：毕赤酵母CFPS体系的构建及优化
上述两项工作的第一作者分别是物质学院2018级硕士研究生许慧玲和2017级硕士研究生张凌凯，通讯作者均为李健教授，上科大为唯一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市浦江人才计划以及上科大科研启动基金等项目的支持。
研究团队（左起）：研究生张凌凯、研究生许慧玲、李健教授
论文一链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.0c00140
论文二链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2020.00536
据悉，由于李健教授在无细胞合成生物学领域的研究贡献，近期已受邀担任《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》杂志的第一客座编辑（Guest Topic Editor），与中、美、英等三国的研究人员一起，组织出版以“Cell-Free Synthetic Biology”为主题的研究专刊（Research Topic）。这表明上海科技大学在无细胞合成生物学领域的研究已在国际上受到关注，通过这一专刊的出版，也将进一步提升我校在相关领域的影响力和知名度。同时，上述成果的取得，也体现了上海科技大学在推动人才培养、学科交叉和创新研究等方面所取得的积极进展。
图3：Cell-Free Synthetic Biology研究专刊页面
专刊链接：https://www.frontiersin.org/research-topics/12103/cell-free-synthetic-biology