無細胞蛋白表達技術的模板可以是線性DNA（如PCR產物）或環狀質粒，需包含啟動子（如T7/T3/SP6）和核糖體結合位點（RBS）以啟動轉錄翻譯。為提升效率，系統可能添加分子伴侶（如DnaK/GroEL）輔助蛋白折疊，或氧化還原劑（如谷胱甘肽）促進二硫鍵形成。部分高級系統（如PURE體系）使用純化重組元件替代粗提物，實現更高可控性，但成本較高。無細胞蛋白表達技術可靈活引入非天然氨基酸（nnAA），擴展了蛋白質的功能多樣性。例如，通過定制tRNA和氨酰-tRNA合成酶，無細胞蛋白表達技術系統能準確將熒光標記或交聯基團嵌入目標蛋白，用于結構生物學或藥物偶聯開發。更前沿的應用是人工生命體系的構建，如利用無細胞蛋白表達技術合成噬菌體或人工細胞雛形，結合微流控技術模擬細胞內代謝網絡，為合成生物學研究提供可控的簡化模型。添加 2 mM 鎂離子可使 ??大腸桿菌體外蛋白表達??產量提高 60%。目的蛋白表達條件篩選

無細胞蛋白表達技術CFPS的開放體系特性使其對實驗環境極為敏感。裂解物中的酶活性會隨凍融次數下降，需分裝保存并避免反復凍融；反應中核酸酶殘留可能導致模板降解，常需額外添加抑制劑（如RNasin）。此外，不同批次的裂解物活性可能存在差異，導致實驗結果難以重復。例如，某研究組發現同一模板在連續三次實驗中蛋白產量波動達30%，后來通過標準化裂解物制備流程（如固定細胞生長OD值）才解決該問題。這些細節要求使得CFPS的操作容錯率較低。桿狀病毒蛋白表達量CHO細胞重組蛋白表達??是生產抗體的常用技術。

體外蛋白表達正在革新現場快速檢測技術。以瘧疾診斷為例：將凍干的大腸桿菌裂解物、瘧原蟲 HRP2 基因 DNA 及顯色底物預裝在微流控芯片中，加入水樣后啟動 30 分鐘體外蛋白表達反應，生成的 HRP2 蛋白催化顯色劑變紅，靈敏度達 5 寄生蟲/μL（傳統試紙只 200/μL）。此方案在剛果金野外測試中顯示，陽性檢出率提升 40% 且無需冷鏈運輸。類似技術已擴展至COVID-19檢測——用患者鼻拭子 RNA 直接合成 Spike 蛋白，結合納米金抗體實現 1 小時確診。這種 “即測即表達”模式 將診斷成本降至 $0.5/次，成為資源匱乏地區的抗疫利器。

體外蛋白表達技術的重點在于利用細胞裂解物中的生物合成機器（核糖體、tRNA、翻譯因子）在試管中直接合成蛋白質。以大腸桿菌系統為例：首先制備含T7啟動子的線性DNA模板，將其與商業化裂解物（如RocheRTS100）、能量混合物（ATP/GTP）及20種氨基酸混合，在37℃振蕩反應2-4小時即可完成蛋白表達。整個過程無需細胞培養與基因轉染，速度比傳統方法快10倍以上。例如，COVID19刺突蛋白RBD結構域的體外表達只需6小時，而HEK293細胞系統需5天。該技術的關鍵優勢是開放體系的可編程性——可直接添加非天然氨基酸（如Azidohomoalanine）合成定制化蛋白，為藥物偶聯物開發提供高效平臺。通過微型化??體外蛋白表達??系統，24小時內測試了50種激酶抑制劑的效價。

20世紀90年代后，隨著分子生物學和合成生物學的進步，無細胞蛋白表達技術技術迎來突破。研究者通過優化裂解物制備（如敲除大腸桿菌核酸酶）、開發能量再生系統（如Phosphoenolpyruvic acid，PEP循環），明顯提升蛋白產量和反應時長。2000年代初，連續交換式反應體系（CECF）的出現解決了底物耗盡問題，使反應時間延長至24小時以上，產量達毫克級，為工業化鋪平道路。此階段，無細胞蛋白表達技術開始應用于毒性蛋白合成和抗體片段生產，但成本仍較高。大腸桿菌裂解物添加含T7啟動子的線性DNA后，利用其??高密度核糖體??快速啟動蛋白表達。毒性蛋白表達優化

芯片級體外蛋白表達平臺在個性化醫療中尤為關鍵，能夠為cancer患者快速篩選驅動突變的體外蛋白表達產物。目的蛋白表達條件篩選

盡管體外蛋白表達在科研領域優勢明顯，其規模化應用仍面臨三重挑戰：裂解物制備成本高： 真核裂解物（如兔網織紅細胞）的原料獲取與標準化生產難度大，單位成本遠超微生物發酵；反應體系穩定性不足： 蛋白酶/核酸酶導致的產物降解及底物（如ATP）快速耗竭限制持續合成時間；產物濃度天花板： 當前比較好工藝的蛋白產量約5g/L，較CHO細胞系統（>10g/L）存在差距。解決這些瓶頸需開發 工程化裂解物（如RNase缺陷型菌株）與連續流灌注技術，提升經濟可行性目的蛋白表達條件篩選