在合成生物學和綠色生物制造快速發展的今天，酶工程作為核心技術，正推動著醫藥、環保、化工等領域的革新。然而，傳統的酶改造過程往往受限于活細胞表達系統的“慢節奏”和“高門檻”，面臨著周期長、代謝負擔重、基因表達不穩定等諸多痛點，成為制約酶定向進化和工業化應用的瓶頸。近年來，隨著技術的優化和升級，無細胞蛋白表達技術（CFPS）正以其“開掛”般的速度與靈活性，從基礎研究走向實際應用，成為酶工程領域的熱門工具，在酶的定向進化、高通量篩選、工業化酶制劑開發等方面展現出巨大潛力。

CFPS系統，是一種無需依賴完整活細胞即可在體外合成蛋白質的技術。它利用細胞中預先存在的分子工具箱（細胞中提取的裂解物，如核糖體、酶、ATP等），在體外直接“組裝”出目的蛋白。

對于酶工程而言，這一技術帶來了革命性的優勢：

【案例分享】：珀羅汀生物（PLD Technology）基于自主研發的CFPS系統建立的高通量酶篩選、驗證突變體酶的方案，在3天內完成了近百種突變蛋白的構建表達及活性驗證，顯著縮短了蛋白篩選的時間，減少了人工操作成本，可極大提高研發效率。

 
圖1：珀羅汀生物高通量酶篩選方案

機器學習與CFPS的結合徹底改變了酶工程范式，CFPS技術通過體外快速合成蛋白質，將“學習-設計-構建-測試”環節從數天壓縮至數小時，并能夠表達對細胞有毒或難折疊的蛋白，為機器學習模型提供了海量、高質量序列-功能關系數據。2025年發表于Nature Communications上的文章介紹了一種機器學習（ML）引導的CFPS平臺，能夠快速生成大規模的酶變體序列-功能關系數據，用于預測性設計，可在一周內同時完成六種酶的改造任務，活性提升高達42倍^[1]。

 
圖2：機器學習指導的無細胞酶工程平臺

面對全球塑料污染危機，高效降解酶的開發迫在眉睫。然而，傳統的塑料降解酶研究依賴大腸桿菌等微生物表達系統，面臨著異源基因表達不穩定、連續培養易產生基因突變、篩選周期長等問題。韓國慶北大學的研究團隊利用優化的CFPS平臺，成功合成了角質酶和 PET 降解酶（PETase），并利用含聚合物瓊脂板評估其催化活性，實現了塑料降解酶的快速篩選和活性評估^[2]。該研究確立了以 CFPS 作為酶工程的強大工具，能夠快速篩選和優化塑料降解生物催化劑，用于生物修復和工業回收。

生物催化常被視為一項成熟技術，通過分子生物學技術、生物信息學工具和定向蛋白質進化的進步，已達到工業可行性。然而，開發工業生物催化劑仍需大量時間和資金投入，這限制了生物催化在更廣泛化學界的采用。例如，在活性藥物成分的早期化學開發中，生物催化途徑可能因野生型酶活性低或穩定性不足而不如化學方法。Telek等人開發的RISE（快速體外半理性工程）平臺^[3]，集成了計算設計、無細胞DNA操作、CFPS表達與迭代測試，讓普通化學實驗室也能進行酶改造。

 圖3：RISE平臺

未來，CFPS技術與酶工程的融合將走向更深層次：一方面，結合人工智能和機器學習，實現酶的計算設計與無細胞高通量篩選的無縫對接，讓酶改造更具精準性和方向性；另一方面，CFPS技術將從實驗室的小規模研發走向中試和工業化生產，實現工業酶制劑的體外高效合成，推動生物催化在醫藥、化工、環保、農業等領域的廣泛應用。

同時，無細胞合成體系還將與合成生物學、代謝工程深度融合，構建更加復雜的人工酶促反應網絡，實現從簡單前體到高價值產物的一步合成，真正實現綠色、高效、可持續的生物制造。