ระบบไร้เซลล์เป็น เครื่องมือ ในหลอดทดลองที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาปฏิกิริยาทางชีวภาพ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์โดยแยกออกจากระบบเซลล์แบบสมบูรณ์ ซึ่งช่วยลดปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนซึ่งมักพบเมื่อทำงานในเซลล์ทั้งเซลล์^{[ 1 ]}สามารถแยกส่วนประกอบย่อยของเซลล์ได้โดยการปั่นเหวี่ยงความเร็วสูงเพื่อให้ได้เครื่องจักรระดับโมเลกุลที่สามารถใช้ในปฏิกิริยาโดยปราศจากส่วนประกอบอื่นๆ ของเซลล์^{[ 2 ]} ภายใน เซลล์ยูคาริโอติกและ โปรคาริโอติก ถูกนำมาใช้ในการสร้างสภาพแวดล้อมที่เรียบง่ายเหล่านี้^{[ 3 ] [ 4 ]}ระบบเหล่านี้ทำให้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ แบบไร้เซลล์ เกิดขึ้นได้ โดยให้การควบคุมว่ากำลังตรวจสอบปฏิกิริยาใด รวมถึงผลผลิต และลดข้อควรพิจารณาต่างๆ ที่เกิดขึ้นเมื่อทำงานกับเซลล์ที่มีชีวิตซึ่งมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงมากกว่า^{[ 5 ]}

ระบบแบบไร้เซลล์สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบใช้สารสกัดจากเซลล์ ซึ่งนำส่วนประกอบจากภายในเซลล์ทั้งหมดมาใช้ภายนอก และแบบใช้เอนไซม์บริสุทธิ์ ซึ่งใช้ส่วนประกอบที่บริสุทธิ์ของโมเลกุลที่ทราบว่าเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่กำหนด^{[ 6 ] [ 7 ]}ระบบแบบใช้สารสกัดจากเซลล์มีความเสี่ยงต่อปัญหาต่างๆ เช่น การเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วของส่วนประกอบภายนอกเซลล์เจ้าบ้าน ดังที่แสดงในงานวิจัยของ Kitaoka et al. ซึ่งระบบ การแปลแบบไร้เซลล์ที่ใช้Escherichia coli ( E. coli ) ซึ่งเป็นแบบใช้สารสกัดจากเซลล์ พบว่าแม่แบบ mRNAเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วและนำไปสู่การหยุด การ สังเคราะห์โปรตีน^{[ 8 ]}

วิธีการเตรียมการจะแตกต่างกันไปตามสถานการณ์ของระบบไร้เซลล์ทั้งสองประเภท

เอดูอาร์ด บูชเนอร์ผู้ได้รับรางวัลโน เบล อาจเป็นคนแรกที่นำเสนอระบบไร้เซลล์โดยใช้ สารสกัด จากยีสต์แต่หลังจากนั้นก็มีการค้นพบแหล่งที่มาอื่น ๆ^{[ 9 ] [ 10 ]}อี. โคไลจมูกข้าวสาลีและเรติคิวโลไซต์ ของ กระต่าย ล้วน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในการสร้างระบบไร้เซลล์โดยการสกัดส่วนประกอบภายใน^{[ 3 ] [ 11 ]} ตัวอย่างเช่น สารสกัด E. coli 30Sได้มาจากการบดแบคทีเรียด้วยอะลูมินาตามด้วยการทำความสะอาดเพิ่มเติม^{[ 12 ]}ในทำนองเดียวกัน จมูกข้าวสาลีถูกบดด้วยทรายที่ล้างด้วยกรดหรือผงแก้วเพื่อเปิด เยื่อ หุ้มเซลล์^{[ 13 ] [ 14 ]}เรติคิวโลไซต์ของกระต่ายถูกทำลายในสารละลายMgCl ₂และกรองสารสกัดออกจากเยื่อหุ้มเซลล์โดยการปั่นเหวี่ยง^{[ 15 ]}

ระบบชีวแปลงสภาพชีวสังเคราะห์แบบไร้เซลล์ได้รับการเสนอให้เป็นแพลตฟอร์มการผลิตชีวต้นทุนต่ำแบบใหม่เมื่อเทียบกับการหมักจุลินทรีย์ที่ใช้มานานหลายพันปี^{[ 3 ] [ 16 ]}ระบบชีวไร้เซลล์มีข้อดีหลายประการที่เหมาะสมกับการใช้งานในอุตสาหกรรม: ^{[ 6 ]}

• โดยทั่วไปแล้วจะได้ผลผลิตสูงมากโดยไม่มีการเกิดผลพลอยได้หรือการสังเคราะห์มวลเซลล์ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการสังเคราะห์เอนไซม์จากปฏิกิริยาระหว่างแป้งและน้ำ

C ₆ H ₁₀ O ₅ (ล.) + 7 H ₂ O (ล.) → 12 H ₂ (ก.) + 6 CO ₂ (ก.)

เกือบ 12 H ₂ถูกผลิตขึ้นต่อ หน่วย กลูโคสของพอลิแซ็กคาไรด์และน้ำซึ่งเป็นสามเท่าของผลผลิตตามทฤษฎีของ^{จุลินทรีย์}ที่ผลิตไฮโดรเจนแบบไม่ใช้ ออกซิเจนที่ดีที่สุด [ ^{17 ]}

• ระบบชีวภาพ ในหลอดทดลองสามารถดำเนินการปฏิกิริยาทางชีวภาพบางอย่างที่จุลินทรีย์ที่มีชีวิตหรือตัวเร่งปฏิกิริยา ทางเคมี ไม่สามารถดำเนินการได้ก่อนหน้านี้ ตัวอย่างเช่นเซลลูโลสที่เชื่อมโยงด้วยพันธะเบต้า-1,4-กลูโคซิดิกสามารถเปลี่ยนเป็นแป้งที่เชื่อมโยงด้วยพันธะอัลฟา-1,4-กลูโคซิดิกได้โดยใช้เอนไซม์ทั้งภายในและภายนอกเซลล์ผสมกันในภาชนะปฏิกิริยาเดียว^{[ 18 ]}
• ระบบเอนไซม์ที่ไม่มีสิ่งกีดขวางของเยื่อหุ้มเซลล์ มักจะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยา เร็ว กว่าระบบจุลินทรีย์ ตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงเอนไซม์มักจะมีกำลังไฟฟ้าขาออกสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์มาก^{[ 19 ]}
• ค็อกเทลเอนไซม์สามารถทนต่อสารประกอบที่เป็นพิษได้ดีกว่าจุลินทรีย์^{[ 20 ]}
• โดยทั่วไปแล้ว เอนไซม์ผสมจะทำงานภายใต้สภาวะปฏิกิริยาที่หลากหลาย เช่น อุณหภูมิสูง ค่าpH ต่ำ การมีตัวทำละลายอินทรีย์หรือของเหลวไอออนิก^{[ 16 ]}

ระบบชีวภาพ ในหลอดทดลองสามารถควบคุมและเข้าถึงได้ง่ายโดยไม่ต้องใช้เยื่อหุ้มเซลล์^{[ 16 ]}ที่น่าสังเกตคือ ในงานวิจัยที่นำไปสู่รางวัลโนเบลการทดลองของ Nirenberg และ Matthaeiใช้ระบบแบบไร้เซลล์ ซึ่งเป็นแบบที่ใช้สารสกัดจากเซลล์ เพื่อรวมกรดอะมิโน ที่เลือกไว้ ซึ่งติดแท็กกัมมันตรังสีเข้าไปในโปรตีนที่สังเคราะห์ขึ้นโดยใช้ 30S ที่สกัดจากE. coli [ ^{12 ] [ 21 ] การ}ศึกษาล่าสุด เช่น การศึกษาที่ทำโดย Spirin et al.กับระบบการแปลแบบไร้เซลล์เวอร์ชันโปรคาริโอตและยูคาริโอต ยังได้สังเคราะห์โปรตีนด้วยการผลิตที่เพิ่มขึ้น โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การไหลอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มวัสดุและกำจัดผลิตภัณฑ์^{[ 22 ]}ด้วยความก้าวหน้าดังกล่าวในด้านผลผลิต การประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มผลผลิตจึงขยายวงกว้างขึ้น เช่น การสังเคราะห์โปรตีนฟิวชั่นเพื่อใช้เป็นวัคซีนสำหรับมะเร็งต่อมน้ำเหลืองชนิดบีเซลล์ [ ^{23 ] นอกจาก}นี้ การสังเคราะห์โปรตีนแบบไร้เซลล์กำลังกลายเป็นทางเลือกใหม่สำหรับการสังเคราะห์โปรตีนอย่างรวดเร็ว^{[ 6 ]}

การออกแบบ กระบวนการ เผาผลาญได้สำเร็จผ่านระบบไร้เซลล์^{[ 24 ] [ 10 ] [ 3 ]} ตัวอย่างเช่น Bujara และคณะสามารถใช้ สารสกัดเครือข่าย ไกลโคไลซิสซึ่งประกอบด้วยเอนไซม์จากE. coliที่ผลิตไดไฮดรอกซีอะซีโตนฟอสเฟตเพื่อวิเคราะห์ความเข้มข้นของเมตาบอไลต์ แบบเรียลไทม์ ในขณะที่เปลี่ยนแปลงระดับเอนไซม์ ส่งผลให้มีการผลิตไดไฮดรอกซีอะซีโตนฟอสเฟตอย่างเหมาะสม[ 25 ^{]นอกจากนี้} Calhoun และ Swartz ยังสามารถใช้สารตัวกลางไกลโคไลซิสเป็นเชื้อเพลิงให้กับระบบไร้เซลล์ ทำให้สามารถสร้าง ATP ได้ในราคาที่ค่อนข้างถูก เมื่อเทียบกับการใช้สารเคมีในปฏิกิริยาฟอสโฟอีโนล ไพรูเวต ^{[ 26 ]}

ระบบที่ปราศจากเซลล์ยังถูกนำมาใช้เพื่อรวมกรดอะมิโนที่ไม่เป็นธรรมชาติ^{[ 26 ] [ 27 ]} Shimizu และคณะสามารถเปลี่ยนรหัสหยุดเป็นรหัสความหมายได้ โดยการละเว้น ปัจจัยปลดปล่อย RF1 ซึ่งบ่งชี้ถึงความสามารถในการแทรกกรดอะมิโนที่ต้องการในสถานการณ์ที่ไม่เป็นธรรมชาติ สิ่งนี้มีประโยชน์ในระบบที่การทำงานภายในเซลล์เป็นปัญหา เช่น กระบวนการเผาผลาญกรดอะมิโนที่ป้องกันการติดฉลากเฉพาะของกรดอะมิโนซึ่งจะเป็นประโยชน์ในสเปกโทรสโกปี NMR แบบหลายมิติ[ 28 ^{] Kigawa และ}คณะสามารถติดฉลากกรดอะมิโนได้สำเร็จในระบบที่ปราศจากเซลล์ซึ่งไม่มีการเผาผลาญกรดอะมิโนอีกต่อไป ทำให้ระบบดังกล่าวมีประโยชน์ต่อการศึกษา NMR ^{[ 28 ]}