抗體藥物的研發(fā)，卡在哪里？如何從眾多候選序列里，撈出那一個(gè)"對(duì)的人"。傳統(tǒng)雜交瘤技術(shù)慢，一個(gè)克隆一個(gè)克隆地試；噬菌體展示雖好，卻要先把抗體基因轉(zhuǎn)化進(jìn)大腸桿菌，而細(xì)胞轉(zhuǎn)化效率直接決定了文庫天花板——你手里可能握著十億種抗體基因，真正能"上考場(chǎng)"的，卻只有極小一部分。

更麻煩的是，細(xì)胞有自己的“脾氣"：蛋白毒性、折疊錯(cuò)誤、表達(dá)量波動(dòng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能讓前期努力前功盡棄。

如果有一種方法，能繞開細(xì)胞，讓抗體基因直接在試管里"翻譯"成蛋白質(zhì)，邊表達(dá)、邊篩選、邊進(jìn)化，會(huì)怎樣？

從一場(chǎng)"管中窺豹"開始，Marshall Nirenberg 和 Heinrich Matthaei 把大腸桿菌的細(xì)胞壁碾碎，取出一管"細(xì)胞湯"——無細(xì)胞提取物，然后往里加入人工合成的 RNA 鏈 poly-U。結(jié)果，核糖體地把它翻譯成了清一色的苯丙氨酸長(zhǎng)鏈。

就是這管"細(xì)胞湯"，讓人類破譯了第一個(gè)三聯(lián)體密碼子：UUU （編碼苯丙氨酸）。無細(xì)胞蛋白合成（Cell-Free Protein Synthesis, CFPS）就此誕生——原來蛋白質(zhì)合成可以不需要完整的細(xì)胞，只需要細(xì)胞里的"零件"^[1]。

此后幾十年，CFPS 更多是分子生物學(xué)家手里的"翻譯工具"，真正改變抗體篩選命運(yùn)的轉(zhuǎn)折，要等到 1997 年。

那一年，兩篇 PNAS 論文改寫了抗體篩選的規(guī)則。蘇黎世大學(xué)的 Hanes 和 Plückthun 發(fā)明了核糖體展示（ribosome display）：利用無細(xì)胞翻譯，讓 mRNA、核糖體和新生蛋白形成穩(wěn)定的"三連體"非共價(jià)三元復(fù)合物——基因與它編碼的蛋白在體外實(shí)現(xiàn)物理綁定，無需轉(zhuǎn)化細(xì)胞、無需構(gòu)建質(zhì)粒庫，直接對(duì)抗原進(jìn)行一輪輪淘選，五輪即可把單鏈抗體（scFv）富集上億倍^[2]。

同年11月， Roberts 和 Szostak 更進(jìn)一步：用嘌呤霉素把 mRNA 與其編碼的蛋白"焊"成共價(jià)融合體，即 mRNA 展示（mRNA display）^[3]。因?yàn)樗Φ袅思?xì)胞轉(zhuǎn)化這一步，文庫規(guī)模從百萬級(jí)躍升到萬億級(jí)，抗體篩選第一次擁有了"大海撈針"的底氣。與需要把文庫"放進(jìn)"細(xì)胞的展示技術(shù)不同，體外展示的文庫規(guī)模只受核酸合成與反應(yīng)體積的限制——這正是它能做到萬億級(jí)庫容的根本原因。

體外展示的原理并不神秘：表達(dá)在哪里發(fā)生，篩選就在哪里進(jìn)行。核糖體展示、mRNA 展示與噬菌體/酵母展示并列為主流抗體庫篩選路線。

圖 1：抗體庫展示與高通量篩選流程示意圖

（無細(xì)胞展示路線）^[8]

圖 2：CFPS 系統(tǒng)的核心組分^[7]

體外展示負(fù)責(zé)"淘"，無細(xì)胞表達(dá)負(fù)責(zé)"造"。

以 Sutro Biopharma 為代表的團(tuán)隊(duì)，用大腸桿菌無細(xì)胞體系在數(shù)天內(nèi)直接從線性 DNA 模板合成全長(zhǎng) IgG 抗體，實(shí)現(xiàn)了可放大的體外轉(zhuǎn)錄-翻譯生產(chǎn)^[5]。沒有細(xì)胞周期、沒有發(fā)酵罐，96 孔板就是反應(yīng)器——抗體的表達(dá)、驗(yàn)證、迭代被壓縮到幾天之內(nèi)。無細(xì)胞技術(shù)第一次打通了"發(fā)現(xiàn)"與"生產(chǎn)"的邊界，也讓"邊篩邊造"成為可能。這種"無細(xì)胞生產(chǎn)"還繞開了哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)周期長(zhǎng)、批次差異大的老問題——設(shè)計(jì)當(dāng)天就能看到蛋白，在抗體領(lǐng)域堪稱降維打擊。

圖3：開放的無細(xì)胞合成系統(tǒng)示意圖^[5]

展示技術(shù)篩的是"結(jié)合"，但很多治療性抗體真正要的是"功能"——中和病毒、阻斷信號(hào)、激活免疫。傳統(tǒng)功能篩選又慢又貴。

液滴微流控給出了新答案：把無細(xì)胞表達(dá)體系封裝進(jìn)皮升級(jí)的油包水液滴，每個(gè)液滴就是一個(gè)獨(dú)立的"微型反應(yīng)器 + 微型化驗(yàn)室"，內(nèi)部封裝著一份獨(dú)立的基因模板與表達(dá)體系，互不干擾；配合熒光讀出與介電分選，上百萬個(gè)液滴在微流控芯片里排隊(duì)、反應(yīng)、檢測(cè)、分選。

2025 年，Weitz 團(tuán)隊(duì)在 JACS 報(bào)道了基于無細(xì)胞表達(dá)的液滴微流控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了超高通量、多路復(fù)用地對(duì)無細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)物（包括純化蛋白）進(jìn)行功能篩選，該研究以枯草芽孢桿菌脂肪酶 BsLipA 耐熱進(jìn)化作為驗(yàn)證，僅一輪篩選即得到攜帶 9?12 處突變、熱穩(wěn)定性提升＞40 ℃的優(yōu)良突變株。[6]。細(xì)胞都不用養(yǎng)，通量卻驚人——無細(xì)胞篩選正式進(jìn)入"超高通量"時(shí)代。

圖4：無細(xì)胞表達(dá)來篩選純化蛋白質(zhì)文庫的超高通量液滴微流控平臺(tái)簡(jiǎn)要示意圖^[6]

如果說無細(xì)胞系統(tǒng)是"加速器"，AI 就是"方向盤"。

CFPS 天然適合自動(dòng)化：DNA 合成后直接加入反應(yīng)體系，自動(dòng)化液體處理負(fù)責(zé)"構(gòu)建"，高通量讀板負(fù)責(zé)"測(cè)試"，機(jī)器學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)"學(xué)習(xí)"并設(shè)計(jì)下一輪突變——這正是合成生物學(xué)經(jīng)典的"設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)"（DBTL）閉環(huán)[7]。當(dāng)一輪"設(shè)計(jì)→表達(dá)→篩選→學(xué)習(xí)"可以被壓縮到一夜完成，抗體發(fā)現(xiàn)就不再是"十年磨一藥"的苦旅，而是一臺(tái)持續(xù)加速的進(jìn)化引擎。

圖 5：CFPS 與 DBTL 閉環(huán)的深度融合^[7]

寫在最后

圖 6：從抗體發(fā)現(xiàn)技術(shù)演進(jìn)時(shí)間線^[9]

1. NIRENBERG MW, MATTHAEI JH. The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A. 1961;47(10):1588-1602. doi:10.1073/pnas.47.10.1588.

2. Hanes J, Plückthun A. In vitro selection and evolution of functional proteins by using ribosome display. Proc Natl Acad Sci U S A. 1997;94(10):4937-4942. doi:10.1073/pnas.94.10.4937.

3. Roberts RW, Szostak JW. RNA-peptide fusions for the in vitro selection of peptides and proteins. PNAS, 1997, 94(23):12297–12302. DOI: 10.1073/pnas.94.23.12297.

4. Shimizu Y, Inoue A, Tomari Y, et al. Cell-free translation reconstituted with purified components. Nat Biotechnol. 2001;19(8):751-755. doi:10.1038/90802.

5. Yin G, Garces ED, Yang J, et al. Aglycosylated antibodies and antibody fragments produced in a scalable in vitro transcription-translation system. MAbs. 2012;4(2):217-225. doi:10.4161/mabs.4.2.19202.

6. Chen A, Xu W, Zhang XD, et al. Ultrahigh-Throughput Multiplexed Screening of Purified Protein from Cell-Free Expression Using Droplet Microfluidics. J Am Chem Soc. 2025;147(32):28758-28772. doi:10.1021/jacs.5c04962.

7. Jun JS, Hong S, Park JH, Shin J, Lee DH. Automated and Programmable Cell-Free Systems for Scalable Synthetic Biology with a Focus on Biofoundry Integration. J Microbiol Biotechnol. 2025;35:e2507019. Published 2025 Sep 16. doi:10.4014/jmb.2507.07019.

8. Wang XD, Ma BY, Lai SY, et al. High-throughput strategies for monoclonal antibody screening: advances and challenges. J Biol Eng. 2025;19(1):41. Published 2025 May 8. doi:10.1186/s13036-025-00513-z.

9. Sahu A, Das P, Das R, et al. Antibody display technologies from phages to cells: translational bottlenecks and AI-enabled opportunities. Front Bioeng Biotechnol. 2026;14:1789373. Published 2026 May 26. doi:10.3389/fbioe.2026.1789373.

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