文獻解讀｜當機器學習遇見無細胞蛋白合成：蛋白工程進入“快速迭代”時代

更新時間：2026-02-05 點擊次數(shù)：76

——解讀 ACS Synthetic Biology 2025 新研究

Cell-Free Protein Synthesis as a Method to Rapidly Screen Machine Learning-Generated Protease VariantsThornton et al., ACS Synth. Biol., 2025

一、為什么“機器學習設(shè)計蛋白"，仍然離不開實驗？

近年來，機器學習（Machine Learning, ML）在蛋白科學領(lǐng)域的影響力迅速擴大。從 AlphaFold 帶來的結(jié)構(gòu)預測革命，到各類序列生成模型用于蛋白設(shè)計，算法正在以未有的速度探索蛋白序列空間。

然而，一個現(xiàn)實問題始終存在：算法只能“提出假設(shè)"，而蛋白功能的優(yōu)劣，仍然必須由實驗數(shù)據(jù)來驗證。

尤其是在酶工程和功能蛋白優(yōu)化中，ML 模型對訓練數(shù)據(jù)提出了更高要求——不僅要多，還要真實反映蛋白功能差異。傳統(tǒng)依賴細胞表達、純化和動力學表征的流程，往往周期長、通量有限，很容易成為 ML 迭代的瓶頸。

在這一背景下，Thornton 等人在 ACS Synthetic Biology 發(fā)表的這項研究，給出了一個具代表性的解決思路：

?? 將無細胞蛋白合成（CFPS）直接嵌入機器學習驅(qū)動的蛋白設(shè)計流程中。

二、研究思路一覽：一個典型的“Create–Test–Learn"閉環(huán)

這項研究圍繞一種人工設(shè)計的蛋白酶 Con1 展開，目標是提升其催化活性。整體流程可以概括為三個階段：

Create（設(shè)計）
基于結(jié)構(gòu)預測和計算分析，篩選出可能影響底物結(jié)合的關(guān)鍵殘基區(qū)域，并進行多位點突變設(shè)計；
Test（測試）
利用無細胞蛋白合成體系，在體外快速合成蛋白變體，并直接進行酶活性檢測；
Learn（學習）
將“序列—功能"數(shù)據(jù)輸入主動學習算法（ALDE），由模型推薦下一輪更有潛力的突變組合。

通過僅兩輪篩選、約百個變體，研究者成功獲得了酶活性提升約 4 倍的突變體，展示了該流程在效率上的顯著優(yōu)勢。

Create–Test–Learn 工作流程示意圖（Thornton et al., ACS Synth. Biol., 2025）

三、無細胞蛋白合成在這里“厲害"在哪里？

值得注意的是，作者并沒有把 CFPS 當作“傳統(tǒng)細胞表達的替代方案"，而是將其定位為機器學習實驗數(shù)據(jù)的加速器。

從方法學角度來看，CFPS 在這一工作中體現(xiàn)出三點關(guān)鍵價值：

快速獲得“可比較"的功能數(shù)據(jù)

研究中并未追求嚴格的動力學絕-對參數(shù)，而是通過統(tǒng)一條件下的反應初始速率作為 fitness 指標。事實證明，這種相對比較數(shù)據(jù)已經(jīng)足以支撐 ML 對突變體優(yōu)劣的判斷。

開放體系，實驗設(shè)計更自由

無細胞體系不受細胞生存、毒性或底物通透性限制，尤其適合早期功能篩選和多突變組合的測試。

實驗速度，決定 ML 是否真正“跑得動"

當一輪蛋白表達和功能測試可以在數(shù)小時內(nèi)完成，機器學習的“主動學習"優(yōu)勢才能被真正釋放。

CFPS 與純化蛋白活性對比（Thornton et al., ACS Synth. Biol., 2025）

四、從文獻到產(chǎn)業(yè)實踐：穩(wěn)定 CFPS 平臺的重要性

文中作者也明確指出，如果采用更成熟、標準化的無細胞蛋白合成體系，該流程在通量、重復性和自動化方面仍有提升空間。

這恰恰反映了當前行業(yè)的一個重要趨勢：無細胞蛋白合成正在從“實驗室方法"，演進為“工程化工具"。

在這一方向上，珀羅汀生物（PLD Technology）正致力于將無細胞蛋白表達打造成可直接嵌入蛋白設(shè)計、篩選和驗證流程的通用工具，服務于酶工程、功能蛋白研究以及 AI 蛋白設(shè)計等場景。

當 CFPS 不再需要研究者投入大量精力進行體系搭建，而是能夠穩(wěn)定輸出高質(zhì)量蛋白和功能數(shù)據(jù)時，機器學習模型的優(yōu)勢才能被充分放大。

珀羅汀生物聯(lián)合自動化儀器進行高通量篩選應用

五、總結(jié)：蛋白工程的核心競爭力正在發(fā)生變化

這項研究傳遞出一個非常清晰的信號：

未來蛋白工程的競爭，不僅是算法的競爭，也不僅是實驗技術(shù)的競爭，而是“數(shù)據(jù)生成效率 × 設(shè)計迭代速度"的綜合競爭。

無細胞蛋白合成，正在成為連接“計算設(shè)計"與“實驗驗證"的關(guān)鍵橋梁。而當這一橋梁足夠穩(wěn)定、足夠快速，蛋白工程的創(chuàng)新節(jié)奏也將被重新定義。