無細胞システム

無細胞系は、細胞全体とは別に細胞内で起こる生物学的反応を研究するために広く使用されている試験管内ツールであり、全細胞で作業する際に通常見られる複雑な相互作用を軽減します。 ^{[ 1 ]}超遠心分離によって細胞内分画を分離することで、他の多くの細胞成分が存在しない状態で反応に使用できる分子機構を提供できます。^{[ 2 ]}真核細胞および原核細胞の内部は、このような単純化された環境の作成に使用されてきました。^{[ 3 ] [ 4 ]}これらのシステムにより、無細胞合成生物学が出現し、検討する反応とその収量を制御できるようになり、より敏感な生細胞を扱う際に考慮する必要のある事項が軽減されました。^{[ 5 ]}

無細胞システムは、大きく分けて2つの分類に分けられます。1つは細胞抽出物ベースで、細胞全体から成分を取り出し外部で使用します。もう1つは精製酵素ベースで、特定のプロセスに関与することが知られている分子の精製成分を使用します。^{[ 6 ] [ 7 ]}細胞抽出物ベースタイプは、宿主外で成分が急速に分解されるなどの問題に陥りやすいです。北岡らの研究で示されているように、大腸菌（E. coli ）をベースとした無細胞翻訳システム（細胞抽出物ベースタイプ）では、mRNAテンプレートが非常に速く分解し、タンパク質合成が停止しました。^{[ 8 ]}

両タイプの無細胞系では、状況に応じて調製方法が異なる。

無細胞合成経路バイオ変換バイオシステムは、何千年もの間使用されてきた微生物発酵と比較して、新しい低コストのバイオ製造プラットフォームとして提案されています。 ^{[ 3 ] [ 16 ]}無細胞バイオシステムには、産業用途に適したいくつかの利点があります。^{[ 6 ]}

• 副産物の生成や細胞塊の合成を伴わずに、非常に高い製品収率が達成されるのが一般的である。例えば、合成酵素経路では、デンプンと水との反応から

C ₆ H ₁₀ O ₅ (l) + 7 H ₂ O (l) → 12 H ₂ (g) + 6 CO ₂ (g)、

多糖類と水1単位のグルコースあたり約12 H ₂が生成され、これは最も優れた嫌気性水素生成微生物の理論収量の3倍である。^{[ 17 ]}

• 試験管内バイオシステムは、生きた微生物や化学触媒ではこれまで実行できなかった生物学的反応を実行できる。例えば、β-1,4-グルコシド結合で結合したセルロースは、単一の反応容器内で細胞内酵素と細胞外酵素の混合物によってα-1,4-グルコシド結合で結合したデンプンに変換できる。 ^{[ 18 ]}
• 細胞膜の障壁がない酵素系は、通常、微生物系よりも反応速度が速い。例えば、酵素燃料電池は通常、微生物燃料電池よりもはるかに高い出力を持つ。^{[ 19 ]}
• 酵素カクテルは微生物よりも毒性化合物に対する耐性が高い。^{[ 20 ]}
• 酵素混合物は通常、高温、低pH 、有機溶媒やイオン液体の存在など、幅広い反応条件下で機能します。^{[ 16 ]}