نظام خالٍ من الخلايا

يُعدّ النظام الخالي من الخلايا أداةً مخبريةً شائعة الاستخدام لدراسة التفاعلات البيولوجية التي تحدث داخل الخلايا بمعزل عن نظام الخلية الكاملة، مما يُقلل من التفاعلات المعقدة التي تُلاحظ عادةً عند العمل في خلية كاملة. ^{[ 1 ]} يمكن عزل الأجزاء الخلوية الفرعية بواسطة الطرد المركزي الفائق لتوفير الآليات الجزيئية التي يُمكن استخدامها في التفاعلات في غياب العديد من المكونات الخلوية الأخرى. ^{[ 2 ]} وقد استُخدمت المكونات الداخلية للخلايا حقيقية النواة وبدائية النواة لإنشاء هذه البيئات المُبسطة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وقد مكّنت هذه الأنظمة من ظهور البيولوجيا التركيبية الخالية من الخلايا ، مما يُتيح التحكم في نوع التفاعل قيد الدراسة، بالإضافة إلى ناتجه، ويُقلل من الاعتبارات التي تُثار عادةً عند العمل مع الخلايا الحية الأكثر حساسية. ^{[ 5 ]}

يمكن تقسيم الأنظمة الخالية من الخلايا إلى فئتين رئيسيتين: الأنظمة القائمة على مستخلصات الخلايا، والتي تستخلص مكونات من داخل الخلية الكاملة لاستخدامها خارجيًا، والأنظمة القائمة على الإنزيمات النقية، والتي تستخدم مكونات نقية من الجزيئات المعروفة بمشاركتها في عملية معينة. ^{[ 6 ] [ 7 ]} وتُعد الأنظمة القائمة على مستخلصات الخلايا عرضةً لمشاكل مثل التحلل السريع للمكونات خارج الخلية المضيفة، كما هو موضح في دراسة أجراها كيتاوكا وآخرون، حيث تحلل قالب mRNA في نظام ترجمة خالٍ من الخلايا قائم على بكتيريا الإشريكية القولونية ( E. coli )، من النوع القائم على مستخلصات الخلايا، بسرعة كبيرة، مما أدى إلى توقف تخليق البروتين . ^{[ 8 ]}

تختلف طرق التحضير باختلاف حالات كلا النوعين من الأنظمة الخالية من الخلايا.

تُقترح أنظمة التحويل الحيوي الخالية من الخلايا، والتي تعتمد على مسارات اصطناعية، كمنصة جديدة منخفضة التكلفة للتصنيع الحيوي، مقارنةً بالتخمر الميكروبي المستخدم منذ آلاف السنين. ^{[ 3 ] [ 16 ]} تتميز الأنظمة الحيوية الخالية من الخلايا بعدة مزايا تجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية: ^{[ 6 ]}

• عادةً ما يتم تحقيق إنتاجية عالية جدًا للمنتج دون تكوين منتجات ثانوية أو تخليق كتلة خلوية. على سبيل المثال، باستخدام مسار إنزيمي اصطناعي، من التفاعل مع النشا والماء

C ₆ H ₁₀ O ₅ (ل) + 7 H ₂ O (ل) → 12 H ₂ (ز) + 6 CO ₂ (ز)،

تم إنتاج ما يقرب من 12 _جزيء من الهيدروجين لكل وحدة جلوكوز من السكريات المتعددة والماء ، أي ثلاثة أضعاف الإنتاج النظري لأفضل الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية المنتجة للهيدروجين . ^{[ 17 ]}

• تستطيع الأنظمة الحيوية المخبرية تنفيذ بعض التفاعلات البيولوجية التي لا تستطيع الكائنات الحية الدقيقة أو المحفزات الكيميائية تنفيذها سابقًا. على سبيل المثال، يمكن تحويل السليلوز المرتبط برابطة بيتا-1،4-جلوكوزيدية إلى نشا مرتبط برابطة ألفا-1،4-جلوكوزيدية بواسطة مزيج من الإنزيمات داخل وخارج الخلايا في وعاء تفاعل واحد. ^{[ 18 ]}
• تتميز الأنظمة الإنزيمية، التي لا تخضع لحاجز الغشاء الخلوي، بمعدلات تفاعل أسرع من الأنظمة الميكروبية. فعلى سبيل المثال، تتميز خلايا الوقود الإنزيمية عادةً بقدرة إنتاج طاقة أعلى بكثير من خلايا الوقود الميكروبية. ^{[ 19 ]}
• تستطيع الخلطات الإنزيمية تحمل المركبات السامة بشكل أفضل من الكائنات الدقيقة. ^{[ 20 ]}
• تعمل مخاليط الإنزيمات عادةً في ظل ظروف تفاعل واسعة النطاق، مثل درجة الحرارة العالية، ودرجة الحموضة المنخفضة ، ووجود المذيبات العضوية أو السوائل الأيونية . ^{[ 16 ]}