Les systèmes cell-free sont principalement utilisés pour la synthèse de protéines in-vitro et peuvent être considérés comme un outil puissant dans la reprogrammation du code génétique, impliquant le codon « amber ». Dans cette utilisation, des acides aminés non protéinogènes sont incorporés dans les protéines en les chargeant sur des molécules d'ARNt suppresseurs qui reprogramment les codons existants en reconnaissant les codons stop et en insérant à leur niveau les acides aminés non protéinogènes. Cependant, les systèmes cell-free sont également utilisés pour l'ingénierie de circuits génétiques avec des applications en biologie de synthèse et en génie métabolique.

La diversité et la praticité mise en avant pour les kits d’expression cell-free ont mené à leur utilisation accrue au cours de ces dernières années.

Les systèmes cell-free sont certes connus pour la production de protéines, mais ils le sont beaucoup moins pour leur capacité à produire des complexes protéiques pouvant contenir jusqu’à 1500 protéines. En effet, la nature ouverte des systèmes cell-free est avantageuse pour la co-expression de protéines, notamment parce que les rapports des matrices d'ADN et la composition des mélanges réactionnels, peuvent être optimisés et adaptés spécifiquement. Cette caractéristique, propre à ces systèmes, autorise non seulement l'expression concomitante de protéines solubles ou de protéines transmembranaires mais également l'assemblage de complexes protéiques.

La synthèse protéique cell-free fonctionne avec du matériel génétique tel que l'ADN plasmidique mais elle peut également être réalisée à partir de séquences d'ADN linéaires amplifiées par PCR. Lors des premiers essais d'expression cell-free à partir de fragments PCR, il est vrai que les rendements d'expression étaient beaucoup plus faibles que ceux issus d’ADN plasmidique. Ceci était dû à l'activité DNase, présente dans l'extrait issu de cellules bactériennes, qui diminuait la durée de vie de l'ADN linéaire. 

Les systèmes cell-free offrent des avantages par rapport aux systèmes d'expression in vivo pour les protéines difficiles à exprimer, non seulement pour les protéines membranaires, mais tout autant pour les protéines ayant des ponts disulfures multiples, les protéines instables, agrégées ou les protéines cytotoxiques.

En général, les systèmes cell-free sont associés à un faible rendement d’expression de protéines. Si cette idée était vraie dans les années 2000, ce n'est certainement plus le cas aujourd'hui (Carlson et al., 2012).  Ainsi nous pouvons dire que le système cell-free est aussi performant que les autres, et donne même de meilleurs résultats, dans certains cas, comme nous l’expliquons ci-dessous.

De meilleurs résultats que les systèmes E.Coli, notamment pour les protéines difficile à exprimer !

En effet, les rendements obtenus avec les systèmes cell-free sont encore plus élevés qu'avec les systèmes E. Coli, notamment pour les protéines difficiles à exprimer, comme les protéines membranaires, cytotoxiques ou encore instables.

Il est vrai qu’Escherichia coli (E. coli) est la source d'extrait cellulaire la plus populaire quand il s’agit d’expression et de production de protéines en système  cell-free. Cependant, des extraits de germes de blé, de réticulocytes de lapin ou de cellules d'insectes sont aussi couramment utilisés depuis de nombreuses années. Plus récemment, d'autres lignées cellulaires de mammifères ont également fait leurs preuves pour la biosynthèse de protéines en système cell-free.

Au cours de la dernière décennie, des progrès majeurs ont été réalisés dans le domaine de la synthèse protéique en systèmes cell-free (acellulaire). Même si la fabrication de protéines thérapeutiques est dominée depuis de nombreuses années par les systèmes cellulaires, à partir principalement de cellules mammifères et bactériennes, les systèmes cell-free sont à présent en mesure de répondre aux exigences propres aux produits biopharmaceutiques qui doivent respecter les bonnes pratiques de fabrication (BPF). Ces systèmes ouvrent ainsi de nouvelles possibilités de bio-production (Carlson et al., 2012).

 

Bien que la production traditionnelle de protéines en systèmes cell-free (acellulaire) soit considérée comme performante uniquement pour la production de protéines à petite échelle, les grandes avancées technologiques réalisées depuis les années 2000 ont fortement accéléré le développement de cette plateforme de production, et la rendent désormais opérationnelle à l'échelle industrielle.

« L'expression de protéine en système cell-free (acellulaire) est plus lente qu'un système cellulaire Escherichia Coli. (E. Coli). »