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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.