随着生物技术的迅速发展,合成生物学已经能够高效的构建各种复杂的生命体系。然而由于合成生物学受到活细胞的影响,使得很多工程研究很难进行。为了解决这些问题,提出了一种新的研究方法:无细胞蛋白合成系统。无细胞蛋白合成系统是一种强大而灵活的研究技术,可以不使用活细胞为生命科学应用设计生物部件。目前无细胞体系被广泛的应用于工业化高通量蛋白质生产的平台技术开发。其中首要的任务就是实现无细胞体系的高产量表达。该任务有一个指导原则就是在无细胞体系中进行细胞质环境模拟,形成大分子拥挤效应。本论文提出利用材料的特性与基因模板相结合在无细胞体系中模拟大分子拥挤环境进而提高蛋白质表达量。首先选择的材料是纳米粘土。纳米粘土作为一种有机-无机混合材料,在与离子溶液混合后会形成具有静电吸引力的水凝胶。利用纳米粘土的吸附效应将质粒固定在其表面,从而在无细胞体系中形成大分子拥挤环境。结果显示它能够将无细胞体系的蛋白质产量提升为原来的1.75倍。接下来使用的材料是热响应水凝胶。热响应水凝胶具有当环境温度达到34℃以上产生体积相变的特性。利用这一特性能够将包裹在水凝胶内部的质粒随着温度的升高释放并聚集在水凝胶表面,形成大分子拥挤环境。结果显示它能够将无细胞体系的蛋白质产量提升为原来的3.7倍。最后使用的材料是金属有机骨架(MOF)。它作为一种有机-无机超分子材料具有稳定包封生物分子的特性。利用这一特性可以对质粒进行包裹并在无细胞体系中构成区室,形成大分子拥挤环境。结果显示它能够将无细胞体系的蛋白质产量提升为原来的2.7倍。另外对于这三种材料参与无细胞反应的动力学进行分析,发现它们可表现出了比原无细胞体系更好的动力学行为,即能够更快速高效的合成蛋白质。对材料参与无细胞反应的转录过程进行分析发现它能够显著的提高转录水平,即材料能够提高无细胞反应的酶转换效率。本论文证实了利用材料固定质粒创造的大分子拥挤环境能够提高基因模板浓度,进而实现无细胞体系的蛋白质高产量表达,为后续无细胞体系的工业化生产平台开发提供了技术支持。