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cell-free-expression

細胞フリータンパク質合成(CFPS)実験の計画、低収量や凝集のトラブルシューティング、DNAテンプレート設計の最適化、難発現タンパク質の発現といった場合に、CFPSを最適化するための指針を提供するSkill。

📜 元の英語説明(参考)

Guidance for cell-free protein synthesis (CFPS) optimization. Use when: (1) Planning CFPS experiments, (2) Troubleshooting low yield or aggregation, (3) Optimizing DNA template design for CFPS, (4) Expressing difficult proteins (disulfide-rich, toxic, membrane).

🇯🇵 日本人クリエイター向け解説

一言でいうと

細胞フリータンパク質合成(CFPS)実験の計画、低収量や凝集のトラブルシューティング、DNAテンプレート設計の最適化、難発現タンパク質の発現といった場合に、CFPSを最適化するための指針を提供するSkill。

※ jpskill.com 編集部が日本のビジネス現場向けに補足した解説です。Skill本体の挙動とは独立した参考情報です。

⚡ おすすめ: コマンド1行でインストール(60秒)

下記のコマンドをコピーしてターミナル(Mac/Linux)または PowerShell(Windows)に貼り付けてください。 ダウンロード → 解凍 → 配置まで全自動。

🍎 Mac / 🐧 Linux
mkdir -p ~/.claude/skills && cd ~/.claude/skills && curl -L -o cell-free-expression.zip https://jpskill.com/download/9544.zip && unzip -o cell-free-expression.zip && rm cell-free-expression.zip
🪟 Windows (PowerShell)
$d = "$env:USERPROFILE\.claude\skills"; ni -Force -ItemType Directory $d | Out-Null; iwr https://jpskill.com/download/9544.zip -OutFile "$d\cell-free-expression.zip"; Expand-Archive "$d\cell-free-expression.zip" -DestinationPath $d -Force; ri "$d\cell-free-expression.zip"

完了後、Claude Code を再起動 → 普通に「動画プロンプト作って」のように話しかけるだけで自動発動します。

💾 手動でダウンロードしたい(コマンドが難しい人向け)
  1. 1. 下の青いボタンを押して cell-free-expression.zip をダウンロード
  2. 2. ZIPファイルをダブルクリックで解凍 → cell-free-expression フォルダができる
  3. 3. そのフォルダを C:\Users\あなたの名前\.claude\skills\(Win)または ~/.claude/skills/(Mac)へ移動
  4. 4. Claude Code を再起動

⚠️ ダウンロード・利用は自己責任でお願いします。当サイトは内容・動作・安全性について責任を負いません。

🎯 このSkillでできること

下記の説明文を読むと、このSkillがあなたに何をしてくれるかが分かります。Claudeにこの分野の依頼をすると、自動で発動します。

📦 インストール方法 (3ステップ)

  1. 1. 上の「ダウンロード」ボタンを押して .skill ファイルを取得
  2. 2. ファイル名の拡張子を .skill から .zip に変えて展開(macは自動展開可)
  3. 3. 展開してできたフォルダを、ホームフォルダの .claude/skills/ に置く
    • · macOS / Linux: ~/.claude/skills/
    • · Windows: %USERPROFILE%\.claude\skills\

Claude Code を再起動すれば完了。「このSkillを使って…」と話しかけなくても、関連する依頼で自動的に呼び出されます。

詳しい使い方ガイドを見る →
最終更新
2026-05-18
取得日時
2026-05-18
同梱ファイル
1

📖 Skill本文(日本語訳)

※ 原文(英語/中国語)を Gemini で日本語化したものです。Claude 自身は原文を読みます。誤訳がある場合は原文をご確認ください。

無細胞タンパク質合成 (CFPS)

システム選択ガイド

システム 最適な用途 収量 PTMs ジスルフィド結合 コスト
E. coli 抽出液 迅速なプロトタイピング、原核生物タンパク質 高 (100-400 μg/mL) なし 低 (還元的)
E. coli PURE 定義された条件、非天然アミノ酸 中 (50-150 μg/mL) なし 制御可能
コムギ胚芽 真核生物タンパク質、膜タンパク質 高 (100-500 μg/mL) 限定的 中程度
ウサギ網状赤血球 哺乳類タンパク質、翻訳後修飾の研究 低 (10-50 μg/mL) いくつか
昆虫 (Sf21) 糖タンパク質、複雑なフォールディング 中 (50-100 μg/mL) グリコシル化 良好
HeLa/CHO 天然の哺乳類タンパク質 低 (10-50 μg/mL) 完全な哺乳類 良好 非常に高い

CFPS トラブルシューティングマトリックス

問題 考えられる原因 設計上の修正 試薬の修正
発現しない N末端のまれなコドン、不良な RBS 最初の 30 コドンをコドン最適化 BL21-CodonPlus 抽出液を使用
収量が低い 強力な mRNA 二次構造、テンプレートの問題 5' UTR を最適化 (ΔG > -5 kcal/mol) Mg²⁺ を増加 (10-18 mM)、ATP
凝集 疎水性タンパク質、速い翻訳 可溶性タグを追加 (MBP, SUMO) 0.1% Tween-20、シャペロンを追加
不活性なタンパク質 ミスフォールディング、補因子の欠如 翻訳を遅くする (まれなコドンを使用!) GroEL/ES, DnaK/J を追加
トランケーション まれなコドンのクラスター、mRNA の不安定性 AGG/AGA/CUA クラスターを除去 まれな tRNA を補充
分解 プロテオリシス N末端 Met-Ala プロテアーゼ阻害剤を追加

CFPS のためのコドン最適化

E. coli CFPS で避けるべきコドン

コドン アミノ酸 問題 tRNA 存在量
AGG Arg 非常にまれ、停止 0.2%
AGA Arg 非常にまれ、停止 0.4%
CUA Leu 存在量が低い 0.4%
AUA Ile まれ 0.5%
CGA Arg 非効率的なデコード 0.6%
CCC Pro 一時停止を引き起こす可能性 0.5%
GGA Gly 中程度 1.1%

設計ルール

  1. 最初の 30 コドン: 最も重要 - 高頻度のコドンのみを使用
  2. まれなコドンのクラスター: 10 nt 以内に 2 つ以上のまれなコドンを避ける
  3. まれなコドンの含有量: コーディング配列の全体で <5% に保つ
  4. GC 含量: バランスの取れた発現のために 40-60% を目標とする
  5. 連続: >6 個の連続する G または C 残基を避ける (二次構造)
  6. 戦略的な遅いコドン: ドメイン間にまれなコドンを配置 (フォールディングを助ける!)

まれなコドンを使用するタイミング

  • ドメイン境界 (共翻訳フォールディングを可能にする)
  • 複雑な構造要素の前
  • タンパク質がミスフォールディングしやすい場合

mRNA テンプレート設計

5' UTR 最適化

要素 最適な設計 影響
RBS (SD 配列) AGGAGG、開始から 7-9 nt リボソーム結合
間隔 SD と AUG の間に 7 nt 翻訳開始
二次構造 ΔG > -5 kcal/mol アクセシビリティ
上流の AUG 避ける (偽の開始を引き起こす) トランケーションを減らす

二次構造のターゲット

領域 理想的な ΔG 影響
AUG 周りの -30 から +30 > -5 kcal/mol 翻訳開始
完全な 5' UTR > -10 kcal/mol リボソームローディング
RBS のアクセシビリティ 対になっていない 非常に重要

テンプレート形式

形式 利点 欠点
プラスミド 安定、高収量 クローニングが必要
線状 PCR 高速、クローニング不要 安定化が必要な場合がある
mRNA 直接翻訳 不安定、高価

ジスルフィド結合形成

システムの能力

システム 天然のジスルフィドサポート 必要な添加剤
標準的な E. coli 抽出液 低い (DTT が存在) IAM, PDI, GSSG/GSH
酸化的な E. coli 抽出液 良好 プレ酸化グルタチオン
コムギ胚芽 中程度 DTT を減らし、PDI を追加
PURE システム 最小限 完全な酸化システム
昆虫/哺乳類 良好 ミクロソーム膜

酸化的なフォールディングプロトコル (E. coli 抽出液)

1. 抽出液から DTT を除去する (透析または IAM 5 mM で処理)
2. 酸化/還元グルタチオンを追加: 4 mM GSSG, 1 mM GSH (4:1 の比率)
3. 10 μM PDI (タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ) を追加
4. オプション: 5 μM DsbC (ジスルフィドイソメラーゼ) を追加
5. より良いフォールディングのために 25°C (37°C ではない) で発現させる
6. インキュベーション時間: 4-6 時間

ジスルフィドに富むタンパク質のヒント

  • コムギ胚芽または酸化的な抽出液から始める
  • 正確な制御のために PURE システムを使用する
  • PDI/DsbC の共発現を検討する
  • 非還元 SDS-PAGE で検証する

配列からの発現予測

特徴 良好 限界 不良
まれなコドンの含有量 <3% 3-8% >10%
最初の 30 コドンのまれさ 0 1-2 >2
GC 含量 45-55% 35-45% または 55-65% <30% または >70%
5' UTR ΔG > -3 kcal/mol -3 から -8 < -10 kcal/mol
疎水性ストレッチ <5 連続 5-7 >8 連続
N末端残基 Met-Ala, Met-Ser, Met-Gly Met-Val, Met-Thr Met-Arg, Met-Lys
システインペア ペアになっている (偶数) 混合 奇数 (遊離チオール)

可溶性向上戦略

融合タグ (有効性順)

タグ サイズ 可溶性向上 切断
MBP 40 kDa 非常に優れている TEV, Factor Xa 全体的に最高
SUMO 11 kDa 非常に良い SUMO プロテアーゼ 切断後、ネイティブな N末端
NusA 55 kDa 非常に優れている - サイズが大きい
Trx 12 kDa 良い Enterokinase ジスルフィドタンパク質用
GST 26 kDa 中程度 - 二量体
His₆ 1 kDa 最小限 - 主に精製用

可溶性のためのバッファー添加剤

添加剤 濃度 メカニズム
トレハロース 50-100 mM 化学シャペロン
G
📜 原文 SKILL.md(Claudeが読む英語/中国語)を展開

Cell-Free Protein Synthesis (CFPS)

System Selection Guide

System Best For Yield PTMs Disulfides Cost
E. coli extract Rapid prototyping, prokaryotic proteins High (100-400 μg/mL) None Poor (reducing) Low
E. coli PURE Defined conditions, unnatural AAs Medium (50-150 μg/mL) None Controllable High
Wheat germ Eukaryotic proteins, membrane proteins High (100-500 μg/mL) Limited Moderate Medium
Rabbit reticulocyte Mammalian proteins, post-translational studies Low (10-50 μg/mL) Some Poor High
Insect (Sf21) Glycoproteins, complex folds Medium (50-100 μg/mL) Glycosylation Good High
HeLa/CHO Native mammalian proteins Low (10-50 μg/mL) Full mammalian Good Very High

CFPS Troubleshooting Matrix

Problem Likely Causes Design Fix Reagent Fix
No expression Rare codons at N-terminus, poor RBS Codon optimize first 30 codons Use BL21-CodonPlus extract
Low yield Strong mRNA secondary structure, template issues Optimize 5' UTR (ΔG > -5 kcal/mol) Increase Mg²⁺ (10-18 mM), ATP
Aggregation Hydrophobic protein, fast translation Add solubility tags (MBP, SUMO) Add 0.1% Tween-20, chaperones
Inactive protein Misfolding, missing cofactors Slow translation (use rare codons!) Add GroEL/ES, DnaK/J
Truncation Rare codon clusters, mRNA instability Remove AGG/AGA/CUA clusters Supplement rare tRNAs
Degradation Proteolysis N-terminal Met-Ala Add protease inhibitors

Codon Optimization for CFPS

Codons to Avoid in E. coli CFPS

Codon Amino Acid Issue tRNA Abundance
AGG Arg Very rare, stalling 0.2%
AGA Arg Very rare, stalling 0.4%
CUA Leu Low abundance 0.4%
AUA Ile Rare 0.5%
CGA Arg Inefficient decoding 0.6%
CCC Pro Can cause pausing 0.5%
GGA Gly Moderate 1.1%

Design Rules

  1. First 30 codons: Most critical - use only high-frequency codons
  2. Rare codon clusters: Avoid 2+ rare codons within 10 nt
  3. Rare codon content: Keep overall <5% of coding sequence
  4. GC content: Target 40-60% for balanced expression
  5. Avoid runs: No >6 consecutive G or C residues (secondary structure)
  6. Strategic slow codons: Place rare codons between domains (aids folding!)

When to Use Rare Codons

  • Domain boundaries (allow cotranslational folding)
  • Before complex structural elements
  • When protein is prone to misfolding

mRNA Template Design

5' UTR Optimization

Element Optimal Design Impact
RBS (SD sequence) AGGAGG, 7-9 nt from start Ribosome binding
Spacing 7 nt between SD and AUG Translation initiation
Secondary structure ΔG > -5 kcal/mol Accessibility
Upstream AUG Avoid (causes false starts) Reduces truncations

Secondary Structure Targets

Region Ideal ΔG Impact
-30 to +30 around AUG > -5 kcal/mol Translation initiation
Full 5' UTR > -10 kcal/mol Ribosome loading
RBS accessibility Unpaired Critical

Template Format

Format Advantages Disadvantages
Plasmid Stable, high yield Requires cloning
Linear PCR Fast, no cloning May need stabilization
mRNA Direct translation Unstable, expensive

Disulfide Bond Formation

System Capabilities

System Native Disulfide Support Additives Needed
Standard E. coli extract Poor (DTT present) IAM, PDI, GSSG/GSH
Oxidizing E. coli extract Good Pre-oxidized glutathione
Wheat germ Moderate Lower DTT, add PDI
PURE system Minimal Full oxidative system
Insect/Mammalian Good Microsome membranes

Oxidative Folding Protocol (E. coli extract)

1. Deplete DTT from extract (dialysis or treatment with IAM 5 mM)
2. Add oxidized/reduced glutathione: 4 mM GSSG, 1 mM GSH (4:1 ratio)
3. Add 10 μM PDI (protein disulfide isomerase)
4. Optional: Add 5 μM DsbC (disulfide isomerase)
5. Express at 25°C (not 37°C) for better folding
6. Incubation time: 4-6 hours

Disulfide-Rich Protein Tips

  • Start with wheat germ or oxidizing extract
  • Use PURE system for precise control
  • Consider co-expression of PDI/DsbC
  • Verify by non-reducing SDS-PAGE

Expression Prediction from Sequence

Feature Good Marginal Bad
Rare codon content <3% 3-8% >10%
First 30 codons rare 0 1-2 >2
GC content 45-55% 35-45% or 55-65% <30% or >70%
5' UTR ΔG > -3 kcal/mol -3 to -8 < -10 kcal/mol
Hydrophobic stretches <5 consecutive 5-7 >8 consecutive
N-terminal residue Met-Ala, Met-Ser, Met-Gly Met-Val, Met-Thr Met-Arg, Met-Lys
Cysteine pairs Paired (even number) Mixed Odd number (free thiols)

Solubility Enhancement Strategies

Fusion Tags (ranked by effectiveness)

Tag Size Solubility Enhancement Cleavage Notes
MBP 40 kDa Excellent TEV, Factor Xa Best overall
SUMO 11 kDa Very Good SUMO protease Native N-terminus after cleavage
NusA 55 kDa Excellent - Large size
Trx 12 kDa Good Enterokinase For disulfide proteins
GST 26 kDa Moderate - Dimeric
His₆ 1 kDa Minimal - Mainly for purification

Buffer Additives for Solubility

Additive Concentration Mechanism
Trehalose 50-100 mM Chemical chaperone
Glycerol 5-10% Reduces hydrophobic aggregation
L-Arginine 50-100 mM Suppresses aggregation
Tween-20 0.05-0.1% Prevents surface adsorption
Proline 50 mM Osmolyte stabilization

Chaperone Supplementation

Chaperone System Target Problem Concentration
GroEL/GroES General folding 1-2 μM
DnaK/DnaJ/GrpE Aggregation-prone 1 μM each
Trigger Factor Nascent chain 1-2 μM
ClpB Aggregate resolubilization 0.5 μM

Temperature Optimization

Temperature Use Case Trade-offs
37°C Fast expression, stable proteins Higher aggregation risk
30°C Balanced (default) Good compromise
25°C Disulfide proteins, complex folds Slower, better folding
18-20°C Aggregation-prone proteins Much slower, best folding
16°C Cold-shock proteins Very slow, specialized

E. coli Extract Preparation (Key Variables)

Variable Impact Optimal Range
Cell density at harvest Ribosome content OD₆₀₀ 2.5-3.5
Lysis method Extract activity Sonication, bead beating
Run-off reaction Removes endogenous mRNA 20-80 min at 37°C
Mg²⁺ concentration Translation fidelity 10-18 mM
K⁺ concentration Translation rate 150-200 mM
Energy system Sustained synthesis ATP/GTP, creatine phosphate

PURE System Specifics

Advantages

  • Defined composition (no proteases/nucleases)
  • Linear DNA templates work well
  • Unnatural amino acid incorporation
  • Reproducible between batches

Limitations

  • No chaperones (add separately)
  • No post-translational modifications
  • Lower yields than crude extracts
  • Higher cost

When to Use PURE

  • Unnatural amino acid incorporation
  • Studying translation mechanisms
  • "Clean" proteins needed
  • Protease-sensitive targets
  • Linear template expression

Common Artifacts and Solutions

Low Molecular Weight Bands

Causes: Premature termination, proteolysis, internal initiation Solutions:

  • Optimize rare codon clusters
  • Add protease inhibitors
  • Check for internal AUG codons
  • Use PURE system

Higher MW Bands

Causes: Incomplete termination, read-through, aggregation Solutions:

  • Ensure strong stop codon (UAA preferred)
  • Check template 3' end
  • Add release factors (RF1/RF2)
  • Reduce protein concentration

No Soluble Protein

Causes: Aggregation during synthesis Solutions:

  • Lower temperature (25°C → 18°C)
  • Add chaperones
  • Use solubility tag
  • Optimize translation rate

References

CFPS Overview

Extract Preparation

PURE System

Wheat Germ

Codon Optimization

Disulfide Formation

Solubility Tags

Temperature Effects