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
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。
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。
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
$d = "$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. 下の青いボタンを押して
cell-free-expression.zipをダウンロード - 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. 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. 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. 上の「ダウンロード」ボタンを押して .skill ファイルを取得
- 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. 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\
- · macOS / Linux:
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) | 低 |
| 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 | 高 |
| 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 | 中 |
| 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 | 低 | 高 |
| 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 | 高 |
| 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
- 最初の 30 コドン: 最も重要 - 高頻度のコドンのみを使用
- 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
- 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
- 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
- 連続: >6 個の連続する G または C 残基を避ける (二次構造)
- 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 | 注 |
|---|---|---|---|---|
| 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
- First 30 codons: Most critical - use only high-frequency codons
- Rare codon clusters: Avoid 2+ rare codons within 10 nt
- Rare codon content: Keep overall <5% of coding sequence
- GC content: Target 40-60% for balanced expression
- Avoid runs: No >6 consecutive G or C residues (secondary structure)
- 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
- User's Guide to CFPS - PMC
- Optimising Protein Synthesis in Cell-Free Systems - PMC
- CFPS Systems Comparison - PMC
Extract Preparation
- Crude Extract Preparation - MDPI Methods
- Simple Rapid Cell-Free Lysate - PLOS One
- High-Throughput Extract Preparation - Nature Scientific Reports
PURE System
Wheat Germ
Codon Optimization
- Rare Codons and Solubility - PMC
- Codon Influence on Expression - Nature
- Synonymous Codon Substitutions Perturb Folding - PNAS