膜蛋白由于具有极其重要的生物学和医学意义,其研究已经成为蛋白质科学、结构生物学以及医学药学领域的重要部分,同时也是仿生膜等工程领域的研究基础。膜蛋白有不同的分类方法,既包括一次跨膜结构的简单膜蛋白,又包括多次跨膜的复杂膜蛋白。复杂膜蛋白包括受体蛋白,离子通道蛋白,转运蛋白,催化膜上反应的酶等具有各种生物学功能的蛋白质,其结构和功能研究关系着生命科学的各个方面。然而,膜蛋白尤其是复杂膜蛋白的大量制备仍然是现有体内蛋白表达技术难以攻克的难关之一。无细胞蛋白合成体系则为体内难以表达的膜蛋白研究提供了崭新的思路。本文选取线虫嗅觉受体ODR-10为目标开展了G蛋白偶联受体(GPCR)在无细胞系统高效表达的研究。GPCR是膜蛋白的一个重要组成部分,是许多药物筛选的靶点。本文采取了添加去污剂和脂质体两种策略在大肠杆菌无细胞体系实现ODR-10蛋白的可溶表达,可溶性ODR-10的表达水平达到100μg/mL以上。添加脂质体的策略促进了受体蛋白更加正确的折叠,同时可以使嗅觉受体在原位被合成、折叠和重构,这将方便嗅觉受体蛋白的结构和功能研究,为嗅觉传感器的制备提供支持。在实现受体蛋白大量可溶表达的基础上,本文进一步研究了通道蛋白的大量制备。选取了大肠杆菌水通道蛋白AqpZ为目标蛋白,利用大肠杆菌无细胞体系高效表达,并采取Ni2+亲和层析纯化得到目标蛋白。纯化后的AqpZ成功嵌入到脂质体上,并证实了功能活性。采用信号肽策略使AqpZ在无细胞体系的表达水平进一步提高。通过在无细胞体系中添加一定浓度的去污剂或脂质体可以原位切除信号肽,简化了纯化步骤,得到了天然大小的具有功能活性的AqpZ。该策略使得在一个反应器中能同时完成转录翻译、信号肽切除、膜蛋白正确折叠的过程。膜蛋白有许多有前景的工业应用,例如各种仿生膜的制备。在得到大量AqpZ的前提下,选取AqpZ进行了水通道过滤芯片的制备探索。本文制备了纳米氧化铝支撑的双分子膜,并合成了两亲性双嵌段聚合物PMOXA-PDMS-PMOXA,研究了其与AqpZ的相互作用。结果证明聚合物更适于制备稳定的固体支撑膜,用于海水淡化或者废水回收。许多膜蛋白都具有糖链,大部分有医学应用前景的蛋白质也都是糖蛋白。如何实现糖蛋白的高效异源表达也是膜蛋白大量制备需要解决的问题。本文探索了酵母无细胞蛋白合成体系的制备,发明了一种简便易行的酵母无细胞表达体系。该体系细胞容易培养,成本廉价,制备工艺简单,与其他真核体系相比具有一定优势。通过代谢改造可能会使酵母无细胞系统表达的异源糖蛋白更接近药物蛋白的要求。总之,本文致力研究膜蛋白在无细胞蛋白合成体系的高效表达策略以及应用研究,并为试图构建新的无细胞蛋白合成体系以适于各种膜蛋白表达。