In vivo biosensors: mechanisms, development, and applications.
体内生物传感器能够识别并响应特定细胞刺激。近年来，生物传感器越来越多地用于代谢工程和合成生物学，因为它们可被整合到合成回路中，根据特定细胞刺激（如某种代谢物或pH变化）调控报告基因表达。天然传感装置种类繁多，通常可分为蛋白质型和核酸型两大类。二者既可直接从天然遗传元件中挖掘获得，也可通过工程化改造现有遗传元件以获得新的特异性或更优性...
Isolation and characterization of novel mutations in the pSC101 origin that increase copy number.
pSC101 是一种窄宿主范围、低拷贝质粒，常用于大肠杆菌遗传操作。作者在筛选更敏感的内酰胺生物传感器过程中，意外鉴定出多个可提高 pSC101 起点质粒拷贝数的新突变。所有突变质粒均至少携带一个位于复制起始蛋白 RepA 编码区的突变；同源建模预测多数突变位于 RepA 二聚化界面。突变 RepA 使质粒拷贝数从野生型约 5 拷贝...
Development of a formaldehyde biosensor with application to synthetic methylotrophy.
甲醛是常见环境毒素，也是单碳代谢中的关键中间体。监测甲醛浓度对环境监测和天然或合成甲基营养微生物的代谢工程均具有重要意义，但现有方法存在灵敏度低、流程复杂或依赖昂贵分析设备等问题。本文基于大肠杆菌 FrmR 阻遏蛋白及其同源启动子开发了一种甲醛生物传感器。通过优化天然阻遏蛋白结合位点和调控架构，该传感器可检测低至 1 μM 的甲醛。...
Biosensor-aided high-throughput screening of hyper-producing cells for malonyl-CoA-derived products.
丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）是脂肪酸、多酮体、芪类和黄酮类等天然产物生物合成的重要前体，但大肠杆菌胞内 malonyl-CoA 水平较低，限制了其合成应用。为快速鉴定能够增强 malonyl-CoA 合成的菌株，作者开发了一种全细胞生物传感器。该传感器基于可响应三乙酸内酯（TAL）的突变 AraC 转录调控蛋白 AraC-...
Design, Optimization and Application of Small Molecule Biosensor in Metabolic Engineering.
合成生物学与代谢工程使微生物细胞工厂能够生产燃料、化学品和药物，但代谢物浓度相关表型的测量与精确控制仍是瓶颈。遗传编码小分子生物传感器可将代谢物浓度与可测量或可执行输出相耦合，是解决该瓶颈的重要工具。本文综述了代谢工程中小分子生物传感器的设计、优化与应用，重点讨论转录因子（TF）型传感器的优化策略。围绕中心法则，遗传编码小分子传感器...
Lighting up yeast cell factories by transcription factor-based biosensors.
过去二十年，通过重构细胞代谢以可持续生产化学品、燃料和药物的微生物细胞工厂工程能力快速发展，微生物基因组编辑的速度与精度不断提高，使更复杂的细胞工厂设计得以实现和验证。然而，与细胞工厂构建方法相比，用于高通量测试新工程细胞工厂性能的方法明显滞后，制约了整体生物制造流程。为此，需要开发能够在多重条件下筛选和选择最优细胞工厂设计的新技术...
Maltose Utilization as a Novel Selection Strategy for Continuous Evolution of Microbes with Enhanced Metabolite Production.
我们开发了一种基于碳源利用的新型选择回路，在麦芽糖作为唯一碳源的培养基中建立并维持多代生长-生产偶联。与传统基于抗生素抗性的回路相比，我们首先证明该回路将细胞适应性偶联到代谢物生产的能力更稳健，即使经过多轮选择逃逸风险也低得多。随后将该选择回路应用于 L-色氨酸（L-Trp）生产优化。我们证明，无论应用于小规模定义明确的突变库，还是...
Precise control of lycopene production to enable a fast-responding, minimal-equipment biosensor.
色素代谢物有望用于面向低资源地区的生物传感器，因为其输出可肉眼判读而无需仪器。然而，当不需要色素时完全抑制其生产十分困难，因为少量酶即可催化生成大量可见色素。红色色素番茄红素位于多色素类胡萝卜素通路中，可能特别有用，但常用诱导型启动子系统无法抑制番茄红素生产。本文设计了一种系统，可在无诱导剂时完全抑制番茄红素生产，并在诱导后2小时内...
Pathway optimization and key enzyme evolution of N-acetylneuraminate biosynthesis using an in vivo aptazyme-based biosensor.
N-乙酰神经氨酸（NeuAc）因在食品和医药领域具有广泛应用而备受关注。此前作者首次在大肠杆菌中以葡萄糖为唯一底物构建了人工 NeuAc 合成途径，但由于代谢通量和辅因子平衡要求严格，后续菌株改良困难。本研究设计了一种体内 NeuAc 生物传感器，并将其用于 NeuAc 生产菌株突变库的遗传筛选。该传感器以 sfGFP 为报告基因验...
Genetic-Metabolic Coupling for Targeted Metabolic Engineering.
微生物化学品生产常依赖高效合成酶，这些酶会与宿主原生代谢相互作用，影响细胞适应性和产物产量。然而，现有生产优化多基于未受代谢扰动的野生型数据，难以反映特定合成条件下的真实瓶颈。本文提出遗传-代谢耦合策略，将大肠杆菌中硫胺素二磷酸（TPP）合成与细胞适合度关联，利用合成RNA生物传感器在单细胞水平定量反映胞内TPP浓度。作者构建携带T...
Enabling tools for high-throughput detection of metabolites: Metabolic engineering and directed evolution applications.
在菌株工程的“设计—构建—测试”循环中，快速产物检测与筛选策略仍是关键瓶颈，并限制整体通量。本文系统总结了多种将目标化学物浓度转换为易于测量的吸光度、发光和荧光信号的高通量检测模式。具体涵盖蛋白基生物传感器（包括转录因子、荧光蛋白和G蛋白偶联受体）、核酸基生物传感器（RNA核糖开关、RNA菠菜和DNA适配体）、偶联酶反应、生物正交化...
Regulation of Metabolic Pathways by MarR Family Transcription Factors.
细菌已进化出精密的代谢通路调控机制，以确保合成代谢通路在终产物不足时才被激活，并在底物缺失时避免无谓表达分解代谢酶。这些精细调控依赖于能够结合通路中间代谢物或外源配体的转录因子，配体结合可改变转录因子构象及其与 DNA 的相互作用，从而调控基因表达。本文综述配体响应型 MarR 家族转录因子在控制代谢酶基因表达中的作用，重点讨论其识...
Naringenin-responsive riboswitch-based fluorescent biosensor module for Escherichia coli co-cultures.
组合合成代谢通路的设计能力已远超对所得微生物菌株进行高效筛选与选择的能力，因此高通量快速筛选技术对合成生物学和代谢工程至关重要。本文报道了一种基于 RNA 核糖开关、带有双荧光报告模块的生物传感器，并建立了基于流式细胞术的高通量筛选方法，用于在共培养体系中鉴定柚皮素（naringenin）高产大肠杆菌菌株。研究确定了影响传感器性能的...
Synthetic biology approaches for the production of plant metabolites in unicellular organisms.
合成生物学是将生物系统重新用于新目标与应用的技术领域。通过协调并平衡表达宿主内源基因及来自其他生物的外源基因，可将工业底盘细胞内的代谢资源导向高价值商品的大规模生产。这一新兴交叉学科有望革新高等植物天然产物的发现与生产，因为它提供了多种工具、技术与策略，可利用单细胞生物探索植物天然产物庞大而复杂的化学空间。本综述强调影响生物炼制体系...
Biosensor-Enabled Directed Evolution to Improve Muconic Acid Production in Saccharomyces cerevisiae.
顺丁烯二酸是可用于生产尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等聚合物的重要平台化学品。此前其共轭碱顺丁烯二酸根已在埃希氏菌中生物合成，而作者通过重要路径工程首次在酿酒酵母中实现理性工程化生产。为进一步提高产量，本研究采用适应性实验室进化（ALE）策略补充理性代谢工程。作者改造了一个响应内源芳香族氨基酸（AAA）的生物传感器模块，将其作...
Development of a Transcription Factor-Based Lactam Biosensor.
内酰胺是用于制造尼龙等聚酰胺的重要大宗化学品，其中 ε-己内酯年产量达数百万吨。为提升内酰胺的生物合成效率，需要高通量、可筛选的内酰胺传感方法。作者提出一种受小分子药物发现启发的化学信息学策略，即向可代谢化学品生成类似物（AGTC），用于寻找天然转录因子-启动子对。通过 DataWarrior 的 SkelSpheres 描述符生成...
Biosensor-based engineering of biosynthetic pathways.
生物合成途径可将廉价可再生资源转化为药物、塑料等高价值代谢产物，但途径设计受生物学复杂性限制。遗传变体的快速构建已能产生数十亿个具有不同代谢设计的细胞，然而评价这些设计优劣的测量能力仍落后数个数量级。近期研究利用遗传编码生物传感器使细胞报告自身化学生产水平，围绕生物传感器的创建与应用正在形成新的工程学科。生物传感器将胞内代谢物浓度转...
Genetically encoded sensors enable real-time observation of metabolite production.
工程细胞生产高价值代谢产物受限于缓慢且费力的浓度评估方法，许多设计未被评估，产物形成动力学也未被观察。本文建立一种无需样品制备和复杂分析即可实时观察产物形成的框架。利用源自小分子响应转录因子的遗传编码生物传感器，提供与细胞内目标代谢物浓度成正比的荧光读出。将合适传感器与产物合成细胞组合，可通过荧光追踪产物形成；单个细胞荧光强度与其代...
Transcription factor-based biosensors in biotechnology: current state and future prospects.
生物体在进化过程中形成了多种用于胞内外检测小分子、离子或物理参数的传感系统。近期研究表明，这些原理可被用于构建合成调控回路，以服务于代谢工程策略。在这一背景下，转录因子（TF）在微生物转录水平调控生理过程，因而在生物传感器设计中发挥核心作用：它们可被整合到合成回路中，根据小分子产物或代谢物的积累状态调控基因表达。本文综述了基于转录因...
Intermediate-sensor assisted push-pull strategy and its application in heterologous deoxyviolacein production in Escherichia coli.
由于通路工程方法通常缺乏高通量筛选工具，我们开发了一种名为中间物传感器辅助推拉策略（InterSPPS）的新策略，通过引入靶向关键通路中间物的生物传感器实现通路顺序优化。作为概念验证，我们构建了 L-色氨酸（L-Trp）生物传感器，并用于优化脱氧紫罗兰素（deoxyviolacein）生物合成通路；该通路被分为两个模块，L-Trp ...