自1961年Jacob和Monod描述lac操纵子以来，原核生物转录调控研究推动了基于转录因子的生物传感器发展。由于可检测小分子种类广泛且应用覆盖生物技术多个领域，过去数十年生物传感器研发呈指数增长。期间，基础认知、合成生物学、分析工具和计算学习等关键里程碑极大扩展了生物传感器库及其应用范围。生物传感器工程逐渐发展为多学科交叉领域，...
采血和医学影像是临床诊断的成熟技术，但常需较长后处理。快速、简便地定量信号分子有助于健康监测和诊断。甲状腺激素（TH）治疗依赖试错式剂量调整，并需持续血检，因此快速可靠地持续监测 TH 水平可显著改善患者生活质量。合成生物传感器成本低、使用简便，在医疗中的应用不断增加。本研究构建了一种工程化 TH 细菌生物传感器，由基于分裂 int...
一个多世纪以来，科学家一直利用细菌的治疗潜力治疗疾病。近年来合成生物学的出现推动了具有更高智能的基因工程菌发展。这些细菌可自主检测环境线索，并将其传递至关键启动子，从而表达功能蛋白。借助模块化元件，它们能够执行传感、传递和输出信号等多种功能。基于这些原理，一系列智能诊断与治疗工程菌相继出现。这些细菌能够靶向病灶部位，感知疾病特异性信...
当前塑料生产和消费路线因对气候变化和污染的影响而不可持续，需要对整个价值链进行改革。生物技术可通过可再生原料生产塑料单体，并促进塑料生命周期结束后的回收或升级利用。生物序列与设计空间复杂，需要高通量分析方法以支持合成生物学“设计—构建—测试—学习”（DBTL）迭代优化。此外，遗传调控工具可协调生物技术需求与所选生产宿主的生理限制。遗...
有效微生物生物加工依赖维持理想培养条件，因此需要监测和调控细胞性能与稳健性的工具。本研究评估了一种基于旁线流式细胞术监测完整酿酒酵母细胞的补料分批培养控制系统，该细胞携带荧光转录因子型氧化还原生物传感器。具体而言，系统检测工业木糖发酵酿酒酵母菌株TMBRP011中TRX2p-yEGFP生物传感器对NADPH/NADP+比例失衡的响应...
生物元件（bio-elements）的理性设计、活性预测与自适应应用是合成生物学的重要研究方向。当前该领域的主要挑战在于如何高效设计所需生物元件，并利用海量数据准确预测其活性。人工智能（AI）技术的发展使机器学习和深度学习算法能够在生物元件数据中挖掘规律并预测其性能。本综述探讨了 AI 算法在生物元件理性设计、活性预测以及利用 AI...
生物工程师日益依赖配体诱导型转录调控因子实现基因表达的化学响应控制，但可用调控因子数量有限。虽然可从基因组中挖掘新型调控因子，但其 DNA 特异性认识不足使遗传设计复杂化。本文提出 Snowprint，一种简单而强大的生物信息学工具，用于预测调控因子-操作子相互作用。基准测试表明，对于来自 9 个门、跨越 5 个不同结构家族的实验验...
遗传逻辑门可用于代谢工程和合成生物学中根据多种输入调控基因表达。设计具有可调动态性能的可调遗传逻辑门对于扩展这些工具集的可适用性至关重要。本文以对香豆酸生物传感器系统作为概念验证，首先研究了影响缓冲（BUF）遗传逻辑门性能的参数。随后，将对香豆酸生物传感器系统的结合序列与 tetR 或 lacI 调控系统整合到组成型启动子中，构建了...
为研究土壤微生物群落在难以成像环境材料中的群落尺度表型，作者评估了模型土壤群落（MSC）中单一成员能否在不破坏基质的情况下被编程报告基因表达。该 MSC 包含 Dyadobacter fermentans、Ensifer adhaerens、Rhodococcus sp003130705、Streptomyces sp0019056...
合成生物学正在改变人们对生物系统的认知，其新兴技术影响科学与工程多个学科。传统合成生物学主要面向利用可再生资源生产化学品的低成本微生物细胞工厂，从而通过降低石油依赖间接保护环境。如今，合成生物学开始更直接地参与环境保护。工业和农业释放的有毒化学物质破坏生态平衡并导致生物多样性丧失。本综述重点介绍可用于环境保护的合成生物学方法，尤其是...
异戊二烯是重要的平台化合物，可由工程微生物生产，但产量通常较低。传统气相色谱法检测异戊二烯费时且昂贵，而生物传感器可用于实时、高通量地筛选和监测产物合成。AraC-pBAD 诱导系统已被广泛用于小分子生物传感器开发。前期研究发现，当培养基中同时存在阿拉伯糖时，较高浓度异戊二烯可轻微诱导 AraC-pBAD 系统。本研究据此设计并构建...
基于转录因子的生物传感器常用于代谢工程中基因表达的可诱导调控，以及高通量筛选和动态通路调控等相关应用。挖掘新型转录因子对于扩展这些工具集的可用性至关重要。本文报道了从解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）中鉴定、表征和工程化一种酚酸响应调控蛋白 PadR（BaPadR）。该 BaPadR 生物传感器系...
从工程微生物合成大宗和高价值产品，通常可提供比化石或低效、不可持续自然资源更便宜、高效且可持续的替代方案。异养微藻如酵母和细菌已提供大量机会，一些光合微藻正作为有前景的自动光选项出现。微藻通过光合作用利用阳光和水生长，产生氧气并固定二氧化碳，具有可再生和可持续潜力。光合微藻高度异质且多样，许多类群通过不同路径进化并适应不同栖息地。作...
重编程细胞行为是合成生物学的重要目标。原核变构转录因子（aTF）可被改造为将小分子信号转化为细胞响应的通用工具，因此扩展其识别新诱导剂的能力具有重要意义。本文首先在大肠杆菌中利用谷氨酸棒杆菌 TetR 家族阻遏蛋白 RolR 建立了间苯二酚响应的 aTF 生物传感器。随后，作者沿 RolR 的适应度景观进行迭代定向进化，获得可识别儿...
核能有望在未来数十年扩大应用，但核电站泄漏产生的伽马辐射需要长期环境监测。现有机械辐射传感器存在供应有限、依赖电源和需人员进入危险区域等缺点。为此，作者利用合成生物学在马铃薯中构建了一种可检测低剂量电离辐射的植物生物传感器（phytosensor）。该系统将剂量响应开关整合到马铃薯基因组中，利用植物内源DNA损伤应答（DDR）通路感...
合成生物学的快速发展使生物技术中化合物生产取得革命性改进。DNA操作工具加速了细胞系统的工程化，但细胞系统固有的约束仍然存在，对质量与能量转换效率形成上限。无细胞蛋白合成（CFPS）通过去除细胞膜和细胞冗余部分，展现出克服这些固有约束的潜力，并推动合成生物学进一步发展。CFPS 提供了直接解析和操作中心法则的灵活性，并可实现快速反馈...
转录因子（TF）基生物传感器被广泛用于检测代谢物，并用于响应代谢物变化而调控细胞通路。然而，将已有 TF 基传感器直接应用于新的宿主菌株或新的代谢通路时，常面临正交性不足、背景泄漏、动态范围不匹配、响应阈值不合适等挑战，通常需要系统调谐才能获得最佳性能。这些调谐策略可根据目标参数涉及转录控制或翻译控制。本综述重点总结近期用于工程化 ...
合成生物学被认为有望应对紧迫的全球挑战，但监管问题是一个被低估的挑战。尤其在欧洲，相关监管框架植根于基于历史概念的“封闭使用”与“故意释放”二分法。本文通过一系列案例研究，包括一种拟用于检测尼泊尔和孟加拉国井水中砷的现场生物传感器，以及用于不育控制的基因工程昆虫，探讨这种监管与概念划分对不同国家背景下合成生物学项目部署的影响。文章进...
血红素具有电子传递、气体结合、催化和信号转导等多种功能，在医疗、膳食补充剂和食品加工中应用广泛。传统化学合成或从生物样品中分离血红素存在产率低、周期长、环境负担重等问题。近年来，基于全细胞系统的血红素生物合成方法成为替代方案，其核心是利用微生物中5-氨基乙酰丙酸（ALA）的C4和C5两条前体合成途径，以及原卟啉依赖（PPD）、铁卟啉...
基于合成生物学的全细胞生物传感器为食品污染物现场检测提供了有前景的新方法。其基本组成包括转录因子、核糖开关等传感元件，以及荧光、气体等报告元件；二者通过基因表达调控耦联形成简单基因线路，用于检测目标物质。更复杂的基因线路可引入信号放大、多目标检测和延迟报告等功能模块。借助合成生物学，全细胞生物传感器正变得更加通用和集成，可将检测前样...