基于代谢物响应转录因子的代谢物生物传感器是合成生物学中用于感知和精确调控细胞代谢的关键元件。此类传感器通常在实验室条件下设计，但实际部署时细胞生长速率可能与初始表征差异很大。本文研究生长速率如何影响生物传感器的最低输出、最高输出和动态范围等关键性能指标。作者以大肠杆菌中 LacI、TetR 和 FadR 基生物传感器为模型，发现不同...
转录因子在调控细胞功能中起关键作用。理解和改变基于转录因子的生物传感器的动态行为将扩展我们对生物分子相互作用的认识并促进生物合成应用。本研究在大肠杆菌中表征并工程化了一个基于 TrpR 的色氨酸阻遏系统。发现重建的 TrpR1-PtrpO1 生物传感器在色氨酸或其类似物 5-羟色氨酸（5-HTP）存在时表现出低基础表达和窄动态范围。...
宫颈癌是严重威胁育龄女性健康的全球公共卫生问题，也是全球癌症患者中第二大疾病负担，死亡率高达50%。由于公众认知不足和有效诊断手段有限，亟需开发即时、微创的诊断方法。本文建立了一套端到端、定量的统一计算诊断流程，依次完成最优生物标志物识别、toehold switch 传感器同步设计以及诊断基因电路的性能模拟。基于公开 miRNA ...
遗传回路设计的快速发展使全细胞生物传感器（WCBs）在医学诊断和环境毒性评估等领域受到关注，但高背景信号和低精度限制了其从概念验证走向实际应用，尤其用于重金属毒性监测。作为替代模块设计，本研究利用Bxb1重组酶作为开关，以增强剂量–响应行为并降低泄漏。借助Bxb1重组酶识别元件的模块化特性，作者将可响应镉等毒性离子胁迫的工程化半特异...
近年来，小分子生物传感器在合成生物学与生物化学研究中日益重要，相关新应用不断涌现。然而，许多细菌小分子生物传感器的实际效用受到功能不足的限制，包括工作范围、动态范围和化学特异性不理想。本文系统综述了细菌细胞内已知的小分子生物传感器机制类型，并总结了用于优化不同功能参数的工程策略。文中讨论了直接改造传感器基因的方法，如定向进化、结构/...
提高目标产物产量是构建和优化微生物细胞工厂的核心目标。赋予菌株基于生物传感器的智能，是解决代谢流不平衡、毒性中间体积累等工程问题的重要途径。近年来，通过理性设计、定向进化或机器学习，针对代谢物和环境信号的遗传编码生物传感器快速发展。除作为高通量筛选中的快速检测方法外，生物传感器越来越多地应用于菌株定向进化和代谢途径动态调控。本文综述...
本文报道 TALE.Sense，一个用于在活哺乳动物细胞中检测 DNA 序列的通用平台。该平台将转录激活样效应子（TALE）的可编程 DNA 结合能力与条件性 intein 重组相偶联，通过反式剪接产生 ON 开关，从而触发可定制的细胞响应，以区分含有指定序列靶标的细胞。与已报道的锌指（ZF）DNA 传感器相比，TALE.Sense...
重金属在生物体内的频繁暴露与蓄积会损害脑、肝、生殖器官等，造成严重健康风险；全球多地饮用水和地下水存在砷、镉、铅、汞、铬等污染，因此需要快速、低成本、高特异性的水质评估方法。自然界微生物可通过特定基因和转录因子响应重金属胁迫，重组DNA技术可将这些天然生物报告器改造为受控体系：在特定重金属存在时开启或关闭基因表达或酶活性，形成化合物...
遗传编码生物传感器可识别并响应胞内和胞外刺激，如代谢物浓度、氧气、光或 pH 变化，并通过基因回路控制报告基因表达，将其转换为荧光、颜色或细胞存活等易检测输出信号。它们在代谢控制、高通量筛选、微生物细胞工厂在线监测、生物医学、食品安全和环境监测中具有潜在应用，且可在原位使用、对目标生物过程干扰小。本文综述了当前遗传编码生物传感器的功...
耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染日益引起全球关注，寻找抗生素替代疗法迫在眉睫。近年来，合成生物学通过设计基因线路构建全细胞生物传感器，使其能够感知病原体的群体感应（QS）分子并触发抗菌分子表达，从而杀灭 MRSA 并抑制其进一步增殖。本研究在计算机模拟层面设计了一种大肠杆菌（E. coli）全细胞生物传感器，使其能够识别 M...
微生物可利用可再生原料、在较低能耗条件下生产高价值化学品，但合成途径给宿主带来代谢负担，常需化学诱导剂在细胞达到足够密度后启动基因表达。化学诱导启动子虽常用，却引入外源化合物并增加成本。作者开发了一种用于 D-甘油酸合成途径的表达控制系统，以半乳糖醛酸同时作为诱导剂和底物，从而无需外源化学诱导剂。该系统由半乳糖醛酸响应型转录因子生物...
抑郁症具有多因素和异质性，使精准治疗困难。肠道微生物组与神经功能之间的相互作用构成肠脑轴，微生物产生的多种代谢物通过该轴影响宿主免疫、代谢和神经通路。粪菌移植等研究提示，肠道菌群组成变化可导致肠脑轴失调，并可能参与抑郁发生。当前生物标志物检测常依赖脑脊液或血液样本，采用高效液相色谱、质谱和核磁共振等技术；合成生物学则通过工程化益生菌...
本文报道了一种基于负反馈放大电路的高灵敏镉离子（Cd2+）全细胞生物传感器。作者以天然携带 cad 操纵子的 P. putida KT2440 为宿主，构建含 Plteto1-cadR-T-Pcad-mcherry-T 的基因回路，并利用 TetR/aTc 负反馈模块调控 CadR 表达，从而放大 mCherry 荧光输出。与不含负...
为实现能够识别疾病状态（如低氧）并产生相应治疗性生物制剂的“智能”细胞治疗，开发合适的低氧响应启动子至关重要。现有低氧响应启动子通常由多个含低氧响应元件（HRE）的重复序列与最小核心启动子组成，但重复序列存在基因组不稳定性，可能影响细胞治疗产品的长期一致性。为此，作者设计了一种合成友好的低氧诱导启动子SFHp，其GC含量控制在25%...
合成生物学有望变革多种疾病的细胞与基因治疗。目前，针对真核和原核细胞的成熟工具已可用于工程化细胞，使其能够选择性响应一种或多种疾病相关信号并产生治疗效应，从而避免正常组织受到潜在细胞毒性影响。本报告总结了2021年5月3日至4日举行的Keystone线上研讨会“合成生物学：遗传工程与人类治疗的十字路口”。鉴于多项基于合成生物学设计的...
微生物利用可再生原料进行生物合成是实现可持续化学制造的重要途径，但发酵过程中细胞间生物合成能力差异会限制生产稳健性和效率。本文针对工程枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）中产细胞与非产细胞亚群动态失衡问题，开发了一种可诱导群体质量控制系统（iPopQC）。该系统基于可诱导启动子和代谢物响应生物传感器构建的遗传回路，通过...
全细胞生物传感器在工业、医学和环境应用中具有潜力，可通过改造细菌天然感知机制构建。本文报道了一组基于大肠杆菌 AtoSC 双组分系统（TCS）的新型乙酰乙酸（acetoacetate, AcAc）感应生物传感器。作者首先建立了描述 AtoSC TCS 动力学行为的常微分方程（ODE）模型，并利用 Morris 敏感性分析识别影响传感...
微生物产生的吲哚代谢物是一类在人类健康、作物生产和抗生素耐药背景下发挥种间与跨界信号作用的分子。作者挖掘蛋白质数据库，寻找可识别吲哚代谢物的传感结构域，并开发了一种检测吲哚-3-甲醛（I3A）的生物传感器。微生物来源的 I3A 可通过激活芳烃受体（AhR）通路减轻溃疡性结肠炎等疾病中的炎症。作者在大肠杆菌中构建携带单一质粒的嵌合双组...
微生物全细胞生物传感器（MWCBs）利用工程化微生物在目标分析物存在时产生或抑制报告蛋白表达，通过报告蛋白产生的可量化信号测定样品中生物可利用分析物水平，其成本通常低于常规分析仪器，并具备稳健、可微型化、高通量和多联检测潜力。本文系统综述 MWCB 的工作原理，区分微生物表面展示传感器与全细胞传感器，介绍组成型与诱导型表达系统，以及...
酚、苯和甲苯等芳香族化合物是致癌性异生物质，可污染水资源。本研究结合合成生物学与结构指导设计，构建了一套可调谐的全细胞生物传感器（WCBs）阵列。作者利用天然具有酚感知与降解能力的 MopR 遗传系统，将其引入大肠杆菌，并将下游代谢基因簇替换为荧光素酶（Luc）报告基因，使传感器能够检测低至约1 ppb 的酚，从而可直接检测饮用水允...