双组分调控系统（TCRS）通过偶联感知与调控机制介导细胞响应。TCRS 由组氨酸激酶（HK）和响应调节子（RR）组成：HK 作为传感器识别环境信号，并通过自磷酸化将磷酸基团转移至 RR；磷酸化的 RR 结合启动子，调控效应基因表达。基于这一特性，细菌 TCRS 可被工程化改造，用于构建面向不同应用的微生物系统。本综述聚焦 TCRS ...
核糖开关是主要存在于细菌中的基因调控单元，能够响应小分子配体并改变基因表达。这类结构化 RNA 由适配体结构域和表达平台组成：前者高特异性、高亲和力结合目标配体，后者将配体结合事件转导为基因表达输出。近年来，研究者通过理性突变、结构引导设计、筛选与计算建模等方法，开发了可识别新型小分子诱导物的适配体结构域，并优化了表达平台，使其能与...
将目标化学与生化输入转化为遗传输出的生物传感器对生物工程和合成生物学至关重要。现有生物传感器设计策略常受低信噪比、每个新输入需大量优化以及在哺乳动物细胞中性能不佳的限制。本文报道了一种邻近依赖型分裂RNA聚合酶（split RNA polymerase, RNAP）作为通用生物传感器工程平台。作者发现融合蛋白之间的相互作用可调节分裂...
监测细胞行为并适时调控细胞过程，是应对当前代谢工程复杂性的关键。转录生物传感器有望增强并加速现有代谢工程策略，推动工业生物技术的重要进展。此类传感器的开发通常始于对自然界丰富调控元件的挖掘。本文首先简要讨论转录生物传感器的基本架构与多种作用机制，并介绍用于搜索天然转录因子及其结合位点的实验方法、计算方法和相关本体资源。随后，本文综述...
工程微生物工厂的发展受益于生物多样性的挖掘和新型酶途径的高通量合成，但代谢途径的筛选与优化仍是限速步骤。代谢物响应生物传感器可通过监测单个细胞内的代谢物水平并实现代谢物响应反馈控制，帮助解决这些挑战。目前可用的生物传感器主要来自自然进化，难以覆盖许多目标代谢物，因此需要可泛化的新型生物传感器构建方法。本文探索将代谢物结合蛋白转化为代...
铅虽在制造业中的使用已显著减少，但历史广泛使用及不当处置造成环境污染，铅可通过吸入、摄入或接触进入生物体并导致中毒。本研究基于合成生物学原理，开发用于检测铅的质粒型全细胞细菌生物传感器。该生物传感器遗传元件包含编码金属感应调控蛋白 PbrR 的 pbrR 基因、其天然反向启动子区 Ppbr 以及无启动子绿色荧光蛋白基因 gfp（gf...
随着工业扩张，重金属等污染物日益污染生活环境。重金属不可降解，易在食物链中累积并对生物体产生毒性，因此金属离子检测技术受到关注。合成生物学进展为利用源自微生物的启动子元件检测金属离子提供了新途径。为简化设计，需要开发系统方法以评估和选择合适组件，实现期望检测性能。本文推导了一种多目标 H2/H1 性能准则，作为金属离子生物传感器的设...
可预测地整合外源生物信号与元件仍是合成细胞执行系统工程的关键挑战，亟需提高信号转导与灵敏度的通用方法。为此，作者受化学 pH 缓冲体系启发，在酿酒酵母中建模并构建了一个分子信号缓冲网络。该网络对四环素响应核糖开关进行上下文隔离，使其能够合成控制菌落形成并实现模块化信号操纵。核糖开关信号被传递至分裂转录因子的转录激活域，而相互作用的 ...
寄生虫病在全球造成重大健康负担，尤其在资源有限地区需要快速、低成本的检测方法。寄生虫在生命周期中常释放特异性蛋白酶，可作为检测标志物。本研究利用合成生物学策略，构建了模块化大肠杆菌和枯草芽孢杆菌全细胞生物传感器平台，将可互换的蛋白酶识别基序整合到细胞表面展示系统中。当靶标蛋白酶切割识别基序时，表位标签被移除，荧光探针无法结合，细胞出...
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...
随着工业扩张，重金属等污染物对生活环境造成日益严重的污染。重金属难以降解，可在食物链中累积，其毒性会对生物体造成损伤，因此金属离子检测技术受到关注。本研究提出一种基于群体感应（quorum sensing, QS）的放大器，用于提高金属离子生物传感器的检测性能。该设计利用可扩散信号分子，使其自由穿过细胞膜进入环境，实现细菌之间的细胞...
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...
合成生物学与代谢工程需要强且调控紧密的启动子。作者此前为蓝细菌集胞藻 PCC 6803 构建了 TetR 调控的 L 启动子库，其中 L03 具有宽转录调控动态范围，而 L09 在抑制条件下表现出异常高的泄漏表达。本研究旨在鉴定 L09 泄漏的原因。作者采用扩展非线性 Peyrard–Bishop–Dauxois（EPBD）介观模型...
生物传感器是具有可调性的强效系统，能够响应外部刺激在开/关状态之间切换。通过引入合成生物学或仿生化学策略，可以重新设计传感元件，从而获得在稳健性、灵敏度和检测范围方面满足特定需求的定制型生物传感器。近年来，这两个领域的进展使研究者能够通过改造基因开关和基因网络，或合成模拟天然分子关键性质的人工实体，重构传感元件的构型。本综述系统讨论...
谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）是生物技术氨基酸生产的主力菌。50多年来，该放线菌的氨基酸生产菌株通过经典育种、代谢工程以及系统与合成生物学方法不断改进。本综述主要关注 C. glutamicum 菌株开发用于非天然产物的最新进展。最近，代谢物传感器加速了经典菌株育种。为利用替代碳源（如戊糖）并生...
代谢物通路的定量与调控对微生物生产过程的优化至关重要。遗传编码生物传感器提供了将代谢物感知与多种对代谢工程极具价值的输出相偶联的手段。这些输出包括对代谢物浓度进行半定量检测，以筛选或选择具有理想代谢物特征的菌株，以及构建动态代谢物调控通路以提高产量。受天然系统启发，生物传感器功能基于高度多样的机制，包括代谢物响应转录因子、双组分系统...
生物传感器具有内置能量供应和固有识别机制，若合理利用可能超越传统传感器。然而，现有生物传感器存在配体检测范围窄、信号输出较低以及难以整合多路信号等限制。信号整合可提高传感器特异性，并允许同时检测多种配体组合，从而指示环境或发育过程；信号放大则可提高检测灵敏度和检测范围。核糖开关有望扩大可检测配体的多样性，而合成生物学的发展为基于正交...
生物传感器为改进细胞或酶作为小分子合成生物催化剂提供了重要途径。本文综述了转录因子型生物传感器在开发与应用方面的最新进展。此类传感器不直接检测酶或代谢途径产物，而是利用遗传编码报告基因产生可区分表型，从而以颜色、抗性或荧光替代繁琐的化学检测。文章介绍了三类传感器：构象型报告蛋白（如FRET开关）、RNA开关以及基于转录调节蛋白的系统...
全细胞微生物生物传感器为重金属的快速、现场检测提供了替代手段。该类传感器以微生物为基底，通过设计和构建基因回路，使细胞在接触重金属离子时产生定性或定量的输出信号。早期设计多集中于单输入构建体，而多路复用系统的发展使传感器设计更加灵活。然而，重金属对微生物底盘的毒性以及重金属响应启动子元件特异性不足，限制了其从实验室走向现场实用化。采...
环境中的芳香污染物因其持久性和毒性对人类健康构成严重威胁。本文报道了一组基于绿色荧光蛋白报告基因和芳香响应转录调控因子（NahR、XylS、HbpR 和 DmpR）构建的芳香化合物生物传感器的设计与全面表征。通过精细调节检测元件与报告基因之间的遗传连接，实现了远高于既往报道的诱导倍数。对每种生物传感器的剂量-响应关系、动态范围及芳香...