辐射响应启动子是一类功能独特的转录调控元件，可将辐射诱导的遗传毒性应激信号转化为可定量的基因表达输出。它们不直接测量分子损伤产物，而是通过协调的基因调控网络报告细胞对辐射应激的解读，在辐射生物标志物体系中占据独特机制位置。本综述系统分析五类主要辐射响应启动子：microRNA（miRNA）启动子、tRNA来源小RNA（tsRNA）启...
基因编码生物传感器可将期望表型与可检测输出相耦合，已广泛用于检测多种天然和非天然产物。与不同高通量筛选（HTS）方法结合后，这些传感器可在不同通量水平下实现以产物为导向的高效筛选，从而加速微生物细胞工厂的工程化与优化，使其生产多种目标化合物。为实现微生物细胞工厂的有效HTS，生物传感器需具备若干关键特性。其性能特征显著影响在HTS中...
遗传编码生物传感器能在活细胞中实时监测并精确调控，是前沿传感工具。然而，面向新分析物的真核遗传编码生物传感器开发受限于信号-受体对不足。将细菌生物传感器转入真核细胞以扩展检测空间已取得显著成功，但由于真核与原核基因表达系统差异显著，优化细菌来源传感器具有挑战性。成功案例表明，直接从真核系统开发正交信号-受体对可能是可行方案。丝状真菌...
工程化溶瘤细菌正成为精准癌症治疗的有前景平台，结合固有肿瘤趋向性、免疫原性和可编程基因调控。合成生物学进展使可诱导和自主回路能够感知外源输入（化学或物理信号）、细菌自身线索（群体感应、细菌侵袭开关或一氧化氮响应启动子）以及肿瘤特异性病理生理（缺氧、低pH或乳酸）。这些设计调控定植、裂解和治疗货物（前药转化酶、细胞因子、抗体/纳米抗体...
微生物全细胞生物传感器（MWCBs）利用活细胞检测分析物并产生可测量输出，从而实现连续、低成本和原位传感。模块化传感架构是 MWCB 功能的核心，可重新编程以响应多种信号。其中，双组分系统（TCSs）和变构转录因子（aTFs）为构建嵌合蛋白提供了模块化、可工程化的框架。近年来，结构域交换、融合位点选择和蛋白质工程方面的进展扩大了这些...
芳香化合物广泛用于香料、染料、神经递质和药物等领域。以廉价底物进行微生物发酵是生产芳香化合物的重要策略，但发酵参数优化和工业规模放大仍面临挑战。生物传感器能够精细调节内源或异源代谢途径酶的表达，在不明显抑制细胞生长的前提下平衡代谢通量，并将代谢流导向目标产物合成，因此基于生物传感器的菌株工程与筛选是一种智能化策略。本文系统综述了大肠...
无细胞蛋白合成（CFPS）已成为合成生物学中可编程、可扩展且兼容自动化的关键平台。摆脱细胞存活与生长限制后，CFPS 可实现快速设计迭代、精确控制反应条件和高通量实验。CFPS 与生物工厂（自动化高通量生物工程平台）的整合显著加速设计-构建-测试-学习（DBTL）循环，促进酶工程、代谢途径原型构建、生物传感器开发和远程生物制造。液处...
脂解耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）是一种具有油积存能力的酵母，已成为可持续生产高价值营养保健品的重要细胞工厂。其固有代谢特征表现为向关键前体乙酰辅酶A（acetyl-CoA）的高通量，使其适合合成类胡萝卜素、黄酮类化合物和特色脂质等复杂分子。本综述总结了工程化脂解耶氏酵母细胞工厂的最新进展，重点讨论代谢工程与合成...
无细胞生物传感器利用细胞机器的选择性，同时避免活细胞的限制，在环境监测、医学诊断和生物技术应用中具有优势。本综述总结无细胞生物传感器开发的最新进展，强调其以高灵敏度和特异性检测重金属、有机污染物、病原体和临床生物标志物的能力。文章分析无细胞蛋白合成优化、保存策略和现场部署方法等技术创新，这些进展提高了灵敏度与实际适用性。合成生物学方...
微藻具有光驱动生长、CO2固定和合成多种高价值化合物的能力，是循环生物经济中可持续细胞工厂。然而，工业应用受生物限制和传统遗传工具不足阻碍。CRISPR-Cas系统最初通过靶向DNA切割实现精确基因编辑。本综述认为，其真正变革潜力在于超越切割，将CRISPR作为多功能合成生物学“瑞士军刀”。文章综合了CRISPR衍生工具的快速演进，...
多能细胞通过接收外部信号、做出命运决定并执行分化功能而特化为多种细胞类型，这一范式类似计算机算法。尽管生物传感器设计进展使细胞能响应多种刺激，但维持细胞经历合成记忆并据此指导行为的能力仍难以实现。本文开发了一种基于重组酶逐步基因表达程序（STEPs）模拟“for-loop”计数到三的细胞记忆驱动行为系统。STEPs 被基因组整合到人...
本文利用合成生物学技术，将细菌改造为可用于疾病诊断和治疗递送的微型机器人。工程菌可单独使用，也可作为微生物群落组合应用；群落中不同组分相互补充，可提高诊断准确性并产生协同治疗效应。文章重点讨论了微生物疗法在癌症、肠道疾病和代谢性疾病中的应用潜力，并强调工程菌对宿主原生微生物群的影响至关重要，因为其可调节并与宿主微生物环境相互作用，从...
过去数十年，合成生物学的发展为低成本、快速且环境友好的医学应用开辟了新路径。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）经遗传工程改造后，已从食品工业中的传统工具转变为治疗和预防医学的重要载体。本综述系统梳理工程化酿酒酵母在医学领域的主要应用，重点讨论其作为药物与疫苗生产细胞工厂、用于诊断和生物模拟检测的生物传感器，...
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，...
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...
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...
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...
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...
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...