细菌能够感知环境中特定分子并触发相应代谢反应，是重要的生物技术资源。尽管许多介导该过程的转录因子（TF）已被研究，但仅少数被用于分子生物学应用。为扩展具有生物技术价值的生物传感器库，本文提出一种构建和测试嵌合 TF 库的策略，其核心是将高溶解性周质结合蛋白（PBP）与 DNA 结合域（DBD）融合，形成可识别小分子并调控转录的嵌合调...
生物传感器正在推动分析检测领域的重要进展，并与合成生物学的发展相互促进。生物传感器能够快速、特异性地检测多种分子，在工业、医学、生态和科学研究中具有广泛应用。生物传感器设计方法与其应用一样多样，主要类别包括核酸、蛋白质和转录因子。每一类传感器都依据目标应用和最佳性能参数具有不同优势与局限。具体而言，传感器设计必须考虑配体特异性、灵敏...
珊瑚礁由与绿色荧光蛋白同源的真核色蛋白（CPs）着色。与荧光蛋白不同，CPs强烈吸收可见光，在环境光下呈现明显颜色，因而具有无需仪器检测、避免紫外损伤和背景荧光、高效FRET猝灭及光声成像等优势，可作为遗传标记并有望用于现场细胞生物传感器。然而，哪些真核CP基因适合在细菌中表达及如何定量检测尚不清楚。本研究利用密码子优化程序，将14...
在构建和表征用于霍乱弧菌检测的全细胞生物传感器过程中，作者采用两种核心技术：利用Gibson等温组装反应组装PCR扩增的质粒片段（DNA parts），并利用微孔板荧光读数对工程化大肠杆菌菌株进行表征。总体流程为：先在计算机中设计DNA片段，再通过等温组装构建质粒，随后转化至大肠杆菌，最后使用微孔板读数仪评估菌株表现。由于传感器设计...
为监测微生物胞内外环境并相应调控代谢过程，研究者将天然转录调控系统改造为可检测小分子并表达特定输出信号的转录生物传感器。然而天然响应曲线常不符合实际应用需求。本文以大肠杆菌为宿主，开发并表征了源自 Herbaspirillum seropedicae 的 LysR 型柚皮素响应生物传感器电路，将其解耦为检测模块与效应模块，并系统研究...
本文报道了一个用于识别和收集可被活细胞检测的小分子化合物的数据集，重点围绕细菌转录因子介导的遗传编码生物传感器。该数据集旨在为合成生物学中的多种应用提供基础，包括全细胞生物传感器设计、高通量筛选、代谢通路动态调控、转录因子工程以及正交传感回路构建。数据条目包含化合物名称、InChI分子结构、检测报道文献、检测或工程化宿主、检测与实验...
微生物利用生物质生产高附加值化学品是化学合成的可持续替代途径。为提高产物滴度、产率和选择性，需优化工程菌中的代谢通路。动态通路调控可在发酵过程中调节通路相关酶的表达，从而将内源通量导向产物合成、平衡关键中间体的生成与消耗，并抑制毒性中间体早期积累。本文在大肠杆菌中叠加两种正交、自主且可调的动态调控策略，以独立调节两种不同酶的表达，提...
生物生产化学品是推动社会向可持续转型的重要驱动力。然而，高度工程化的生产菌株在工业规模发酵中常面临进化压力，选择出破坏其生物合成能力的遗传变异。合成产品成瘾将目标代谢物的高产与非条件必需基因表达偶联，可在不限制培养基组成的条件下，选择性偏好具有生物合成能力的细胞。作者利用甲羟戊酸生物传感器控制两个非条件必需基因的表达，构建了此类合成...
自然进化的代谢物响应生物传感器可用于代谢工程，从筛选大型基因库到动态调控生物合成途径。然而，许多代谢物没有天然生物传感器。为满足这一需求，作者开发了一种将代谢物结合蛋白转化为代谢物响应转录因子的通用方法——随机结构域插入生物传感器工程（BERDI）。该方法利用体外转座子插入反应，将 DNA 结合域插入代谢物结合蛋白的所有可能位点，随...
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...
荧光蛋白广泛用于监测天然与合成基因回路，但只能用于透明体系，难以在土壤和沉积物等不透明基质中非破坏性测量基因表达。本文提出一种比值型气体报告方法，用于在难以成像的环境基质中连续监测基因表达。该方法中，乙烯形成酶（EFE）组成型表达并持续合成乙烯（C2H4），用于指示活菌数量；甲基卤化物转移酶（MHT）基因置于条件启动子控制下，在目标...
生物传感器可实时监测特定小分子并精确调控基因表达，但调节其性能的策略仍较少。本文报道在大肠杆菌中构建可调节的腐胺生物传感器。作者利用天然腐胺响应阻遏蛋白 PuuR 作为识别元件，将其同源操纵子 PuuO 插入强启动子 tac 等序列中，构建合成启动子 TacR2，以控制下游绿色荧光蛋白 GFPmut3 的表达。该传感器对腐胺具有特异...
维生素与矿物质等微量营养素缺乏是全球重大健康问题，但现场评估人群营养状况存在物流困难。全细胞生物传感器有望将样品分析从集中、资源密集的临床实验室转移到资源有限的现场。本文报道了一种基于大肠杆菌（Escherichia coli）的概念验证全细胞生物传感器，用于检测锌这一重要微量营养素。该传感器通过两种锌响应启动子/转录因子系统分别调...
重组DNA技术已用于开发多种全细胞生物传感器，以检测包括重金属离子在内的环境污染物。全细胞生物传感器具有培养简便、成本低、可多重检测且无需特殊分析技术等优点。在合成生物学时代，前沿DNA测序和基因合成技术加速了细胞基传感器的发展。本文综述全细胞重金属生物传感器的当前技术进展，包括合成生物学元件（生物部件）、传感与报告模块、遗传电路和...
在细胞工厂开发中，筛选步骤常依赖低通量分析方法，落后于多样性构建方法，使最优细胞工厂设计的鉴定与选择耗时且昂贵，制约制造过程。在酿酒酵母中，将原核生物别构调控转录因子作为代谢物生物传感器，是缓解该筛选瓶颈的有效策略。本文提供在酿酒酵母中筛选并整合原核转录激活因子作为代谢物生物传感器的方案。以 LysR 型转录调控因子（LTTR）家族...
合成生物学中的安全设计（Safe-by-Design）方法承诺以安全价值为导向设计生命体的构建模块，为生物技术的安全使用开辟新路径。然而，该方法将安全的主要责任转移到研发阶段的行为者，并假定所有利益相关者能以相同方式定义和理解安全，这些假定存在问题，可能反而削弱安全。本研究通过群体决策室（Group Decision Room, G...
大环内酯是一类具有广泛强效生物活性的天然产物，由 I 型聚酮合酶（PKS）及相关酶机器生物合成。药物发现、药物生产和探针开发迫切需要获取大环内酯及其非天然衍生物。通常，在不同微生物宿主中工程化大环内酯及其类似物生物合成的努力，受限于大环内酯生物合成途径的复杂性，以及我们理性重编程 I 型 PKS 和 PKS 后修饰机器的能力有限。基...
核糖开关是一类仅由 RNA 组成、可遗传编码的传感-调节元件，能够响应代谢物并调控基因表达，因而在代谢物监测中具有应用潜力。然而，核糖开关的动态范围、基础表达和操作范围等功能参数需针对具体应用进行优化，而其序列-功能关系复杂，优化并不直接。本文以人工 L-色氨酸核糖开关为例，提出三种系统调优策略。首先，通过改变组成型启动子强度或质粒...