Programming Next-Generation Synthetic Biosensors by Genetic Circuit Design.
合成生物学利用工程原理构建具有定制功能的遗传电路，从而实现对生物系统的精确操控。基于这一能力，合成生物传感器正发展为适用于环境监测、疾病诊断、食品安全控制和生物生产优化等场景的现场、可持续、低成本且易用的检测平台。然而，合成生物传感器在实地部署和真实应用中仍面临灵敏度、特异性、响应速度、稳定性和生物安全等方面的挑战。本综述总结了遗传...
Active learning-guided optimization of cell-free biosensors for lead testing in drinking water.
基于变构转录因子（aTF）的即用型诊断在环境监测和人类健康中前景广阔，但天然 aTF 生物传感器通常缺乏真实应用所需的灵敏度与选择性，传统定向进化难以同时优化多个性能。为此，作者开发了一种多目标、机器学习（ML）指导的无细胞基因表达工作流，用于工程化 aTF 生物传感器。该方法快速生成高质量序列-功能数据，并转化为带方向标签的成对增...
A Novel Approach Using LuxSit-i Enhanced Toehold Switches for the Rapid Detection of
副溶血弧菌（Vibrio parahaemolyticus）是重要食源性病原菌，常见于海水和沿海海产品，可引起严重感染和溶血损伤。生物传感器检测技术不断发展，toehold switch 已成为有前景的方向，尤其用于 RNA 病毒检测。本研究开发了一种用于检测副溶血弧菌的无细胞 toehold switch 传感器。传统 toeho...
A modular cell-free protein biosensor platform using split T7 RNA polymerase.
传统实验室蛋白检测方法依赖昂贵设备和复杂流程，不适合即时检测（POC）；现有POC方法开发周期长且难以快速重构。本文提出一种模块化无细胞蛋白生物传感平台TLISA（T7 RNA聚合酶连接免疫传感检测）。该平台将分裂T7 RNA聚合酶片段与蛋白亲和域融合，目标抗原同时结合两个亲和域后驱动聚合酶片段重组，从而激活报告基因表达。作者以eG...
Expanding the Cell-Free Reporter Protein Toolbox by Employing a Split mNeonGreen System to Reduce Protein Synthesis Workload.
无细胞系统（CFS）在生物传感器应用中具有潜在优势，但其有限的蛋白合成时间使得在反应初期建立稳健传感模块并产生足够荧光信号以检测低浓度分析物面临挑战。本研究利用分裂荧光蛋白，特别是分裂超级折叠绿色荧光蛋白（sfGFP）和 mNeonGreen（mNG），在反应停止前合成更多报告单元，从而提高无细胞系统的检测限。对 β 链 1–10 ...
Engineering a cell-free biosensor signal amplification circuit with polymerase strand recycling.
无细胞系统能够模拟传感与基因表达，且不受活细胞复杂性限制，是强大的合成生物学技术；引入遗传电路后还可执行更高级的信息处理功能。本文通过工程化一种高特异性等温信号放大电路——聚合酶链循环（polymerase strand recycling, PSR），扩展了无细胞生物传感能力。PSR利用T7 RNA聚合酶对DNA链置换电路中暴露的...
At-Home, Cell-Free Synthetic Biology Education Modules for Transcriptional Regulation and Environmental Water Quality Monitoring.
随着合成生物学快速发展，培养具备实践能力的STEM人才至关重要，但缺乏低成本、可及的动手实验导致机会不平等。为弥补学生自主设计和构建生物工程系统的教学缺口，作者开发了四种货架稳定的无细胞生物传感教育模块。这些模块基于非致病大肠杆菌的冻干粗提物，只需加入水和DNA即可启动转录与翻译，无需专业实验室设备或研究人员监督。模块分别用于讲解l...
A Cell-Free Biosensor for Assessment of Hyperhomocysteinemia.
高同型半胱氨酸血症是一种以血液中同型半胱氨酸水平异常升高为特征的病理状态，与叶酸缺乏、出生缺陷以及多种慢性疾病相关。目前尚缺乏便捷、低成本的血浆同型半胱氨酸检测方法。为此，作者利用大肠杆菌天然的同型半胱氨酸感知机制，构建了一种无细胞生物传感器，以满足低成本、即时检测平台的需求。该传感器能够检测血浆中生理相关浓度的同型半胱氨酸，并在1...
At-home, cell-free synthetic biology education modules for transcriptional regulation and environmental water quality monitoring.
随着合成生物学快速发展，培养具备动手能力的STEM人才至关重要，但缺乏可及的实验演示造成机会不平等，且现有课程较少支持学生自主构建生物工程系统。为此，作者开发了四种货架稳定的无细胞生物传感教育模块，只需向冻干的大肠杆菌粗提物中加入水和DNA即可启动反应。模块围绕lac操纵子，引导学生理解转录调控机制、LacI阻遏蛋白对IPTG的剂量...
Robust and tunable performance of a cell-free biosensor encapsulated in lipid vesicles.
无细胞系统可用于构建遗传编码生物传感器，但缺乏细胞膜屏障会限制其在复杂样品中的稳健性。本研究将转录调控型氟化物响应核糖开关封装于脂质体人工细胞中，实现对环境重要分子氟化物的稳健且可调检测。作者采用水包油双乳液法制备单层脂质体，将大肠杆菌 S30 无细胞反应体系、核糖开关 DNA 模板及报告基因包埋其中。外部氟化物可经膜进入囊泡，结合...
Cell-free arsenic biosensors with applied nanomaterials: critical analysis.
砷是生态系统中普遍存在的类金属元素，自然与人为活动使其广泛分布于地下水、土壤和空气中。长期暴露于较高砷水平的人群已超过2亿，易患癌症、神经、皮肤、心血管、生殖、肝肾及胃肠等疾病，因此环境砷检测具有重要意义。现有原子光谱、质谱、色谱等仪器方法灵敏度高，但设备昂贵、分析时间长，难以现场即时检测。生物传感器作为快速定性定量分析平台，在环境...
Point-of-Care Analyte Quantification and Digital Readout
基于无细胞系统的现场可部署诊断已取得进展，但目标分析物的现场定量仍是挑战。本文证明，将大肠杆菌裂解液基无细胞生物传感器与个人血糖仪（PGM）耦合，可实现现场分析物定量，并具备向多种分析物重新配置的潜力。分析物响应型转录与翻译调控元件可调节报告酶β-半乳糖苷酶（LacZ）的产生，LacZ 将乳糖转化为葡萄糖，再由 PGM 定量。由于裂...
Advances in Cell-Free Biosensors: Principle, Mechanism, and Applications.
合成生物学推动了生物传感器作为痕量物质检测工具的发展。以往基于合成生物学的生物传感器多构建于活细胞之上，但细胞生物传感器受转基因生物安全问题和细胞膜通透性限制，响应时间较长，且难以检测细胞毒性或不可透过膜的分析物。无细胞合成生物学的出现克服了上述缺陷。基于无细胞蛋白合成(CFPS)系统的生物传感器具有安全性更高、灵敏度更高、响应更快...
Design and Optimization of a Cell-Free Atrazine Biosensor.
近期无细胞合成生物学进展推动了体外分子诊断的发展，使其成为全细胞生物传感器的有效替代。然而，用于检测农药等人工有机水污染物的无细胞传感器仍较少，部分原因是可直接检测此类污染物的已表征天然生物传感器有限。本文提出一种无细胞检测关键水污染物莠草津（atrazine）的平台，将已表征的氰尿酸（cyanuric acid, CYA）生物传感...
Comprehensive Profiling of Diverse Genetic Reporters with Application to Whole-Cell and Cell-Free Biosensors.
全细胞与无细胞转录-翻译生物传感器因成本低、环保且易用，正成为传统检测方法的替代方案。其生物响应需转换为易检测的物理化学信号，遗传报告基因选择对性能至关重要，但以往多依赖经验试错。本文在汞离子和群体感应分子两个代表性传感器中，系统比较八种报告基因：荧光类（gfpmut3、deGFP、mCherry、mScarlet-I）、比色类（l...
A Cell-Free Biosensor for Detecting Quorum Sensing Molecules in P. aeruginosa-Infected Respiratory Samples.
合成生物学设计的无细胞生物传感器是检测感染性疾病临床相关生物标志物的新工具。本文报道了一种模块化 DNA 编码生物传感器，可在无细胞蛋白表达系统中用于检测铜绿假单胞菌感染的人痰样细菌生物标志物。作者通过优化无细胞体系和样品提取方法，证明囊性纤维化患者肺部分泌物中的群体感应分子 3-氧代-C12-高丝氨酸内酯（3-oxo-C12-HS...