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...
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...
受自然启发，仿生膜传感器利用蛋白质、脂质等生物分子的功能实现传感。本综述概述了生物膜传感器在体相和平面传感中的最新进展，分别采用脂质囊泡/脂质体和支撑脂质双分子层（SLB）作为仿生膜支架。文章首先介绍构建这些平台所需的关键组分，包括磷脂、膜蛋白、孔道/通道蛋白、报告分子和换能器，并总结其设计原则：通过调节脂质组成、膜蛋白功能、囊泡内...
针对癌症治疗中利用谷氨酰胺依赖性的需求，谷氨酰胺诊断可帮助追踪患者治疗反应，实现个性化剂量，以平衡疗效与副作用。现有临床谷氨酰胺检测依赖昂贵且复杂的实验室方法，难以频繁、个体化开展。为此，本研究通过遗传工程、代谢工程和工艺优化，开发了一种无细胞谷氨酰胺生物传感器，以克服先前无细胞检测中存在的背景信号和信噪比限制。作者构建了大肠杆菌B...
无细胞蛋白合成（CFPS）是一种快速成熟的体外基因表达平台，可在需要点对核酸进行转录和翻译，从而按需合成肽类疫苗、生物治疗蛋白，并开发用于环境污染物和感染因子检测的诊断方法。与传统细胞系统不同，CFPS 无需维持活细胞，设备需求低，适合太空等低资源环境。本研究评估无细胞平台 BioBits 在国际空间站（ISS）上的性能，通过表达 ...
甲状腺受体信号调控重要生理过程，信号紊乱可引发癌症、代谢和神经疾病等严重健康问题，因此检测甲状腺受体配体具有重要毒理学和药理学意义。作者此前报道了利用无细胞蛋白合成表达由人甲状腺受体β（hTRβ）激活域与β-内酰胺酶报告域组成的嵌合融合蛋白，用于检测甲状腺受体配体。本研究通过重新设计该嵌合融合蛋白生物传感器，将报告系统替换为全长β-...
近期全球事件增加了对快速、廉价病毒临床诊断平台的需求。本文报道了一种基于无细胞 toehold switch 的生物传感器，用于检测 RNA 病毒，且无需对目标 RNA 进行上游扩增。作者通过避免病毒 RNA 结合区的干扰二级结构、突变热点以及其他冠状病毒交叉序列来设计 toehold switch，并将其靶向 SARS-CoV-2...
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...
诊断血检可指导临床治疗并改善患者预后，但多数临床生物传感血检依赖技术人员与专用仪器，限制了可及性。比色纸基诊断具有无需仪器读出的优势，然而原始血液中的红细胞色素会掩盖比色响应，因此需要简便的血液样品处理方法。本研究利用廉价易得材料，设计用户友好的血液稀释与过滤方法，用于血液采集与处理，以支持无细胞蛋白合成（CFPS）比色生物传感器。...
将跨膜蛋白组装到有机电子材料上，是将生物功能与电学读出相耦合的有前景策略。此类生物传感器件既可监测和调节生理过程，也可用于发现药物靶点及新蛋白功能。支撑脂质双分子层（SLB）可将跨膜蛋白与生物电子界面连接，但将具有正确取向和功能的跨膜蛋白整合到 SLB 中仍具挑战。本文证明，无细胞蛋白表达系统可一步将离子通道整合到组装于导电聚合物聚...
基于无细胞蛋白合成（CFPS）的生物传感器具有高精度、低成本优势，但生物标志物在多种生物样本中常处于低浓度，因此需扩大动态范围并降低检出限，同时避免高背景。以往提高动态范围多依赖放大分析物输入信号，可能引入假阳性。本研究旨在提高 CFPS 系统的蛋白合成能力和报告蛋白输出信号，以实现更低 LOD。作者引入新型荧光蛋白 mNeonGr...
无细胞蛋白合成系统（CFPS）利用细胞转录-翻译（TX-TL）机器在体外合成蛋白，可用于难表达蛋白生产、遗传电路筛选和生物传感器开发，但存在反应速率受扩散限制、商业试剂成本高和长期稳定性差等问题。为改善这些局限，作者开展概念验证实验，利用纳米颗粒驱动其组成蛋白的纳米聚集来增强 CFPS 产量。他们将商用 PURExpress 纯化 ...
细胞的合成能力不仅可用于生产生物分子，也可用于分析物检测。无细胞蛋白合成（CFPS）可作为生物检测中的信号放大模块，避免全细胞微生物传感器带来的许多问题。本文开发了一种结合 γ-氨基丁酸（GABA）酶促转化与氨基酸依赖型 CFPS 的 GABA 定量方法。样品中的 GABA 在转氨酶作用下将氨基转移至丙酮酸，生成丙氨酸；生成的丙氨酸...
无细胞蛋白合成（CFPS）反应因可用于基因构建体原型验证、生物传感器技术和具有新化学性质蛋白的生产而受到关注。已有工作多集中于优化CFPS流程，以提高蛋白产量、降低成本或简化生产流程。本文对一种常用CFPS反应缓冲液中的20种组分进行统计实验设计（DoE）分析，同时识别影响蛋白产量、反应速率、滞后时间和反应持续时间的因素及因素间交互...
新冠疫情凸显了对快速、低成本、可广泛分发且可在现场使用的核酸检测技术的迫切需求。传统核酸检测通常需要专业人员、复杂实验室、昂贵设备和较长处理时间。本研究采用冻干无细胞蛋白合成（CFPS）和toehold switch核糖调控器，开发了一种仅需加入唾液即可激活的纸基核酸检测平台。首先筛选出经济且供应稳定的纸基载体，并设计了可批量生产、...
人体体液中含有大量可用于疾病诊断、预后、治疗监测和评估的生物标志物。基于无细胞蛋白合成（CFPS）的生物传感器可实现按需、居家、快速、低成本检测多种体液生物标志物，但现有CFPS传感器依赖商业核糖核酸酶抑制剂（RNase inhibitor, RI），其成本约占传感器总试剂成本的90%。本研究首次利用大肠杆菌裂解液CFPS系统生产小...
有毒污染物（TP）的原位检测若依赖分析仪器或全细胞生物传感器往往不便。体外构建基因编码生物传感器用于真实环境中的 TP 检测是一种有前景的替代方案，但部分关键生物分子在体外生物活性与稳定性下降，使报告蛋白的响应和调控困难。本文建立了基于砷抗性操纵子阻遏蛋白（ArsR）和 GFP 报告基因的体外基因编码生物传感器。由于野生型 ArsR...
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...
生物传感器利用酶、抗体和核酸等生物组分高选择性地识别目标分析物，并将识别事件转换为可读信号。基因表达过程具有级联放大特性，可作为生物换能机制产生检测信号。近年来，高产量且低成本的无细胞蛋白合成（CFPS）系统使研究者能够直接利用从细胞中提取的转录与翻译机器，在均相反应体系中快速合成报告蛋白或报告RNA，从而构建无需活细胞、操作简便且...
嗅觉受体（OR）是一类经典膜蛋白，在昆虫繁殖与环境适应中发挥重要作用。阐明昆虫嗅觉的分子机制有助于害虫控制与环境保护。由于 OR 疏水性极强，在异源细胞系统中表达困难，一直是 OR 研究的主要瓶颈。本文证明，利用大肠杆菌无细胞蛋白合成系统（CFPS）可功能性表达昆虫 OR，总 OR 最高产量达 350 μg/ml。作者测试了不同种类...