尽管理性遗传工程已成为微生物菌种改良的主流策略，但在许多情况下，基于定向进化构建突变库仍是更优选择。因此，对高性能突变体进行精准、高效筛选的需求推动了基于生物传感器的高通量筛选策略发展。遗传编码生物传感器可将期望表型与荧光、生长速率等可检测信号耦联，为高通量筛选提供强大工具。本文综述了多类生物传感器工程化进展及其在定向进化中的应用，...
遗传编码生物传感器系统可在活细胞中运行，是检测与定量多种小分子的通用、廉价且可转移工具。本综述介绍了当前最先进的生物传感器设计与组装，包括转录因子、核糖开关和酶偶联装置、高度工程化荧光探针以及新兴双组分系统。文章重点强调通过生物信息学辅助策略解决导致生物传感器在体内无法达到性能标准的情境问题。优化后的生物传感回路可用于高灵敏度监测分...
特定细胞代谢物浓度的定量可反映生理与病理状态下代谢通路的实际利用情况，也是代谢工程中筛选细胞工厂的重要读出指标。然而，目前尚缺乏可直接在单细胞水平实时评估胞内代谢物水平的方法。近年来，天然细菌 RNA 核糖开关的模块化结构启发了遗传编码合成 RNA 器件的设计，这类 RNA 生物传感器可将胞内代谢物浓度转化为定量荧光信号。其通常由代...
过去数十年，基于细胞内生物传感器的动态调控策略在提高有用化合物产量方面取得显著进展。该方法可在维持最佳生长状态的同时实现高生产率。然而，工业发酵体系中同时存在高/低性能非遗传变异体以及不同生长阶段的年轻和衰老细胞，这种显著个体差异会阻碍在单细胞水平精确控制代谢通量，从而难以在宏观群体水平获得高生产率。细胞内生物传感器作为代谢网络的调...
天然产物在微生物细胞工厂中的低产率和低滴度是生物合成中的常见瓶颈。设计遗传生物传感器以监测和调控目标天然产物的合成，是解决该问题的重要策略。本综述系统评价了微生物天然产物生物合成中遗传生物传感器设计的最新进展，重点讨论了遗传部件选择策略与构建原则，包括转录因子（TF）和核糖开关作为传感装置、报告基因或通路基因作为转导装置，以及启动子...
黄酮类化合物是一类源自苯丙烷类代谢的植物次生代谢物，广泛存在于水果、蔬菜和药用植物中，具有抗肥胖、抗癌、抗炎和抗糖尿病等生物活性。其低生物利用度限制了应用，而植物提取和化学合成在安全性、经济性和规模化方面存在瓶颈。本文综述了黄酮类化合物生物制造的最新进展，重点总结植物代谢工程、微生物宿主选择以及遗传编码生物传感器。植物代谢工程可通过...
环二鸟苷酸（c-di-GMP）是细菌中重要的第二信使，调控细菌从运动态向定着态转变，并参与细胞分裂、胞外多糖合成和生物膜形成等过程。由于 c-di-GMP 水平决定细菌表型，其合成与水解受到多重机制严格调控；干扰其稳态会影响细菌生长与存活。现有 c-di-GMP 浓度测定方法大多缺乏单细胞分辨率，无法反映胞内 c-di-GMP 的异...
核糖开关是一类能够识别多种化学与生物分子输入，并通过RNA构象变化将该识别过程转导为遗传、荧光及其他工程化输出的RNA元件。它们在细胞生物学中广泛存在，并在遗传调控与生物传感中具有应用前景。本文针对在热力学平衡附近工作的ON型和OFF型核糖开关，推导了一个限制其激活比（即活性状态与失活状态RNA比例）的简单表达式：1+[I]/Kd_...
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...
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...
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...
合成生物学与代谢工程使微生物细胞工厂能够生产燃料、化学品和药物，但代谢物浓度相关表型的测量与精确控制仍是瓶颈。遗传编码小分子生物传感器可将代谢物浓度与可测量或可执行输出相耦合，是解决该瓶颈的重要工具。本文综述了代谢工程中小分子生物传感器的设计、优化与应用，重点讨论转录因子（TF）型传感器的优化策略。围绕中心法则，遗传编码小分子传感器...
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...
本报告总结了2016年6月24日至25日在波尔多举行的‘Aptamers in Bordeaux’研讨会。会议围绕适配体的体外选择、结构表征及其在分析、诊断和治疗中的应用展开，涵盖天然与人工核糖开关、RNA调控机制、突变聚合酶和化学修饰核苷酸碱基赋予适配体新功能的最新进展。报告还介绍了适配体平台在多种重大疾病生物标志物多路复用分析中...
信号核苷酸是细菌快速协调细胞通路并适应环境变化的关键分子。过去十年，真核与细菌细胞中相继发现多种新的信号核苷酸，推动该领域快速发展。本文综述核苷酸信号网络的基本原理，总结导致新信号核苷酸发现的重要工作，并重点介绍当前用于快速鉴定核苷酸特异性受体蛋白的方法与资源。文章说明信号核苷酸由环化酶和磷酸二酯酶/水解酶合成与降解，其胞内水平受环...
核糖开关通常位于mRNA的5′非翻译区，可特异性结合小分子配体。配体结合后，主要通过转录终止、翻译抑制或mRNA降解等过程调控基因表达。目前已鉴定出30多类核糖开关，多数由适配体结构域和表达平台组成；每类核糖开关的适配体结构域具有保守结构，并通过结合特定化合物稳定表达平台的特定构象。本综述重点介绍核糖开关研究的主要方面，包括新核糖开...
在可持续生物经济中，许多大宗化学品和高价值化合物（包括药物）将由微生物细胞工厂利用可再生原料生产。通过构建多样化基因组库并筛选所需表型，可高效生成这些细胞工厂。然而，现有微生物基因组多样化方法远超筛选和选择最优性能变体的能力。遗传编码生物传感器能够响应小分子结合，并易于与高通量分析结合，有望弥补这一差距。本文综述了生物传感器开发的最...
许多微生物宿主中的代谢通路已被构建、改造和工程化以生产有用分子，但最终化合物的滴度和产率常受细胞资源利用不足和代谢失衡限制。能够响应环境及细胞代谢状态并调控通路基因表达的感知-调控装置具有解决这些问题、提高产量和产率的潜力。本综述聚焦细胞生物传感器的设计进展及其在控制微生物行为中的应用。作者将细胞生物传感器定义为由宿主细胞产生信号并...