植物天然产物（PNPs）具有多种药理活性，在全球市场具有巨大潜力。与传统植物提取和化学合成相比，微生物细胞工厂（MCFs）为高价值 PNPs 的合成提供了经济、可持续的替代途径。然而，异源合成通路通常缺乏天然调控系统，会给宿主细胞带来额外代谢负担。为克服这一挑战，生物传感器被开发并工程化，作为构建人工调控网络、根据环境信号控制酶表达...
近期生物传感器研究有望实现大基因文库高通量筛选，但生理限制和机制知识不足会阻碍微生物系统高滴度，也影响生物传感器应用。本文表征了先前开发的基于转录因子 ExuR 的半乳糖醛酸生物传感器对其另一配体葡萄糖醛酸的响应。在受控理想条件下，该传感器对葡萄糖醛酸表现出理想响应；但在将其应用于不同 myo-肌醇加氧酶（MIOX）同源物时，响应出...
戊内酰胺是制造高价值尼龙-5和尼龙-6,5的单体。然而，戊内酰胺的生物合成受限于将5-氨基戊酸环化为戊内酰胺的酶效率不足。本研究构建了携带戊内酰胺合成途径的谷氨酸棒杆菌：来自铜绿假单胞菌的DavAB将L-赖氨酸转化为5-氨基戊酸，来自丙酸梭菌的β-丙氨酸CoA转移酶Act将5-氨基戊酸转化为戊内酰胺。大部分L-赖氨酸转化为5-氨基戊...
基于变构转录因子（aTF）的生物传感器可用于为多种应用构建遗传电路。文献和在线数据库中包含数百个经实验验证的分子-转录因子配对，但相关知识分散且常不完整。此外，与生物体内可产生的化合物数量相比，已知存在TF-化合物相互作用的化合物比例很低。因此，需要新工具帮助研究者发现新的潜在TF-配体配对。本文提出Sensbio，一种计算工具，通...
谷氨酸棒杆菌是重要的工业微生物细胞工厂，广泛用于生产多种高附加值化学品。腐胺（putrescine）可缩合成工业塑料尼龙-46，是重要的平台化合物。为加速腐胺高产菌株的设计—构建—测试循环，本研究在大肠杆菌来源转录因子 PuuR 基础上，于谷氨酸棒杆菌中构建了腐胺特异性生物传感器 pSenPuuR。该传感器由 PuuR、响应启动子和...
没食子酸是常见植物次生代谢物，具有强自由基清除、细胞毒性、抗炎和抗菌活性。传统上通过单宁酸酸水解生产，成本高且环境危害大。为开发更可持续的微生物生物合成策略，本研究表征了 Pseudomonas putida KT2440 中基于转录因子的诱导系统 PpGalR/PPP_RS13150，该系统可剂量依赖地响应胞外没食子酸。研究发现，...
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...
工程益生菌细菌被提出作为非侵入性检测胃肠道生物标志物并研究肠-脑轴的下一代策略，但构建所需全细胞生物传感器仍是主要挑战。在临床相关菌株中创建转录因子型传感器通常需要大量调优遗传部件和基因表达，才能获得足够的动态范围与灵敏度。本文提出一种基于设计原型构建体的快速方法，用于系统检测转录因子型代谢物传感器的基因表达设计空间，并识别最优遗传...
Förster共振能量转移（FRET）是荧光生物传感器中常用且理想的信号转导方式，具有高信噪比和可见信号。尽管已有大量工作通过优化生物分子提高检出限和动态范围，但染料的选择及其相对位置仍研究不足。本文采用实验与计算相结合的方法，系统比较有机荧光团（Cy5或Texas Red）与无机纳米颗粒（量子点，QD）的性质，以及FRET供体或受...
基于代谢物响应转录因子的代谢物生物传感器是合成生物学中用于感知和精确调控细胞代谢的关键元件。此类传感器通常在实验室条件下设计，但实际部署时细胞生长速率可能与初始表征差异很大。本文研究生长速率如何影响生物传感器的最低输出、最高输出和动态范围等关键性能指标。作者以大肠杆菌中 LacI、TetR 和 FadR 基生物传感器为模型，发现不同...
转录因子在调控细胞功能中起关键作用。理解和改变基于转录因子的生物传感器的动态行为将扩展我们对生物分子相互作用的认识并促进生物合成应用。本研究在大肠杆菌中表征并工程化了一个基于 TrpR 的色氨酸阻遏系统。发现重建的 TrpR1-PtrpO1 生物传感器在色氨酸或其类似物 5-羟色氨酸（5-HTP）存在时表现出低基础表达和窄动态范围。...
吲哚是植物和某些细菌中天然存在的生物活性化合物，也是医药、化工和农业领域的重要特种化学品，并已被鉴定为哺乳动物肠道细菌的重要信号分子。尽管多种细菌中吲哚生物合成的调控机制已得到研究，但缺乏适用于吲哚产生菌鉴定与监测的体内工具。遗传编码生物传感器可用于代谢物的实时定量分析。本文首次鉴定并表征了来自 Pseudomonas putida...
别构转录因子（aTF）生物传感器是代谢工程、生物技术及合成生物学中改造微生物的重要工具，但已鉴定和表征的 aTF 工具箱有限，制约了新型生物传感器的开发。为拓展 aTF 的配体识别范围，本研究以空肠弯曲菌 TetR 家族阻遏蛋白 CmeR 为识别元件，构建可在模式生物大肠杆菌和酿酒酵母中工作的遗传回路，使其作为水杨酸盐生物传感器。该...
微生物可将廉价可再生底物转化为高价值代谢物，但代谢通路优化仍受复杂生物学限制。遗传编码生物传感器可检测代谢物浓度或环境变化，并将输入转化为可测量或可执行输出，为复杂通路优化提供调控与监测工具。本文综述转录因子（TF）和核酸类生物传感器在代谢工程动态调控与高产菌株筛选中的最新进展。TF 传感器在配体结合后发生构象变化，调控启动子结合，...
乳酸是生产聚乳酸（PLA）等多种化合物的重要平台化学品，高纯度 PLA 需要光学纯的 L-乳酸和 D-乳酸。为筛选和改造乳酸对映体高产菌株，常采用高通量筛选、动态通路调控或实时监测。诱导型基因表达系统及其在遗传编码生物传感器中的应用，是乳酸生物技术的重要工具。本研究从大肠杆菌 MG1655、Cupriavidus necator H...
生物层干涉仪（BLI）是一种广泛用于实时测定大分子相互作用动力学的技术。该技术通过检测生物传感器尖端反射白光干涉图案的变化，可测定蛋白-蛋白（如抗体-底物动力学）或蛋白-小分子（如药物发现）相互作用的结合参数。然而，BLI 在 DNA-蛋白相互作用研究中的应用较少受到重视。DNA 结合蛋白在细胞生物学中发挥重要作用，调控转录、DNA...
原核转录因子可被重新用作精确化学测量与调控的分析及合成工具。单萜是一类在食品、化妆品、香料和医药领域具有重要商业价值的化合物，但因其缺乏发色团且同分异构体难以区分，尤其难以在细胞内快速定量。本文以假单胞菌 Pseudomonas putida 中响应樟脑的 TetR 家族转录调控因子 CamR 为平台，通过定向进化扩展其效应物特异性...
合成生物学进展使代谢工程可构建动态控制回路，使其能够响应生物反应器扰动并自我调节基因表达，有望克服传统通路工程中的诸多难题。这些回路的核心是代谢物生物传感器，用于读取通路信号并驱动酶表达。然而，代谢物生物传感器的构建是菌株设计的主要瓶颈，关键挑战在于理解生物传感器剂量-响应曲线与通路性能之间的关系。本文采用多目标优化方法，定量刻画代...
单加氧酶是一类促进细菌降解烷烃和烯烃的酶。与单加氧酶相关的调控元件是自然界固有的烃类传感器，在功能表征后，可用于构建快速、低成本且灵敏的生物传感器，应用于生物修复和代谢工程等领域。目前已鉴定出许多细菌单加氧酶，但其中只有少数系统的调控机制得到深入研究。在已发表基因组序列和尚未培养细菌中，仍存在大量未被探索和利用的调控酶与启动子元件的...
遗传编码生物传感器可将小分子配体的产生转化为适合高通量筛选或体内选择的读出信号，对优化小分子生物合成途径具有重要意义，但获得具有合适响应函数和配体偏好的传感器仍具挑战。本研究证明，连续高突变系统 OrthoRep 可有效用于进化高性能生物传感器。作者将别构转录因子 BenM 编码于 OrthoRep 上，使宿主酿酒酵母在传代过程中快...