Genetic circuit-enabled synthetic biosensors： design and applications Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-031

Fig. 1 Mechanisms and applications of transcriptional regulatory protein-enabled synthetic biosensors
(a-c) Mechanisms of allosteric transcription factors, transmembrane transcription factors, and two-component systems-enabled biosensors; (d) Response curves of biosensors based on activation-type and repression-type transcription factor; (e) Gene circuit of a thiosulfate-sensing sensor based on the two-component system ThsRS^[54]; (f) Gene circuit of a transcription factor-enabled biosensor for monitoring glucose uptake^[14]; (g) Gene circuit of a target-dependent RNA polymerase-enabled biosensor^[95].

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生物体进化形成的天然转录因子库为合成生物传感器开发提供了丰富的分子元件资源，通过基因组测序与生物信息学分析（例如序列相似性分析［74］、蛋白质数据库标签检索［75］等），研究者已鉴定出大量具有配体响应特性的变构转录因子（aTF）［76-77］。全球范围内建立的转录因子数据库（如AnimalTFDB［78］、JASPAR［79］、GroovDB［80］）及其配套预测工具，为传感元件的功能解析与快速筛选提供了系统支持［81］。基于变构转录因子（aTF）的生物传感器采用三模块核心架构：（1）aTF表达单元；（2）含aTF结合位点（TFBS）的受调控启动子；（3）下游报告基因系统［30］。aTF的核心功能域可解耦为配体结合结构域（LBD）与DNA结合结构域（DBD）。当aTF的LBD选择性识别到靶标分子后，将触发aTF的DBD构象重排，驱动aTF与启动子TFBS的解离或结合，控制RNA聚合酶与启动子的相互作用，从而激活或抑制转录过程［76，82］（图1a），激活或抑制型转录因子的动力学曲线呈现相反趋势，如图1d所示。

目前已存在众多利用变构转录因子开发的传感器。（1）在生物制造领域，Ding等［14］利用转录抑制因子Mlc和磷酸转移酶组分EIIBC的相互作用构建了一种能监测葡萄糖摄取率的生物传感器（GURBs）。当葡萄糖缺乏时，Mlc结合到P _PtsG 启动子上抑制转录；当葡萄糖存在且细胞经EIIBC摄取葡萄糖时，EIIB去磷酸化并招募Mlc，迫使Mlc解除对下游报告基因表达的抑制，从而监测葡萄糖摄取率（图1f）。他们继续利用GURBs在细胞工厂动态调控中央代谢途径的代谢流，成功实现了副产物的减少和目标产物的产量提高。（2）在医学诊疗领域，抑制型转录因子PcaV在结合原儿茶酸后将发生构象变化解除对下游基因表达的抑制，Jiang等［53］基于这一原理在益生菌E. coli Nissle 1917（EcN）中构建了原儿茶酸传感系统，可用于活体疗法或药物递送。（3）在农业科学领域，Haskett等［83］通过整合根瘤菌信号分子scyllo-inosamine合成途径与工程菌感知系统，构建了植物-微生物互作固氮调控网络，感知到信号分子后，工程菌中的转录因子MocR将驱动下游固氮酶相关基因的表达。

尽管已存在上述在胞内作用的变构转录因子机制，跨膜信号转导系统的开发为胞外环境感知提供了新范式［86］。以ToxR家族为代表的单组分系统通过膜整合结构域直接感应外界信号并利用胞内DNA结合域调控基因表达（图1b）［87-88］，其中大肠杆菌跨膜转录因子CadABC模块的分子机制已经得到广泛研究［89］：CadC通过周质结构域感知环境pH变化，激活CadA/CadB基因表达［90-91］。Chang等［46］基于模块化设计理念构建了“EMeRALD”合成受体平台，通过将不同感应模块（如胆盐结合域TcpP）与CadC的DNA结合域融合，提出了一种通过更换目的感应模块来实现对不同的目标物进行检测的方法，并实现了咖啡因等分子的特异性检测［92］；Shen等［93］对CadC及其结合位点CadO进行定向进化，有效提高镉传感器的性能，建立了一个简便快速的镉离子检测智能手机平台。

总的来说，基于转录因子的传感器具有极其丰富的传感元件结构多样性和广泛的潜在可检测分子库，尽管已经得到了广泛的研究，但其作为生物传感器的潜力仍未得到充分挖掘。目前，其设计与性能调控策略也主要依赖于反复的迭代优化，需建立具备普适性的基因元件调控体系，加强设计与优化的可预测性。此外，机器学习与传感器输出的深度耦合将成为未来的重要发展方向：例如Li等［94］构建了包含4种传感器的全细胞阵列，结合线性回归、反向传播神经网络及最小二乘支持向量机算法，建立了小麦霉菌污染判别模型；Saltepe等［35］通过深度神经网络解析金离子传感器的荧光强度-浓度非线性关系，在短时间内能够实现靶标浓度的精确定量。这些案例展示了人工智能在提升传感器性能与数据分析效率中的关键作用，提供了智能化的信号解读工具。值得注意的是，Komatsu等［95］将人为拆分的T7 RNA聚合酶分别与抗体的重链、轻链可变结构域（VH和VL）融合，构建了一种靶标依赖性RNA聚合酶（TdRNAP），当融合的VH和VL结构域与特定分子靶标相互作用时，拆分的T7 RNA聚合酶将被组装成完整的活化RNA聚合酶，从而驱动T7启动子下游目标基因的表达产生各种传感输出（图1g）。这一通过融合转录调控蛋白与抗体结构域以实现基因线路传感输出的创新方法给转录因子传感器的设计带来了启发，未来可尝试将拆分的转录因子与抗体或其他特异性识别分子融合构建新型人工转录因子。

双组分系统（two-component systems，TCS）是细菌中普遍存在的多步信号传导途径［96］，其核心由膜结合信号感知蛋白——组氨酸激酶（Histidine kinase，HK），胞内转录调节蛋白——响应调节子（Response regulator，RR）及受RR调控的启动子构成［96］。典型TCS生物传感器的信号传导流程为：细胞外信号触发HK的结构域构象重排，这种信号随后通过信号转导结构域传递给激酶结构域以增加其激酶活性，随后对RR接收域内保守的天冬氨酸残基进行磷酸化来调控同源启动子的转录［97-99］（图1c）。多数HK具有激酶和磷酸酶双功能活性［100-101］，在无信号刺激时，HK也会使其同源的RR去磷酸化而失活。因此，可以通过改变HK的激酶和磷酸酶活性来调节双组分系统的性能［99-100］。

双组分系统凭借其跨膜的信号转导特性，在生物传感器开发中展现出独特优势［102］。在环境污染物检测领域已取得显著进展［103］，例如基于CusRS、ZraRS及NrsRS系统构建的TCS传感器可分别检测Cu2?、Zn2?及Ni2?［96］；Park与Taffet［33］通过整合UrpRS与UzcRS双系统构建AND逻辑门，实现了U??的特异性识别。在医学诊断领域，双组分系统的应用呈现多元化趋势：Zou等［54］开发的i-ROBOT工程菌通过ThsRS系统感应炎症标志物，同步激活碱基编辑与治疗性分子分泌，为炎症性肠病诊疗提供了闭环调控方案（图1e）；Woo等［104］设计的硫代硫酸盐-硝酸盐双参数AND门传感器通过同时识别两种肠道炎症标志物，显著提升了诊断特异性；Zhang等［105］基于TorRS系统开发了三甲胺N-氧化物传感器，为心血管疾病风险预警提供了新型分子工具。针对双组分系统天然输出启动子存在宿主兼容性差、背景噪声高等问题，研究者通过启动子工程策略，将RR特异性DNA结合位点与人工合成启动子或天然启动子进行组装，构建适配宿主、高动态范围的人工杂交启动子［106-107］，以提升TCS传感器的性能：例如基于响应L-苹果酸的双组分系统MalRK，Zhang等［59］首先利用天然启动子构建了枯草芽孢杆菌中的L-苹果酸生物传感器，Li等［108］进一步地将MalR结合位点与酿酒酵母的天然启动子P _TEF1 偶联，获得酵母宿主中性能更优的杂交启动子并构建了L-苹果酸传感器用于苹果酸转运蛋白突变体的筛选，助力了L-苹果酸的高效合成。

基于中心法则建立的分子信息流层级（DNA→RNA→蛋白质）为生物传感器设计提供了天然的工程化框架［73］.在此级联过程中，转录、翻译、翻译后修饰及蛋白质-DNA互作等关键分子事件可被工程化改造为生物传感触发节点.因此，根据信号识别触发系统的机制不同，当前主流的合成生物传感器主要分为基于变构转录因子、双组分系统、核糖开关、核糖核酸调节子和CRISPR系统的传感器，涉及的传感器底盘包括原核细胞、真核细胞和无细胞体系.以下将按照信号识别触发系统的机制分类阐述. ...