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Genetic circuit-enabled synthetic biosensors: design and applications
DENG Jiaxuan, CHEN Shengyan, WANG Baojun
Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-031

信号识别机制优势劣势
变构转录因子信号识别元件和工程化优化改造手段丰富,调控机制简单,可监测胞内代谢物细胞代谢负担大,响应速度慢,天然元件性能低下依赖人工优化
原核生物双组分系统检测信号广谱,可响应细胞外环境工程化改造困难,信号转导依赖胞内环境,元件串扰大特异性较低,宿主兼容性差
核糖开关可编程性高,细胞代谢负担低,响应快速,特异性高受胞内环境干扰较大,开关比率低,优化手段较少,检测靶标类型有限
核糖核酸调节子可编程性与正交性高,跨体系适配性优异,设计与优化便捷,响应快速,细胞代谢负担低全细胞环境中敏感性、稳定性低,检测靶标单一
CRISPR系统可编程性与正交性高,特异性高,传感功能丰富泄漏水平较高,检测内源mRNA案例少,存在脱靶效应与细胞毒性
Table 2 Advantages and limitations of genetic circuit-enabled synthetic biosensors based on different signal recognition mechanisms
Extracts from the Article
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。
综上,本文总结归纳了五类合成生物传感器的设计原理与最新研究进展,表2集中概括了这五类合成生物传感器的信号识别机制与优劣势。
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. ...
Toward an orthogonal central dogma
1
2018
... 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. ...
Metagenomic mining of regulatory elements enables programmable species-selective gene expression
1
2018
... 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[7682](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. ...
Design, construction, and characterization of a set of biosensors for aromatic compounds
1
2014
... 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[7682](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. ...
In vitro allosteric transcription factor-based biosensing
2
2023
... 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[7682](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. ...

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