Fig. 5 Typical biomemory modules for recording biosensing signals
(a) Gene circuit for a biomemory module based on toggle switch; (b) Gene circuit of a zinc ion memory module based on the recombinase flip mechanism^[153]; (c) Principle of the CAMERA recording system based on CRISPR/Cas^[158]; (d) Gene circuit of the DNA sensing and recording module (CATCH) based on CRISPR/Cas^[159].

拨动开关（Toggle Switch）作为最早的可逆记忆元器件［148］，通过两个相互抑制的转录因子（TR1/TR2）实现双稳态调控［149］（图5a）。瞬时诱导可触发状态转换并维持稳定，直至反向诱导发生。这种二元状态特性可将连续输入信号转换为数字输出，显著提升传感器的鲁棒性与决策能力。例如，Zou等［47］通过设计拨动开关，实现了粪便和尿液中血液标志物的超灵敏检测；Mannan等［62］通过设计FadR-TetR正反馈回路构建了不可逆代谢开关，仅需单次诱导即可调控菌株从对数生长期向产物生产期转变。

位点特异性重组酶系统通过精准识别DNA重组元件的特征性识别位点并催化DNA的精准剪切和倒置反应，实现遗传信息的稳定记录［150］。其记忆功能可通过两种方式实现：当识别位点正向排列时，重组酶在位点之间进行切除；当识别位点反向排列时，重组酶使位点间基因倒位［151］。只要识别位点间的DNA是功能性生物元件，以上方式均可实现记忆元器件的功能［152］。Zhu等［153］利用重组酶int8构建了肠道炎症标志物响应型基因线路，感知炎症信号后可触发sfgfp基因倒位改变输出水平，实现肠道炎症的长期记录（图5b）；Abedi等［154］开发了超声热控重组酶系统，通过Bxb1介导的attP/attB位点倒位实现肿瘤治疗基因的不可逆激活。此外，利用整合酶-切除酶系统可构建可逆的记忆系统，实现信息的重复写入与擦除［152］。

CRISPR/Cas系统不仅可用于基因编辑，其天然免疫记忆功能也为生物记忆模块设计提供了新思路。CRISPR介导的模拟多事件记录装置（CAMERA）通过选择性切割记录质粒以改变特定质粒的比例，或直接编辑质粒DNA序列实现了对抗生素、光照等众多刺激信号的记录［158］（图5c）；Cooper等［159］开发的CRISPR区分水平基因转移（CATCH）策略将CRISPR-Cas系统与水平基因转移（HGT）机制结合，样品中具有野生型序列的片段将被I-F CRISPR-CAS效应复合物Cascade识别并降解，而具有特定突变的肿瘤DNA可避免这种降解并被整合进入基因组，以去除对下游报告基因的抑制从而记录肿瘤信息（图5d）；Zou等［54］设计的记录和翻译激活（RAT）系统基于第二代碱基编辑器（BE2），当肠炎标志物硫代硫酸盐存在时，ACG被编辑为起始密码子ATG，从而激活靶蛋白翻译，实现肠炎信号的特异性记忆。除上述模块外，还有一些新颖的传感记忆机制，例如近期Kalvapalle等［160］报道的RNA地址化修饰（RAM）技术，该技术基于由剪切核酶催化核心和特异性RNA识别区组成的合成RNA（cat-RNA），当细菌获取携带cat-RNA基因的质粒时，一个RNA条形码序列将被拼接到细胞rRNA上，在微生物群落中实现基因转移的自动传感记录。这些记忆模块通过稳定记录环境信号变化，为复杂生物传感与诊断提供了强大的信息存储与检索能力，扩展了合成生物学传感器的应用范围。