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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

Fig. 9 Strategies for increasing the specificity of genetic circuit-enabled synthetic biosensors
(a) Semi-rational design and saturation mutagenesis of the transcription factor LysG to prevent its binding to L-lysine (L-Lys) while retaining its ability to bind L-arginine (L-Arg) and L-histidine (L-His)[191]; (b) Semi-rational design and saturation mutagenesis of the TynA-FeaR sensing system for specific detection of phenylethylamine. (DA: dopamine; PEA: phenylethylamine; Tyra: tyramine; Trypta: tryptamine)[192]; (c) Coupling transcription factors ZraR and ZntR through an AND gate for specific respond to Zn²⁺[7,21].
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部分天然感知元件存在靶标非特异性,其非特异性识别机制可能导致检测信号失真。针对该局限性,研究者已建立多维度优化策略:在生物识别元件改造层面,定向进化与高通量筛选技术展现出显著优势。Corte等[191]通过半理性设计策略对LysG转录因子进行功能重编程,在消除其L-赖氨酸结合能力的同时保留对L-组氨酸和L-精氨酸的特异性识别,成功构建了高选择性L-组氨酸生物传感器(图9a);Rottinghaus等[192]按照相似的思路对原本交叉响应多种配体的TyrR转录因子以及TynA-FeaR传感系统进行工程化改造,他们结合蛋白结构分析,理性选择关键结合残基附近的氨基酸位点进行突变,产生了分别特异性检测多巴胺(DA)、苯乙胺(PEA)、酪胺(Tyra)和色胺(Trypta)的突变体(图9b);Nishikawa等[81]开发的Sensor-seq平台创新性地实现了转录因子结合域的系统性突变文库构建与配体特异性筛选流程集成,加速了转录因子的高通量特异性优化。在核糖开关领域,Bose等[193]通过定点突变c-di-GMP核糖开关配体结合口袋的两个关键碱基,引入新型氢键网络使配体结合特异性提升超过10倍。除上述方法外,基因线路工程为提升生物传感器特异性提供了系统生物学解决方案[26],Wang等[21]创新性地将ZraR(响应Zn2?/Pb2?)与ZntR(响应Zn2?/Cd2?)两种广谱金属感应元件偶联构建AND逻辑门,虽然二者均存在交叉响应,但这种逻辑整合实现了传感器对Zn2?的特异性识别(图9c)。此外,基于HrpRS调控系统[194]、分裂型T7 RNA聚合酶[195]及重组酶级联[147]的正交逻辑门技术已形成模块化工具库,为复杂环境下的精准检测提供技术支持。
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