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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. 10 Examples of improving the response speed of genetic circuit-enabled synthetic biosensors
(a) An E. coli-based sensor with a synthetic electron transfer chain that express an electrical protein switch enable rapid detection of an endocrine disruptor 4-hydroxytamoxifen (4-HT)[6]; (b) Reversible response kinetics curve and sensing mechanism of a protein phosphorylation signaling network with rapid activation and deactivation[197].
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当前,基于基因线路的合成生物传感器在响应速度方面仍面临巨大挑战。相较于已实现实时检测的电子或化学传感技术,依赖基因转录-翻译级联反应的传感器通常需要30分钟至数小时才能输出信号,这一滞后性严重制约其产业化应用进程[167]。近年来,研究者通过创新传感机制已取得突破性进展。Atkinson等[6]构建了基于合成电子传递链的电流输出型生物传感器,可于2分钟内感知硫代硫酸盐,暴露于内分泌干扰物(4-HT)环境中3分钟内产生可检测的电流输出(图10a);Yang等[197]在哺乳动物细胞中设计了快速激活/失活的磷酸化信号网络,该体系感知肿瘤坏死因子TNF-α并动态调控IL-10分泌过程,实现了相较于传统哺乳细胞传感方式更加快速的可逆性响应(图10b)。在蛋白质工程领域,翻译后修饰、构象转换及FRET(F?rster Resonance Energy Transfer)技术为快速传感提供了核心策略。Wang等[198]开发的蛋白酶修饰快速分泌系统(PASS)创新性地利用内质网驻留信号预存目标蛋白,在检测到小分子、光或抗原时将分裂的切割酶二聚化以激活其切割功能,实现了治疗性蛋白的快速可控释放;Torres等[199]借助深度学习设计出可特异性结合螺旋肽的人工变构蛋白,据此构建了变构发光型的快速生物传感器;在FRET技术领域,Hellweg等[200]构建了模块化FRET传感器构建平台ChemoX,通过替换荧光蛋白或合成荧光团可实现多色信号输出,已成功开发出钙离子、ATP等靶标的分钟级响应传感器。此外,本文2.3部分所述传感器多模态输出模块中的光-电信号转换[48,166]、比色传感[42,160-161]和空间图案传感[32,36]等系统可使传感输出信号以方便识读的形式快速获取,加速传感器信号报告。这些创新机制(包括高效信号级联、预存元件激活、变构效应利用等)和创新报告形式为突破合成生物传感器响应速度瓶颈提供了新思路。未来研究需通过开发新型信号识别机制与信号报告策略,构建兼具快速响应与精准识别的新一代生物传感器。
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