生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，近些年来，生物传感器正在成为代谢工程中基因表达调控的工具，并在开发和优化后，越来越多地被应用于合成生物学领域，例如受温度、光照等物理信号控制的生物传感器，受化学分子控制的生物传感器等。但是，传统的生物传感器面临调控范围单一、精确度低、诱导剂价格高昂等问题，制约了生物传感器在工业化生产中的有效应用。

 

近日，清华大学和微构工场以盐单胞菌、假单胞菌和大肠杆菌为底盘菌，开发了基于油酸的生物传感器，具有更高的灵敏度，很好地解决了上述问题，并在有效促进工业化生产方面具备广阔的应用前景——如降低生产成本、合成高性能PHA，以及促进PHA产量。

 

全新一代油酸生物传感器

具备多样化调控潜力

图 | 油酸生物传感器的设计与改造

 

研究者将脂肪酸调控蛋白FadR和fadBA启动子PfadBA导入盐单胞菌中，初步建立了基于油酸的生物传感器，用该生物传感器可以实现用油酸调控基因的表达，即在不加入油酸的情况下，目标基因表达关闭，在加入油酸的情况下，目标基因表达开启，且目标基因的表达强度受到油酸油酸浓度正调控，油酸浓度越高，基因表达强度越高。

 

接下来，研究者通过将FadR结合位点fadO插入组成型启动子Pporin核心区、改变FadR表达强度、改变fadO数量等方式，对油酸生物传感器进行理性设计与优化，降低了该生物传感器的泄露表达、改变了该生物传感器的动态调控范围，使该生物传感器具备进行多样化调控的潜力。

 

而后，研究者将多种优化后的油酸生物传感器分别导入盐单胞菌、假单胞菌和大肠杆菌，证明了油酸生物传感器具有跨宿主行使基因表达调控的能力。最后，油酸生物传感器被应用于盐单胞菌的形态控制与P34HB的合成。通过控制相关基因的表达，在油酸的作用下，盐单胞菌可实现纤长化，也可实现P34HB的合成。

 

图 | 非纤长化盐单胞菌与纤长化盐单胞菌对比

左图是非纤长化的盐单胞菌，右图是纤长化的盐单胞菌

 

 

适用场景广泛

将有效促进工业化生产

 

随着这一新型生物传感器技术的突破，相关工业化生产潜力将被有效释放。未来，油酸生物传感器将有广阔的应用场景。

 

第一，细胞的纤长化，有效降低成本。

 

纤长化的细胞更容易沉降，这将使工业下游细胞的分离过程直接受益，可以有效降低PHA的提取成本。

 

第二，4HB比例可控，将促进合成高性能PHA。

 

P34HB是PHA家族的核心成员，与传统PHA材料PHB相比，P34HB由于有4HB单体的加入而具备更高的延展性，其中4HB的比例对PHA材料的性能有重要影响，可以通过油酸通过控制相关基因的表达强度，实现4HB比例可控的P34HB合成。

图 | 微构工场的3D打印材料产品

 

第三，基因表达的动态调控，促进产量提高。

 

工业生产以合成产品为目的，细胞的生长为产品的合成创造条件，但过强的细胞生长会导致没有足够的营养物质与能量向产品合成流动，而过强的产品合成也会导致细胞生长因缺乏足够的营养物质和能量甚至是中间产物的毒性作用而下降，进而降低产品的终产量。相较于传统诱导剂需要在细胞生长开始时加入，油酸诱导剂可以延后加入，以实现细胞生长与产品合成的动态分离，最终实现提高产量的目标。

 

目前，生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，是新一代生物经济高技术产业的重要组成部分。微构工场联合开发的新一代生物传感器，对于合成生物学的发展，无疑将具有重要的战略意义。

 

 微构工场 

 

北京微构工场生物技术有限公司是清华大学参股企业，公司成立于2021年2月，创始人为清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强教授，公司是国内最具潜力的合成生物学企业之一。公司主要利用陈国强教授开发的“下一代工业生物技术”平台，进行生物降解材料PHA、医药中间体四氢嘧啶、尼龙56前体戊二胺等多种高附加值产品研发和生产。

 

公司正在北京中德产业园建设年产千吨高端PHA材料生产基地和中德合成生物学研发中心，并已启动建设年产三万吨PHA生产基地。