感知分子检测和生物生产的未来

合成工程的生物传感器，其可被设计为检测和信号特异性小分子化合物的存在下，都已经解锁通过利用细菌细胞如许多潜在的应用大肠杆菌，以感测毒素或使有价值的商品，包括燃料，塑料的生物生产，并药品。然而，到目前为止，科学家一直面临着利用生物传感器用于真核细胞的挑战 - 真核细胞包括酵母，植物和动物 - 因为迄今为止的策略在它们可以检测的分子和它们可以产生的信号方面受到限制。

但是现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛医学院(HMS)的一个研究小组开发了一种新的方法，用于设计广泛的生物传感器来检测和使用活的真核细胞实际上发出任何所需分子的信号。Church是Wyss核心教员和HMS的Robert Winthrop遗传学教授，他的团队在eLife杂志上报告了他们的发现。

为了测试他们的新方法，该团队通过实验设计酵母，植物和哺乳动物细胞，以包含可定制的配体结合结构域(LBD)，它们是激素和其他类型小分子的受体。这些定制LBD经过定制，以便它们仅结合并“检测”特定的目标分子，例如人体激素孕酮或药物地高辛。一旦LBD与靶分子结合，可以对与LBD融合的二级“信号”组分进行编程以发射荧光或调节基因表达。该生物传感器的组成部分--LBD与荧光或遗传信号结合 - 降解并且如果未识别目标分子则逐渐消失。

引人注目的是，该团队成功地将拟南芥植物作为多细胞植物生物传感器，含有定制LBD以识别药物地高辛和发光信号蛋白，当地高辛被“检测”时发光。当植物暴露于地高辛时，这些拟南芥生物传感器发出荧光，证明整个生物体可以在视觉上点亮以发出任意分子的信号检测。

“像许多真核生物一样，植物中充满了多种激素，这使得感知和响应特定的感兴趣激素具有挑战性，”该研究的共同第一作者，Wyss Institute技术开发研究员Dan Mandell博士说。 HMS的博士后研究员。“但是使用我们的策略，我们设计的拟南芥植物在地高辛存在下显示出50倍的发光 - 非常容易可视化 - 这可能激发未来令人兴奋的应用，包括检测有害环境污染物或毒素的树木或植物，并发出可见指标。“

“可以告诉你环境的生物传感器对于广泛的应用非常有用，”Church说。“你可以想象，如果它们被用于农业植物，它们可以告诉你土壤的状况，毒素或害虫的存在是否会困扰它们。”

该团队不仅展示了其在植物中的新方法，还描述了其在将酵母和哺乳动物细胞转化为精确生物传感器方面的功效，这种生物传感器有朝一日可用于依赖酵母或家畜生产力或用作医疗用途的行业。传感器。总的来说，该方法极其可调和便携，这意味着它可以用于各种生物体中以检测广泛的小分子。

新生物传感方法的另一个功能是能够将其连接到基因调节因子而不是荧光蛋白。这种生物传感器可精确调节基因转录，以提高小分子的产量在用于工业生物生产的生物体中。例如，酵母可以被设计为从可再生原料产生所需分子，并且进一步编程以自我鉴定生产者群体中最有效的个体，使得仅最高产量的酵母存活。通过这种方式，用于药物或其他有价值分子的生物生产的生物群体可以快速自我进化以变得极其有效和高效。事实上，该团队使用这种策略来进化酵母，这种酵母可以产生激素黄体酮，产量提高几倍。

生物传感器也可能对人类健康产生直接影响，因为该团队还使用他们的方法严格控制活体人体细胞内的基因编辑机制CRISPR-Cas9，这是在基因治疗期间防止基因组无意识变化的一个步骤。

“教会团队开发的这些新的重编程功能开辟了一个全新的领域，普通生物体可以转化为特殊的生物细胞设备，可以感知特定信号并产生适当的反应，无论是增强生物燃料的生产还是分泌治疗剂感觉炎症或感染。它是另一个伟大的使能能力，无疑将推动整个合成生物学领域。“Wyss研究所创始主任唐纳德英格伯医学博士，博士，他是HMS的血管生物学犹大民间教授，波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院的生物工程教授。

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