生物传感器是一种将生物成分与物理或化学检测器相结合的设备，用于检测和响应环境中的特定分析物。最早的生物传感器是在1962年开发的，利用葡萄糖氧化酶来测量葡萄糖浓度。此后，生物传感器被设计用于多种应用，包括医疗诊断、环境监测和食品安全等领域。DNA序列是生物样本中信息最丰富的分子之一，能够唯一地识别生物样本到物种、菌株或个体水平。因此，DNA检测可以用于诊断微生物感染和非感染性疾病（如癌症）。尽管现有的DNA检测技术（如深度测序、PCR等）能够提供高精度的检测结果，但这些方法通常成本高昂、技术要求高，且需要复杂的样本处理和专业设备。这使得它们在资源有限的环境中难以广泛应用。活体生物传感器（如细菌生物传感器）具有在体内或现场环境中进行检测的能力，能够直接处理未经纯化的样本，减少样本处理步骤和设备需求。此外，活体生物传感器可以与治疗输出相结合，实现诊断与治疗的结合。

加利福尼亚大学圣迭戈分校Robert Cooper和Jeff Hasty等人讨论了如何设计细菌生物传感器，包括选择合适的底盘物种（如天然感受态细菌）、DNA摄取机制、信号转导和输出策略。相关内容以“Bacteria as living biosensors for DNA”为题发表在《Nature Reviews Bioengineering》上。

【主要内容】

1. 细菌生物传感器的基本组成

细菌生物传感器（bactosensors）由三个主要模块组成：传感器模块、信号转导模块和报告模块。这些模块通常基于天然细菌的机制进行设计。例如，转录因子或蛋白质复合物可以在与配体结合后发生构象变化，从而与DNA上的启动子序列相互作用，启动或抑制下游的转录和翻译过程。这种机制可以用来检测环境和生理相关的分子生物标志物。

图1 体内 DNA 检测工作流程

2. 遗传工具包在细菌生物传感器中的应用

活体生物传感器的一个关键优势是它们能够通过合成生物学工具（如逻辑门、信号放大器、振荡器等）组合和分析信号。这些工具可以设计出复杂的基因回路，使细菌能够对环境信号进行精确的响应。例如，逻辑门可以处理多个输入信号以产生特定的输出；信号放大器可以增加输出信号的强度；振荡器可以产生周期性的基因表达模式。

3. 底盘物种和DNA摄取机制

选择合适的底盘物种是设计细菌生物传感器的重要步骤。文中提到，Acinetobacter baylyi和 Bacillus subtilis是两种常用的底盘物种。A. baylyi 是一种天然感受态细菌，能够在生长阶段自然摄取外源DNA；而B. subtilis 可以通过过表达感受态调节因子 ComK 来实现永久感受态。

DNA摄取机制在两种细菌中略有不同，但都涉及使用DNA摄取菌毛捕获细胞外DNA，并将其运输到细胞膜。膜通道 ComEC 将单链DNA拉入细胞质，然后通过同源重组插入基因组或被降解。为了实现特定目标DNA序列的检测，可以在生物传感器基因组中插入同源臂（landing pads），当目标DNA被细菌摄取时，它会通过同源重组插入这些同源臂中。

4. 信号转导机制

将目标DNA的同源重组转化为可检测的输出信号是细菌生物传感器设计的关键。文中介绍了三种主要的信号转导机制：删除抑制子、删除终止子和删除毒素。

删除抑制子：在这种方法中，目标DNA的同源重组会导致位于同源臂之间的抑制子基因被删除，从而解除对报告基因（如绿色荧光蛋白GFP）表达的抑制。

删除终止子：在这种方法中，目标DNA的同源重组会删除位于同源臂之间的转录终止子，从而使转录能够继续进行，表达下游的报告基因。

删除毒素：这种方法利用毒素-抗毒素系统，当目标DNA的同源重组发生时，毒素基因被删除，从而允许细菌生长作为输出信号。

图2 DNA细菌传感器机制

5. 输出信号

输出信号可以是任何由报告基因编码的功能，如荧光蛋白的表达或抗生素抗性。荧光信号可以通过荧光光度计或流式细胞仪检测，而抗生素抗性可以通过在选择性平板上计数菌落来检测。

6. 序列特异性和CRISPR-Cas系统的应用

同源重组本身具有足够的序列特异性，可以区分不同物种的DNA。然而，通过结合CRISPR-Cas系统，可以进一步提高检测的特异性，甚至实现单个碱基差异的检测。例如，A. baylyi 的天然I型CRISPR-Cas系统可以用来降解含有非目标单核苷酸多态性（SNPs）的DNA，从而实现对特定SNPs的高特异性检测。

7. 性能指标

文中还讨论了细菌DNA生物传感器的性能指标，包括检测限、特异性和多重检测能力。检测限是指能够可靠区分背景信号的最低目标DNA浓度。特异性是指生物传感器产生假阳性的频率，而多重检测能力是指同时检测和处理多个信号的能力。文中提到，通过优化信号转导机制和底盘物种，可以提高生物传感器的性能。

8. 活体生物传感器与体外生物传感器的比较

尽管体外DNA生物传感器已经较为成熟，但活体生物传感器在样本处理、设备需求和DNA完整性方面具有潜在优势。活体生物传感器可以直接从未经纯化的样本中提取DNA，并将其运输到细胞内，减少了样本处理步骤和设备需求。此外，活体生物传感器还可以与治疗输出相结合，实现诊断与治疗的结合。

图3 活体 DNA 生物传感器的方法

【全文总结】

活体生物传感器的发展需要进一步优化底盘物种以适应目标环境，并确保安全性和生物限制。此外，活体生物传感器还可以应用于农业、食品和水质安全监测、生态研究和法医学等领域。未来的研究方向包括提高检测速度、降低检测限、减少假阳性率，以及开发现场可部署的设备。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s44222-025-00369-4

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