微生物生物传感器在新陈代谢工程和医学方面有多种应用。对化学浓度的特异性和精确的量化允许对酶途径的适应性调节和对诊断报告者的时间上的精确表达。虽然生物传感器应该区分结构相似的配体，具有不同的生物功能，但这种特定的传感器在自然界中很少发现，而且创建起来也很有挑战性。
11月11日，来自华盛顿大学的研究人员在Cell System上在线发表了题为“Engineering ligand-specific biosensors for aromatic amino acids and neurochemicals”的研究论文，揭示了FeaR调节器的未定性结构，包括配体结合的关键残基。这些结果为开发用于不同应用的动力学适应性微生物奠定了基础。
微生物生物传感器可以被用来对代谢途径的产物进行动力学调节和量化，在益生菌中诊断疾病，并通过可穿戴的、基于纸张的和无细胞的系统分析体外样本。合成的生物传感器可以使用几种蛋白质设计方法来创建。然而，传感器也可以通过挖掘微生物中自然存在的传感器更有效地获得。这些传感器通常可以直接转移到益生菌中，或为无细胞传感器的应用进行纯化。然而，大多数天然传感器能识别多种结构相似但功能各异的代谢物，这些代谢物常常被发现在很近的地方。为了准确地将化学品的浓度与生物结果联系起来，传感器需要区分不同的化学品并以精确的灵敏度识别相关的化学品。
特异性感应对许多微生物传感器的应用至关重要。各种蛋白质工程方法已被证明用于优化蛋白质和RNA传感器的选择性和敏感性。这些方法包括定向进化、合理设计和计算性的重新设计。虽然每种方法都有优势，但理性工程可以独特地利用蛋白质结构的基本知识和小库的大小来进行，可以快速构建和筛选库。此外，当蛋白质的结构未知时，也可以通过计算模拟或通过将传感器的序列与同族中的其他蛋白质对齐来确定保守或必要的残基。尽管在蛋白质工程方面取得了进展，但由于需要将微妙的蛋白质构象变化与不同的蛋白质-DNA相互作用和基因表达控制结合起来，特别是当目标配体在结构上相似时，创建配体特异性感应和响应系统仍然具有挑战性。
芳香族氨基酸苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸（Tyr）是常见的微生物代谢工程产品和来自同一途径的前体。此外，结构相似的Phe和Tyr的长期升高水平分别与不同的疾病苯丙酮尿症和2型酪氨酸血症有关。这两种代谢物的传感器已经在不同的大肠杆菌菌株中产生。然而，这些传感器是基于大肠杆菌的多配体反应性TyrR转录因子（TF）的野生型版本，具有有限的选择性和低动态范围。同样，结构相似的胺类苯乙胺（PEA）、酪胺（Tyra）和色胺（Trypta）都普遍存在于食物和肠道中，但有助于产生不同的生物结果。例如，PEA的极端水平与各种心理障碍有关，Tyra的存在导致儿茶酚胺的释放和血压升高，而Trypta的存在导致5-羟色胺的释放和胃肠道运动的刺激。此外，食物中PEA、Tyra和Trypta的存在是微生物污染的指标，食用Tyra含量高的食物会导致中毒。目前，还没有对这些化学品具有高配体特异性的生物传感器。
在这项工作中，使用大肠杆菌Nissle 1917（EcN）作为宿主，生成了芳香族代谢物Phe、Tyr、PEA和Trypta的传感器。为了生成这些芳香族代谢物的传感器，确定并设计了两个传感器系统：TyrR（Phe和Tyr）传感器和TynA-FeaR（芳香族胺）传感器系统。设计了TyrR和TynA-FeaR传感器系统的配体选择性，并通过合理选择和单独突变TyrR、TynA和FeaR中的氨基酸来调整其敏感性。这种合理的蛋白质工程方法能迅速产生多个小文库，并能有效地进行筛选，使其成为特异性工程的一种有吸引力的方法。总的来说，我们产生了对Phe、Tyr、PEA或Tyra的特异性传感器。在FeaR的工程中，还对FeaR的未定性结构进行了深入研究，并确定了对配体结合很重要的残基。这项工作提供了在微生物生物传感中具有多种应用的传感器，以及一种可通用的方法来调节配体-蛋白质结合的特异性，同时保持蛋白质-DNA的相互作用，从而控制下游的基因表达。
参考文献：
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2405471221004178