基于RNA适配体的荧光生物传感器设计：实时监测大肠杆菌细胞负担的新策略

研究人员针对合成生物学中细胞负担影响工程菌性能的问题，开发了基于htpG1启动子和荧光RNA适配体(Pepper/Broccoli)的生物传感器。该研究系统表征了适配体在不同启动子和宿主中的表达特性，发现tRNA-Broc传感器能动态响应不同表达水平和遗传构建体引起的负担，为优化生物制造提供了新工具。

　　

在合成生物学和生物制造领域，工程化微生物的"细胞负担"现象一直是个棘手问题。当外源基因在大肠杆菌(E. coli)等宿主中表达时，会与宿主细胞争夺转录翻译资源，导致代谢过载、生长迟缓和产量下降。这种现象不仅影响基础研究，更严重制约着生物医药和工业生物技术的应用。传统监测方法往往滞后且不够直观，亟需开发能够实时、动态追踪细胞负担的新工具。

英国帝国理工学院的研究团队在《TRENDS IN Biotechnology》发表创新研究，利用荧光RNA适配体开发了新型细胞负担生物传感器。该研究首先系统比较了Pepper和Broccoli两类8种RNA适配体在不同启动子(T7、pBAD、pLux等)和两种E. coli菌株(BL21(DE3)和DH10β)中的表达特性，意外发现适配体表达本身会引起生长抑制，且与RNA支架复杂度相关。基于此，研究人员选择htpG1启动子驱动tRNA-Broc适配体构建生物传感器，证明其能快速(30分钟内)响应不同表达水平(VioB-mCherry)和遗传构建体(pBAD/pRHA系统)引起的负担差异。

关键技术包括：1)构建含不同启动子和适配体的质粒文库；2)采用微孔板读数仪动态监测荧光和生长曲线；3)流式细胞术验证单细胞水平表达；4)体外转录翻译系统比较适配体性能；5)共表达不同负担构建体验证传感器响应特性。

研究结果部分：

"动态性能"部分显示，tRNA-Broc传感器能区分不同阿拉伯糖浓度(0.05-1%)诱导的VioB-mCherry表达负担，荧光信号与表达水平正相关。在30°C条件下，复杂支架适配体(tRNA-DF30-Pep)对生长的抑制显著减轻，但荧光输出也相应降低。

"技术成熟度"指出该传感器已达到TRL3-4级，适用于工业场景的大规模验证。特别值得注意的是，当适配体由内源htpG1启动子表达时，其对宿主的负担可忽略不计，这为其实际应用扫清了障碍。

"讨论"部分强调，这是首个报道RNA适配体引起E. coli负担的研究，揭示了RNA支架复杂度与生长抑制的关联性。tRNA-Broc传感器实现了对细胞负担的动态、无创监测，其快速响应特性(相比荧光蛋白)特别适合用于筛选低负担的遗传构建体，有望提高生物制造效率。

该研究的创新点在于：1)首次系统评估RNA适配体在细菌中的表达特性；2)发现并量化了适配体相关的细胞负担；3)开发了具有实际应用价值的负担监测工具。未来研究可进一步探索传感器在生物反应器中的表现，以及其感应机制与特定细胞通路的关联。这项工作为合成生物学提供了重要的基础工具，将助力实现更高效、更可控的微生物细胞工厂。