《Frontiers in Lab on a Chip Technologies》：Integrating synthetic biology and laboratory-on-a-chip technologies for next-generation biosensors
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本综述系统阐述了合成生物学与芯片实验室（LoC）技术的融合如何推动生物传感器向可编程、模块化、现场部署方向革新。文章详述了工程化传感元件（蛋白质、适配体、基因电路）与微流体平台的优势互补，并展望了其在医疗诊断（CRISPR/Cas13、miRNA）、环境监测（PFAS、重金属）及食品安全等领域的应用潜力与挑战。
引言
从克拉克葡萄糖传感器诞生至今，生物传感器已跨越半个多世纪的发展历程。如今，合成生物学为生物传感注入了前所未有的可编程能力——通过定制蛋白质、核酸适配体及基因电路，研究者能够精准调控传感器的灵敏度、特异性与动态范围，甚至探测自然界不存在天然受体的分析物。而芯片实验室（LoC）技术则通过微米级流道将样本处理、反应与检测模块集成于方寸芯片，既解决了全细胞生物传感器的生物安全问题，又实现了设备的便携化与自动化。二者的深度融合，正催生新一代兼具智能化与实用性的生物传感平台。
应用
医疗健康
在医疗领域，合成生物学与LoC的结合显著提升了疾病诊断的精准性与可及性。例如，基于CRISPR/Cas13的微流体电化学生物传感器可高效检测肿瘤标志物miR-19、miR-20a，其模块化设计更便于适配其他miRNA靶标。纸基 toehold switch RNA传感器则能在资源有限地区实现寨卡病毒、SARS-CoV-2的便携式检测。可穿戴设备进一步拓展了连续监测场景：水凝胶-弹性体复合的"活体织物"可集成于手套或皮肤贴片，实时感知化学物质；pH响应型工程蛋白纺织品更开辟了无细胞传感新路径。未来，"智能医院服"或有望通过嵌入式传感器监测MRSA等病原体，实现院内感染动态预警。
环境监测
面对水体污染、农药残留等环境挑战，合成生物学提供了高灵敏监测方案。基于砷响应启动子arsR的全细胞传感器可集成于微流体芯片，实现重金属痕量检测；工程化蛋白质传感器能特异性识别难降解污染物PFAS，并通过荧光信号输出结果。此外，转录因子MopR突变体构建的传感阵列可检测超低浓度芳香烃污染物，而细胞游离系统ROSALIND则通过RNA适配体激活荧光，规避了活细胞对复杂基质的耐受性问题。这些技术若与LoC平台结合，将助力偏远地区实现低成本、多指标的环境质量监控。
食品安全
从田间到餐桌，生物传感器为食品安全保障提供了闭环解决方案。针对植物病害，微流体诊断平台Plant-Dx整合等温扩增与小转录激活RNA（STAR）电路，可在1小时内可视化诊断病原体。在储运环节，纸基微流体器件利用无细胞蛋白合成技术检测牛肉中腐败标志物腐胺，而"哨兵包装"通过DNAzyme催化反应特异识别E. coli，为食品保质期评估与致病菌防控提供实时依据。
新兴前沿
生物计算
合成生物学正赋予生物传感器"思考"能力：基于基因电路的生物计算系统可构建人工神经网络，实现模式识别与决策判断。例如，DNA计算系统已能通过血液mRNA表达谱区分细菌性与病毒性急性呼吸道感染，为抗生素合理使用提供依据。这类技术若与微流体集成，有望将复杂诊断流程压缩至单一芯片。
极端环境探测
在太空探索中，SporeSat、EcAMSat等LoC生物传感器成功应用于微重力环境下微生物代谢研究；深海探测则借助色度分析芯片监测硝酸盐、磷酸盐。合成生物学进一步拓展了极端环境传感维度：耐压人工细胞搭载无细胞合成系统（PURE）可在深海环境中运行，而嗜极生物元件的挖掘将为辐射区、极地等特殊场景提供新型传感工具。
发展挑战
尽管前景广阔，技术推广仍面临多重壁垒。制造工艺上，纸基微流体（μPADs）与3D打印技术有望降低芯片成本，但生物元件的标准化（如SBOL语言规范）与电路稳定性仍需优化。监管层面，现有GMO法规尚未覆盖物理封闭的LoC设备，无细胞系统更处于监管盲区。国际组织正推动建立风险分级、应用导向的审批框架，但跨区域协调仍待加强。
结论
合成生物学与LoC的协同创新，正重塑生物传感器的设计范式与应用边界。随着电路预测性提升、芯片规模化制造突破以及适应性监管体系完善，这类融合技术有望在疾病诊断、生态保护、太空探索等领域发挥更深远的价值。
