Synthetic receptors are powerful tools for engineering mammalian cell-based devices. These biosensors enable cell-based therapies to perform complex tasks such as regulating therapeutic gene expression in response to sensing physiological cues. Although multiple synthetic receptor systems now exist, many aspects of receptor performance are poorly understood. In general, it would be useful to understand how receptor design choices influence performance characteristics. In this study, we examined the modular extracellular sensor architecture (MESA) and systematically evaluated previously unexamined design choices, yielding substantially improved receptors. A key finding that might extend to other receptor systems is that the choice of transmembrane domain (TMD) is important for generating high-performing receptors. To provide mechanistic insights, we adopted and employed a F&oumlrster resonance energy transfer (FRET)-based assay to elucidate how TMDs affect receptor complex formation and connected these observations to functional performance. To build further insight into these phenomena, we developed a library of new MESA receptors that sense an expanded set of ligands. Based upon these explorations, we conclude that TMDs affect signaling primarily by modulating intracellular domain geometry. Finally, to guide the design of future receptors, we propose general principles for linking design choices to biophysical mechanisms and performance characteristics.

中文翻译：

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阐明和完善合成受体的机制

合成受体是工程化基于哺乳动物细胞的装置的强大工具。这些生物传感器使基于细胞的疗法能够执行复杂的任务，例如响应于感知生理信号而调节治疗性基因的表达。尽管现在存在多种合成受体系统，但对受体性能的许多方面了解甚少。通常，了解受体设计选择如何影响性能特征将很有用。在这项研究中，我们检查了模块化的细胞外传感器结构（MESA），并系统地评估了之前未经检查的设计选择，从而产生了明显改善的受体。可能扩展到其他受体系统的关键发现是跨膜结构域（TMD）的选择对于生成高性能受体很重要。为了提供机械的见解，我们采用并采用了基于F＆ousterrster共振能量转移（FRET）的分析方法，以阐明TMD如何影响受体复合物的形成，并将这些观察结果与功能性能联系起来。为了进一步了解这些现象，我们开发了一个新的MESA受体文库，该文库可检测更多的配体。基于这些探索，我们得出结论，TMD主要通过调节细胞内结构域的几何形状影响信号传导。最后，为了指导未来受体的设计，我们提出了将设计选择与生物物理机制和性能特征联系起来的一般原则。为了进一步了解这些现象，我们开发了一个新的MESA受体文库，该文库可检测更多的配体。基于这些探索，我们得出结论，TMD主要通过调节细胞内结构域的几何形状影响信号传导。最后，为了指导未来受体的设计，我们提出了将设计选择与生物物理机制和性能特征联系起来的一般原则。为了进一步了解这些现象，我们开发了一个新的MESA受体库，该库可感知更多的配体。基于这些探索，我们得出结论，TMD主要通过调节细胞内结构域的几何形状影响信号传导。最后，为指导未来受体的设计，我们提出了将设计选择与生物物理机制和性能特征联系起来的一般原则。