富马酸作为一种天然有机酸,是一种重要有机化工原料,也是精细化工产品的中间体,同时广泛应用于食品、涂料、树脂、增塑剂等领域。生物发酵法是目前富马酸生产的重要方法,尤其是以大肠杆菌作为底盘微生物生产富马酸。快速精准的检测发酵液中富马酸生产和积累状态是发酵过程中的迫切需求。然而,由于细胞膜的选择通透性,富马酸高产菌株在细胞内外形成了很大的浓度差异。因此,胞内生物传感器不能检测到胞外富马酸的真实浓度变化,而传统的高效液相色谱检测效率较低。为了克服这一局限,本研究以大肠杆菌内的dcu S-dcu R双组分系统为基础,设计了一种能够响应胞外富马酸的双组分生物传感器,并针对该生物传感器进行了以下四个方面的研究:（1）富马酸生物传感器的设计构建与性能表征。利用大肠杆菌中可以响应富马酸的双组分系统dcu S-dcu R,以及受到此双组分系统调控的下游启动子,构建了对富马酸有基础响应值的生物传感器。对此传感器进行了性能检测,确定了富马酸传感器的最佳检测时间为诱导后的第8小时,最高检测浓度为30 m M。同时测定了富马酸传感器的响应特异性,在不同结构类似物的诱导下,传感器仅对富马酸出现1.7倍的响应。（2）富马酸传感器的检测条件与结构优化。从分子生物学的角度对传感器元件进行分析,针对构建传感器质粒使用的不同启动子上的转录因子结合位点,确定对应因素葡萄糖、硝酸盐、氧气会对传感器检测造成的影响。后续采用中等强度PUTRcrp调控dcu S-dcu R操纵子表达后,消除了葡萄糖与氧气的影响。根据代谢途径调整检测宿主菌为E.coli BL21（DE3）Δsuc D,同时调整操纵子与下游sfgfp基因在质粒上的位置,成功将富马酸传感器的动态范围,即荧光信号最大值和最小值的比值提升到4倍。（3）Dcu S和Dcu R的表达比例与强度优化。构建富马酸传感器的双组分系统在结构上的特殊之处在于Dcu S和Dcu R的两个基因存在4个碱基的重合。为了确定Dcu S和Dcu R表达水平对传感器性能的影响,使用5个梯度强度的PUTR以单顺反子结构分别表达dcu S和dcu R两个基因。结果表明最高强度的PUTRglp D调控dcu S与中等强度的PUTRglt A调控dcu R获得了动态范围最高为4.9倍的富马酸传感器。针对传感器动态范围与PUTR强度并不呈现线性关系的问题,通过实时荧光定量PCR检测dcu S和dcu R的转录表达水平,发现dcu S:dcu R的最佳表达比例为46:54。并且在维持二者最佳相对表达水平的前提下,较高的绝对表达水平更有利于富马酸传感器动态范围的提高。（4）组氨酸激酶Dcu S的ATP结合位点修饰改造。Dcu S结合ATP,随之与Dcu R发生磷酸化和被磷酸化的过程是富马酸传感器工作的重要环节。因此,修饰Dcu S的ATP结合位点有助于改善酶活性以优化富马酸传感器的性能。通过突变已知的ATP结合位点序列,证明了特定GXGXG氨基酸基序对传感器的动态范围有一定提升。对首位G位点和第2、4位X位点进行饱和突变后,传感器最佳突变体的动态范围达到6.6倍,较上一轮优化提高了34.7%,比未优化之前提高了388%。