A synthetic biology toolkit for interrogating plasmid-dependent methylotrophy and enhancing methanol-based biosynthesis of Bacillus methanolicus

生物合成 质粒 合成生物学 计算生物学 生物 化学 生物化学 纳米技术 基因 材料科学
作者
Pan Liu,Qianqian Yuan,Xueting Yang,Qian Wang,Tao Chang,Y. Bi,Peng Wu,Tong Zhang,Jinxing Yang,Shiting Guo,Chaoyou Xue,Zhaojuan Zheng,Bo Xin,Hongwu Ma,Yu Wang
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:2
标识
DOI:10.1101/2025.05.06.652373
摘要

Abstract Bacillus methanolicus represents a thermophilic methylotroph whose methanol utilization depends on plasmid-encoded genes. It serves as a unique model for deciphering plasmid-dependent methylotrophy and an ideal chassis for low-carbon biomanufacturing using CO2-derived C1 substrates. Despite its evolutionary uniqueness and industrial potential, the lack of synthetic biology tools has hindered both mechanistic understanding and strain engineering. Here, we present a comprehensive synthetic biology platform comprising a high-efficiency electroporation protocol, a CRISPR method enabling robust and multiplex genome editing, diverse neutral loci for gene integration and overexpression, and a cloud-based genome-scale metabolic model iBM822 for user-friendly biodesign. Leveraging this toolkit, we systematically dissected plasmid-dependent methylotrophy, host restriction-modification systems, and functional significance of the chromosomal methylotrophic genes through targeted deletion. To address plasmid loss-induced strain degeneration, we integrated the large endogenous plasmid pBM19 into the chromosome for stable and intact methylotrophic growth. Finally, by integrating metabolic modeling with CRISPR editing, we engineered L-arginine feedback regulation to achieve the first L-arginine biosynthesis from methanol. This study establishes a synthetic biology framework for B. methanolicus, promoting mechanistic exploration of methylotrophy and low-carbon biomanufacturing.
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