Standardized Iterative Genome Editing Method for Escherichia coli Based on CRISPR-Cas9

基因组编辑 清脆的 Cas9 基因组工程 生物 基因组 计算生物学 质粒 合成生物学 遗传学 基因 CRISPR干扰 大肠杆菌
作者
Huan Fang,Jianghua Zhao,Xinfang Zhao,Ning Dong,Ying Zhao,Dawei Zhang
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:13 (2): 613-623 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acssynbio.3c00585
摘要

The introduction of complex biosynthetic pathways into the hosts' chromosomes is gaining attention with the development of synthetic biology. While CRISPR-Cas9 has been widely employed for gene knock-in, the process of multigene insertion remains cumbersome due to laborious and empirical gene cloning procedures. To address this, we devised a standardized iterative genome editing system for Escherichia coli, harnessing the power of CRISPR-Cas9 and MetClo assembly. This comprehensive toolkit comprises two fundamental elements based on the Golden Gate standard for modular assembly of sgRNA or CRISPR arrays and donor DNAs. We achieved a gene insertion efficiency of up to 100%, targeting a single locus. Expression of tracrRNA using a strong promoter enhances multiplex genomic insertion efficiency to 7.3%, compared with 0.76% when a native promoter is used. To demonstrate the robust capabilities of this genome editing toolbox, we successfully integrated 5-10 genes from the coenzyme B12 biosynthetic pathway ranging from 5.3 to 8 Kb in length into the chromosome of E. coli chassis cells, resulting in 14 antibiotic-free, plasmid-free producers. Following an extensive screening process involving genes from diverse sources, cistronic design modifications, and chromosome repositioning, we obtained a recombinant strain yielding 1.49 mg L-1 coenzyme B12, the highest known titer achieved by using E. coli as the producer. Illuminating its user-friendliness, this genome editing system is an exceedingly versatile tool for expediently integrating complex biosynthetic pathway genes into hosts' genomes, thus facilitating pathway optimization for chemical production.
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