Engineering Modular Biosensors to Confer Metabolite-Responsive Regulation of Transcription

生物传感器 合成生物学 代谢物 计算生物学 代谢工程 定向进化 蛋白质工程 模块化设计 生物 生物化学 计算机科学 基因 突变体 操作系统
作者
Andrew K. D. Younger,Neil C. Dalvie,Austin G. Rottinghaus,Joshua N. Leonard
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:6 (2): 311-325 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acssynbio.6b00184
摘要

Efforts to engineer microbial factories have benefitted from mining biological diversity and high throughput synthesis of novel enzymatic pathways, yet screening and optimizing metabolic pathways remain rate-limiting steps. Metabolite-responsive biosensors may help to address these persistent challenges by enabling the monitoring of metabolite levels in individual cells and metabolite-responsive feedback control. We are currently limited to naturally evolved biosensors, which are insufficient for monitoring many metabolites of interest. Thus, a method for engineering novel biosensors would be powerful, yet we lack a generalizable approach that enables the construction of a wide range of biosensors. As a step toward this goal, we here explore several strategies for converting a metabolite-binding protein into a metabolite-responsive transcriptional regulator. By pairing a modular protein design approach with a library of synthetic promoters and applying robust statistical analyses, we identified strategies for engineering biosensor-regulated bacterial promoters and for achieving design-driven improvements of biosensor performance. We demonstrated the feasibility of this strategy by fusing a programmable DNA binding motif (zinc finger module) with a model ligand binding protein (maltose binding protein), to generate a novel biosensor conferring maltose-regulated gene expression. This systematic investigation provides insights that may guide the development of additional novel biosensors for diverse synthetic biology applications.
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