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Optogenetic Control of Bacterial Expression by Red Light

光遗传学 组氨酸激酶 耐辐射球菌 胆绿素 红灯 生物 光敏色素 细胞生物学 双组分调节系统 远红色 生物物理学 基因 遗传学 生物化学 植物 血红素 突变体 神经科学 血红素加氧酶
作者
Elina Multamäki,Andrés García de Fuentes,Oleksii Sieryi,Alexander Bykov,Uwe Gerken,Américo Tavares Ranzani,Jürgen Köhler,Igor Meglinski,Andreas Möglich,Heikki Takala
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (10): 3354-3367 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00259
摘要

In optogenetics, as in nature, sensory photoreceptors serve to control cellular processes by light. Bacteriophytochrome (BphP) photoreceptors sense red and far-red light via a biliverdin chromophore and, in response, cycle between the spectroscopically, structurally, and functionally distinct Pr and Pfr states. BphPs commonly belong to two-component systems that control the phosphorylation of cognate response regulators and downstream gene expression through histidine kinase modules. We recently demonstrated that the paradigm BphP from Deinococcus radiodurans exclusively acts as a phosphatase but that its photosensory module can control the histidine kinase activity of homologous receptors. Here, we apply this insight to reprogram two widely used setups for bacterial gene expression from blue-light to red-light control. The resultant pREDusk and pREDawn systems allow gene expression to be regulated down and up, respectively, uniformly under red light by 100-fold or more. Both setups are realized as portable, single plasmids that encode all necessary components including the biliverdin-producing machinery. The triggering by red light affords high spatial resolution down to the single-cell level. As pREDusk and pREDawn respond sensitively to red light, they support multiplexing with optogenetic systems sensitive to other light colors. Owing to the superior tissue penetration of red light, the pREDawn system can be triggered at therapeutically safe light intensities through material layers, replicating the optical properties of the skin and skull. Given these advantages, pREDusk and pREDawn enable red-light-regulated expression for diverse use cases in bacteria.

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