Synthetic protein-binding DNA sponge as a tool to tune gene expression and mitigate protein toxicity

基因 基因表达 DNA 生物 计算生物学 蛋白质表达 海绵 生物信息学 分子生物学 遗传学 植物
作者
Xinyi Wan,Filipe Pinto,Luyang Yu,Baojun Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:35
标识
DOI:10.1038/s41467-020-19552-9
摘要

Versatile tools for gene expression regulation are vital for engineering gene networks of increasing scales and complexity with bespoke responses. Here, we investigate and repurpose a ubiquitous, indirect gene regulation mechanism from nature, which uses decoy protein-binding DNA sites, named DNA sponge, to modulate target gene expression in Escherichia coli. We show that synthetic DNA sponges can be designed to reshape the response profiles of gene circuits, lending multifaceted tuning capacities including reducing basal leakage by >20-fold, increasing system output amplitude by >130-fold and dynamic range by >70-fold, and mitigating host growth inhibition by >20%. Further, multi-layer DNA sponges for decoying multiple regulatory proteins provide an additive tuning effect on the responses of layered circuits compared to single-layer sponges. Our work shows synthetic DNA sponges offer a simple yet generalizable route to systematically engineer the performance of synthetic gene circuits, expanding the current toolkit for gene regulation with broad potential applications.
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