Synthetic biosensors for precise gene control and real-time monitoring of metabolites

合成生物学 生物 计算生物学 生物传感器 代谢工程 系统生物学 合理设计 生物化学 基因 细胞生物学 遗传学
作者
Jameson K. Rogers,Christopher D. Guzman,Noah D. Taylor,Srivatsan Raman,Kelley E. Anderson,George McDonald Church
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
卷期号:43 (15): 7648-7660 被引量:230
标识
DOI:10.1093/nar/gkv616
摘要

Characterization and standardization of inducible transcriptional regulators has transformed how scientists approach biology by allowing precise and tunable control of gene expression. Despite their utility, only a handful of well-characterized regulators exist, limiting the complexity of engineered biological systems. We apply a characterization pipeline to four genetically encoded sensors that respond to acrylate, glucarate, erythromycin and naringenin. We evaluate how the concentration of the inducing chemical relates to protein expression, how the extent of induction affects protein expression kinetics, and how the activation behavior of single cells relates to ensemble measurements. We show that activation of each sensor is orthogonal to the other sensors, and to other common inducible systems. We demonstrate independent control of three fluorescent proteins in a single cell, chemically defining eight unique transcriptional states. To demonstrate biosensor utility in metabolic engineering, we apply the glucarate biosensor to monitor product formation in a heterologous glucarate biosynthesis pathway and identify superior enzyme variants. Doubling the number of well-characterized inducible systems makes more complex synthetic biological circuits accessible. Characterizing sensors that transduce the intracellular concentration of valuable metabolites into fluorescent readouts enables high-throughput screening of biological catalysts and alleviates the primary bottleneck of the metabolic engineering design-build-test cycle.
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