Design, Evolution, and Characterization of a Xylose Biosensor in Escherichia coli Using the XylR/xylO System with an Expanded Operating Range

木糖 生物传感器 合成生物学 定向进化 大肠杆菌 生物 计算生物学 生化工程 突变体 生物化学 基因 工程类 发酵
作者
Ruiqi Tang,James M. Wagner,Hal S. Alper,Xin‐Qing Zhao,Feng‐Wu Bai
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:9 (10): 2714-2722 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssynbio.0c00225
摘要

Genetically encoded biosensors are extensively utilized in synthetic biology and metabolic engineering. However, reported xylose biosensors are far too sensitive with a limited operating range to be useful for most sensing applications. In this study, we describe directed evolution of Escherichia coli XylR, and construction of biosensors based on XylR and the corresponding operator xylO. The operating range of biosensors containing the mutant XylR was increased by nearly 10-fold comparing with the control. Two individual amino acid mutations (either L73P or N220T) in XylR were sufficient to extend the linear response range to upward of 10 g/L xylose. The evolved biosensors described here are well suited for developing whole-cell biosensors for detecting varying xylose concentrations across an expanded range. As an alternative use of this system, we also demonstrate the utility of XylR and xylO as a xylose inducible system to enable graded gene expression through testing with β-galactosidase gene and the lycopene synthetic pathway. This evolution strategy identified a less-sensitive biosensor for real applications, thus providing new insights into strategies for expanding operating ranges of other biosensors for synthetic biology applications.
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