Burden-driven feedback control of gene expression

合成生物学 基因表达 基因表达调控 清脆的 生物 计算生物学 发起人 细胞生物学 基因 遗传学
作者
Francesca Ceroni,Alice Boo,Simone Furini,Thomas E. Gorochowski,Olivier Borkowski,Yaseen Ladak,Ali R. Awan,Charlie Gilbert,Guy‐Bart Stan,Tom Ellis
出处
期刊:Nature Methods [Springer Nature]
卷期号:15 (5): 387-393 被引量:387
标识
DOI:10.1038/nmeth.4635
摘要

In this CRISPR-based feedback control system, sgRNA expression is triggered by the burden of protein overexpression, and the sgRNA directs repression of the exogenous gene promoter to reduce burdensome expression and restore growth of the cell. Cells use feedback regulation to ensure robust growth despite fluctuating demands for resources and differing environmental conditions. However, the expression of foreign proteins from engineered constructs is an unnatural burden that cells are not adapted for. Here we combined RNA-seq with an in vivo assay to identify the major transcriptional changes that occur in Escherichia coli when inducible synthetic constructs are expressed. We observed that native promoters related to the heat-shock response activated expression rapidly in response to synthetic expression, regardless of the construct. Using these promoters, we built a dCas9-based feedback-regulation system that automatically adjusts the expression of a synthetic construct in response to burden. Cells equipped with this general-use controller maintained their capacity for native gene expression to ensure robust growth and thus outperformed unregulated cells in terms of protein yield in batch production. This engineered feedback is to our knowledge the first example of a universal, burden-based biomolecular control system and is modular, tunable and portable.
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