The Growth Dependent Design Constraints of Transcription-Factor-Based Metabolite Biosensors

生物传感器 泰特 代谢物 合成生物学 动态范围 生物系统 生化工程 转录因子 生物 计算生物学 计算机科学 生物化学 抑制因子 工程类 计算机视觉 基因
作者
Christopher J. Hartline,Fuzhong Zhang
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (7): 2247-2258 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00143
摘要

Metabolite biosensors based on metabolite-responsive transcription factors are key synthetic biology components for sensing and precisely controlling cellular metabolism. Biosensors are often designed under laboratory conditions but are deployed in applications where cellular growth rate differs drastically from its initial characterization. Here we asked how growth rate impacts the minimum and maximum biosensor outputs and the dynamic range, which are key metrics of biosensor performance. Using LacI, TetR, and FadR-based biosensors in Escherichia coli as models, we find that the dynamic range of different biosensors have different growth rate dependencies. We developed a kinetic model to explore how tuning biosensor parameters impact the dynamic range growth rate dependence. Our modeling and experimental results revealed that the effects to dynamic range and its growth rate dependence are often coupled, and the metabolite transport mechanisms shape the dynamic range-growth rate response. This work provides a systematic understanding of biosensor performance under different growth rates, which will be useful for predicting biosensor behavior in broad synthetic biology and metabolic engineering applications.
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