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Flux-Balance Analysis and Mobile CRISPRi-Guided Deletion of a Conditionally Essential Gene in Shewanella oneidensis MR-1

舍瓦内拉 基因敲除 合成生物学 通量平衡分析 生物 希瓦氏菌属 代谢工程 计算生物学 基因 基因调控网络 系统生物学 遗传学 基因表达 细菌
作者
Kathryne C. Ford,Joshua A. M. Kaste,Yair Shachar‐Hill,Michaela A. TerAvest
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (10): 3405-3413 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00323
摘要

Carbon-neutral production of valuable bioproducts is critical to sustainable development but remains limited by the slow engineering of photosynthetic organisms. Improving existing synthetic biology tools to engineer model organisms to fix carbon dioxide is one route to overcoming the limitations of photosynthetic organisms. In this work, we describe a pipeline that enabled the deletion of a conditionally essential gene from the Shewanella oneidensis MR-1 genome. S. oneidensis is a simple bacterial host that could be used for electricity-driven conversion of carbon dioxide in the future with further genetic engineering. We used Flux Balance Analysis (FBA) to model carbon and energy flows in central metabolism and assess the effects of single and double gene deletions. We modeled the growth of deletion strains under several alternative conditions to identify substrates that restore viability to an otherwise lethal gene knockout. These predictions were tested in vivo using a Mobile-CRISPRi gene knockdown system. The information learned from FBA and knockdown experiments informed our strategy for gene deletion, allowing us to successfully delete an "expected essential" gene, gpmA. FBA predicted, knockdown experiments supported, and deletion confirmed that the "essential" gene gpmA is not needed for survival, dependent on the medium used. Removal of gpmA is a first step toward driving electrode-powered CO2 fixation via RuBisCO. This work demonstrates the potential for broadening the scope of genetic engineering in S. oneidensis as a synthetic biology chassis. By combining computational analysis with a CRISPRi knockdown system in this way, one can systematically assess the impact of conditionally essential genes and use this knowledge to generate mutations previously thought unachievable.

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