Vector BglBrick và bảng dữ liệu: Nền tảng sinh học tổng hợp cho biểu hiện gen

Journal of Biological Engineering - 2011
Taek Soon Lee1, Rachel A. Krupa1, Fuzhong Zhang1, Meghdad Hajimorad1, William J. Holtz2, Nilu Prasad1, Sung Kuk Lee1, Jay D. Keasling3
1Joint BioEnergy Institute, University of Antwerp (UIA), CA, 5885 Hollis St, 94608, Emeryville, USA
2Department of Electrical Engineering, University of California, CA, 94720, Berkeley, USA
3Physical Biosciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, CA, 94720, Berkeley, USA

Tóm tắt

Tóm tắt Bối cảnh Khi các hệ thống sinh học được thiết kế trở nên phức tạp hơn, việc biểu hiện nhiều operon từ các plasmid khác nhau và hệ thống biểu hiện có thể kích thích trong cùng một tế bào chủ ngày càng trở nên phổ biến. Tối ưu hóa các hệ thống như vậy thường yêu cầu sàng lọc các tổ hợp nguồn gốc tái bản, hệ thống biểu hiện và các dấu hiệu kháng sinh. Quy trình này bị cản trở bởi sự thiếu dữ liệu định lượng về cách thức hoạt động của các thành phần này khi sử dụng đồng thời hơn một nguồn gốc tái bản hoặc hệ thống biểu hiện. Thêm vào đó, quy trình này có thể tốn thời gian vì nó thường yêu cầu tạo ra các vector mới hoặc đưa vào các vector đã tồn tại nhưng khác nhau. Kết quả Ở đây, chúng tôi báo cáo việc phát triển và đặc trưng hóa một thư viện các vector biểu hiện tương thích với tiêu chuẩn BglBrick (BBF RFC 21). Chúng tôi đã thiết kế và xây dựng 96 plasmid tương thích với BglBrick với sự kết hợp của các nguồn gốc tái bản, gen kháng kháng sinh và các promoter có thể kích thích. Những plasmid này được đặc trưng hóa qua một loạt nồng độ chất kích thích, trong sự hiện diện của các phân tử kích thích không tương ứng, và với một số môi trường sinh trưởng, và các đặc điểm của chúng được ghi lại trong bảng dữ liệu định dạng tiêu chuẩn. Một hệ thống ba plasmid được sử dụng để điều tra tác động của nhiều nguồn gốc tái bản lên số lượng sao chép plasmid. Kết luận Bộ sưu tập standardized các vector được trình bày ở đây cho phép người dùng nhanh chóng tạo ra và thử nghiệm việc biểu hiện các gen với các tổ hợp sức mạnh promoter khác nhau, hệ thống biểu hiện có thể kích thích, số lượng bản sao và khả năng kháng kháng sinh. Các bảng dữ liệu định lượng được tạo ra cho những vectơ này sẽ tăng khả năng dự đoán biểu hiện gen, đặc biệt là khi nhiều plasmid và chất kích thích được sử dụng.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Khosla C, Keasling JD: Metabolic engineering for drug discovery and development. Nat Rev Drug Discov 2003,2(12):1019-25. 10.1038/nrd1256

Lee SK, Chou H, Ham TS, Lee TS, Keasling JD: Metabolic engineering of microorganisms for biofuels production: from bugs to synthetic biology to fuels. Curr Opin Biotechnol 2008,19(6):556-63. 10.1016/j.copbio.2008.10.014

Atsumi S, Liao JC: Metabolic engineering for advanced biofuels production from Escherichia coli. Curr Opin Biotechnol 2008,19(5):414-9. 10.1016/j.copbio.2008.08.008

Raab RM, Tyo K, Stephanopoulos G: Metabolic engineering. Adv Biochem Eng Biotechnol 2005, 100: 1-17.

Pieper DH, Reineke W: Engineering bacteria for bioremediation. Curr Opin Biotechnol 2000,11(3):262-70. 10.1016/S0958-1669(00)00094-X

Martin VJ, Pitera DJ, Withers ST, Newman JD, Keasling JD: Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nat Biotechnol 2003,21(7):796-802. 10.1038/nbt833

Pitera DJ, Paddon CJ, Newman JD, Keasling JD: Balancing a heterologous mevalonate pathway for improved isoprenoid production in Escherichia coli. Metab Eng 2007,9(2):193-207. 10.1016/j.ymben.2006.11.002

Alper H, Fischer C, Nevoigt E, Stephanopoulos G: Tuning genetic control through promoter engineering. Proc Natl Acad Sci USA 2005,102(36):12678-83. 10.1073/pnas.0504604102

Ajikumar PK, Xiao WH, Tyo KE, Wang Y, Simeon F, Leonard E, Mucha O, Phon TH, Pfeifer B, Stephanopoulos G: Isoprenoid pathway optimization for Taxol precursor overproduction in Escherichia coli. Science 2010,330(6000):70-4. 10.1126/science.1191652

Dejong JM, Liu Y, Bollon AP, Long RM, Jennewein S, Williams D, Croteau RB: Genetic engineering of taxol biosynthetic genes in Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol Bioeng 2006,93(2):212-24. 10.1002/bit.20694

Yan Y, Kohli A, Koffas MA: Biosynthesis of natural flavanones in Saccharomyces cerevisiae. Appl Environ Microbiol 2005,71(9):5610-3. 10.1128/AEM.71.9.5610-5613.2005

Li MZ, Elledge SJ: Harnessing homologous recombination in vitro to generate recombinant DNA via SLIC. Nat Methods 2007,4(3):251-6. 10.1038/nmeth1010

Shao Z, Zhao H, Zhao H: DNA assembler, an in vivo genetic method for rapid construction of biochemical pathways. Nucleic Acids Res 2009,37(2):e16.

Gibson DG, Young L, Chuang RY, Venter JC, Hutchison CA, Smith HO: Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat Methods 2009,6(5):343-5. 10.1038/nmeth.1318

Keasling JD: Synthetic biology for synthetic chemistry. ACS Chem Biol 2008,3(1):64-76. 10.1021/cb7002434

Lee SY, Kim HU, Park JH, Park JM, Kim TY: Metabolic engineering of microorganisms: general strategies and drug production. Drug Discov Today 2009,14(12):78-88.

Martin CH, Nielsen DR, Solomon KV, Prather KL: Synthetic metabolism: engineering biology at the protein and pathway scales. Chem Biol 2009,16(3):277-86. 10.1016/j.chembiol.2009.01.010

Canton B, Labno A, Endy D: Refinement and standardization of synthetic biological parts and devices. Nat Biotechnol 2008,26(7):787-93. 10.1038/nbt1413

Knight TFJ: Idempotent Vector Design for Standard Assembly of Biobricks. DSpace@MIT 2003. [http://hdl.handle.net/1721.1/21168]

Anderson JC, Dueber JE, Leguia M, Wu GC, Goler JA, Arkin AP, Keasling JD: BglBricks: A flexible standard for biological part assembly. Journal of Biological Engineering 2010,4(1):1-12. 10.1186/1754-1611-4-1

Shetty RP, Endy D, Knight TF Jr: Engineering BioBrick vectors from BioBrick parts. J Biol Eng 2008, 2: 5. 10.1186/1754-1611-2-5

Tao L, Jackson RE, Cheng Q: Directed evolution of copy number of a broad host range plasmid for metabolic engineering. Metab Eng 2005,7(1):10-7. 10.1016/j.ymben.2004.05.006

Anthony JR, Anthony LC, Nowroozi F, Kwon G, Newman JD, Keasling JD: Optimization of the mevalonate-based isoprenoid biosynthetic pathway in Escherichia coli for production of the anti-malarial drug precursor amorpha-4,11-diene. Metab Eng 2009,11(1):13-9. 10.1016/j.ymben.2008.07.007

Lee SK, Newman JD, Keasling JD: Catabolite repression of the propionate catabolic genes in Escherichia coli and Salmonella enterica: evidence for involvement of the cyclic AMP receptor protein. J Bacteriol 2005,187(8):2793-800. 10.1128/JB.187.8.2793-2800.2005

Lee SK, Keasling JD: A propionate-inducible expression system for enteric bacteria. Appl Environ Microbiol 2005,71(11):6856-62. 10.1128/AEM.71.11.6856-6862.2005

Lee SK, Keasling JD: Heterologous protein production in Escherichia coli using the propionate-inducible pPro system by conventional and auto-induction methods. Protein Expr Purif 2008,61(2):197-203. 10.1016/j.pep.2008.06.008

Guzman LM, Belin D, Carson MJ, Beckwith J: Tight regulation, modulation, and high-level expression by vectors containing the arabinose PBAD promoter. J Bacteriol 1995,177(14):4121-30.

Hajimorad M, Gray PR, Keasling JD: A framework and model system to investigate linear system behavior in Escherichia coli. J Biol Eng 2011, 5: 3. 10.1186/1754-1611-5-3

Lee SK, Chou HH, Pfleger BF, Newman JD, Yoshikuni Y, Keasling JD: Directed evolution of AraC for improved compatibility of arabinose- and lactose-inducible promoters. Appl Environ Microbiol 2007,73(18):5711-5. 10.1128/AEM.00791-07

Gorke B, Stulke J: Carbon catabolite repression in bacteria: many ways to make the most out of nutrients. Nat Rev Microbiol 2008,6(8):613-24. 10.1038/nrmicro1932

Skulj M, Okrslar V, Jalen S, Jevsevar S, Slanc P, Strukelj B, Menart V: Improved determination of plasmid copy number using quantitative real-time PCR for monitoring fermentation processes. Microb Cell Fact 2008, 7: 6. 10.1186/1475-2859-7-6

Carapuca E, Azzoni AR, Prazeres DM, Monteiro GA, Mergulhao FJ: Time-course determination of plasmid content in eukaryotic and prokaryotic cells using real-time PCR. Mol Biotechnol 2007,37(2):120-6. 10.1007/s12033-007-0007-3

Lee CL, Ow DS, Oh SK: Quantitative real-time polymerase chain reaction for determination of plasmid copy number in bacteria. J Microbiol Methods 2006,65(2):258-67. 10.1016/j.mimet.2005.07.019

Lee C, Kim J, Shin SG, Hwang S: Absolute and relative QPCR quantification of plasmid copy number in Escherichia coli. J Biotechnol 2006,123(3):273-80. 10.1016/j.jbiotec.2005.11.014

Tao L, Jackson RE, Rouviere PE, Cheng Q: Isolation of chromosomal mutations that affect carotenoid production in Escherichia coli: mutations alter copy number of ColE1-type plasmids. FEMS Microbiol Lett 2005,243(1):227-33. 10.1016/j.femsle.2004.12.015

Lee C, Lee S, Shin SG, Hwang S: Real-time PCR determination of rRNA gene copy number: absolute and relative quantification assays with Escherichia coli. Appl Microbiol Biotechnol 2008,78(2):371-6. 10.1007/s00253-007-1300-6

Friehs K: Plasmid copy number and plasmid stability. Adv Biochem Eng Biotechnol 2004, 86: 47-82.

Antoine R, Locht C: Isolation and molecular characterization of a novel broad-host-range plasmid from Bordetella bronchiseptica with sequence similarities to plasmids from gram-positive organisms. Mol Microbiol 1992,6(13):1785-99. 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01351.x

Lutz R, Bujard H: Independent and tight regulation of transcriptional units in Escherichia coli via the LacR/O, the TetR/O and AraC/I1-I2 regulatory elements. Nucleic Acids Res 1997,25(6):1203-10. 10.1093/nar/25.6.1203

Manen D, Xia G, Caro L: A locus involved in the regulation of replication in plasmid pSC101. Mol Microbiol 1994,11(5):875-84. 10.1111/j.1365-2958.1994.tb00366.x

Grabherr R, Bayer K: Impact of targeted vector design on Co/E1 plasmid replication. Trends Biotechnol 2002,20(6):257-60. 10.1016/S0167-7799(02)01950-9

Glass RE: Gene function: E. coli and its heritable elements. University of California Press; 1982.

Kues U, Stahl U: Replication of plasmids in gram-negative bacteria. Microbiol Rev 1989,53(4):491-516.

Redding-Johanson AM, Batth TS, Chan R, Krupa R, Szmidt HL, Adams PD, Keasling JD, Lee TS, Mukhopadhyay A, Petzold CJ: Targeted Proteomics for Metabolic Pathway Optimization: Application to Terpene Production. Metab Eng 2011,13(2):194-203. 10.1016/j.ymben.2010.12.005

Dunlop MJ, Dossani ZY, Szmidt HL, Chu HC, Lee TS, Keasling JD, Hadi MZ, Mukhopadhyay A: Engineering microbial biofuel tolerance and export using efflux pumps. Mol Syst Biol 2011, 7: 487.

Leguia M, Brophy J, Densmore D, Anderson JC: Automated assembly of standard biological parts. Methods Enzymol 2011, 498: 363-97.

Horton RM, Cai ZL, Ho SN, Pease LR: Gene splicing by overlap extension: tailor-made genes using the polymerase chain reaction. Biotechniques 1990,8(5):528-35.

Pushnova EA, Geier M, Zhu YS: An easy and accurate agarose gel assay for quantitation of bacterial plasmid copy numbers. Anal Biochem 2000,284(1):70-6. 10.1006/abio.2000.4668

Mason G, Provero P, Vaira AM, Accotto GP: Estimating the number of integrations in transformed plants by quantitative real-time PCR. BMC Biotechnol 2002, 2: 20. 10.1186/1472-6750-2-20

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Biological Engineering

Thông tin tác giả