Facilitating stable gene integration expression and copy number amplification in Bacillus subtilis through a reversible homologous recombination switch

基因 枯草芽孢杆菌 生物 同源重组 遗传学 基因复制 拷贝数变化 基因表达 基因剂量 质粒 抑制因子 基因表达调控 基因组 细菌
作者
Haoyu Guo,Rongzhen Tian,Yaokang Wu,Long Liu,Jianghua Li,Long Liu,Guocheng Du,Jian Chen,Yanfeng Liu
出处
期刊:Synthetic and Systems Biotechnology [Elsevier]
卷期号:9 (3): 577-585 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.synbio.2024.04.010
摘要

Strengthening the expression level of integrated genes on the genome is crucial for consistently expressing key enzymes in microbial cell factories for efficient bioproduction in synthetic biology. In comparison to plasmid-based multi-copy expression, the utilization of chromosomal multi-copy genes offers increased stability of expression level, diminishes the metabolic burden on host cells, and enhances overall genetic stability. In this study, we developed the "BacAmp", a stabilized gene integration expression and copy number amplification system for high-level expression in Bacillus subtilis, which was achieved by employing a combination of repressor and non-natural amino acids (ncAA)-dependent expression system to create a reversible switch to control the key gene recA for homologous recombination. When the reversible switch is turned on, genome editing and gene amplification can be achieved. Subsequently, the reversible switch was turned off therefore stabilizing the gene copy number. The stabilized gene amplification system marked by green fluorescent protein, achieved a 3-fold increase in gene expression by gene amplification and maintained the average gene copy number at 10 after 110 generations. When we implemented the gene amplification system for the regulation of N-acetylneuraminic acid (NeuAc) synthesis, the copy number of the critical gene increased to an average of 7.7, which yielded a 1.3-fold NeuAc titer. Our research provides a new avenue for gene expression in synthetic biology and can be applied in metabolic engineering in B. subtilis.
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