Engineering of a TrpR-Based Biosensor for Altered Dynamic Range and Ligand Preference

生物传感器 抑制因子 配体(生物化学) 计算生物学 合成生物学 色氨酸 定向进化 突变体 化学 代谢工程 调节器 生物 生物化学 生物物理学 转录因子 基因 氨基酸 受体
作者
Xinyu Gong,Ruihua Zhang,Jian Wang,Yajun Yan
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (6): 2175-2183 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00134
摘要

Transcriptional factors play a crucial role in regulating cellular functions. Understanding and altering the dynamic behavior of the transcriptional factor-based biosensors will expand our knowledge in investigating biomolecular interactions and facilitating biosynthetic applications. In this study, we characterized and engineered a TrpR-based tryptophan repressor system in Escherichia coli. We found that the reconstructed TrpR1-PtrpO1 biosensor system exhibited low basal expression and narrow dynamic range in the presence of tryptophan or its analogue 5-hydroxytryptophan (5-HTP). Given the application potential of the biosensor, we introduced engineering approaches in multiple levels to optimize its dynamic behavior. First, the I57 and V58 residues in the ligand-binding pocket were rationally mutated in search of variants with altered ligand specificity. Two TrpR1 variants, V58E and V58K, successfully acquired ligand preference toward tryptophan and 5-HTP, respectively. The biosensor-induced expression levels were increased up to 10-fold with those variants. Furthermore, to pursue broader operational range, we tuned the regulator–operator binding affinity by mutating the binding box of TrpR1. Collectively, we demonstrated that the biosynthesis-significant biosensor TrpR1-PtrpO1 can be engineered to acquire extended dynamic ranges and improved ligand preference. The engineered biosensor variants with remarkable dynamic behavior can serve as key genetic elements in high-throughput screening and dynamic regulation in biosynthetic scenarios.
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