Simultaneous repression of multiple bacterial genes using nonrepetitive extra-long sgRNA arrays

清脆的 合成生物学 生物 亚基因组mRNA Cas9 基因 遗传筛选 引导RNA CRISPR干扰 营养不良 遗传学 基因组编辑 表型 计算生物学 大肠杆菌 代谢工程 心理压抑 基因表达
作者
Alexander C. Reis,Sean M. Halper,Grace E. Vezeau,Daniel P. Cetnar,Ayaan Hossain,Phillip R. Clauer,Howard M. Salis
出处
期刊:Nature Biotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:37 (11): 1294-1301 被引量:139
标识
DOI:10.1038/s41587-019-0286-9
摘要

Engineering cellular phenotypes often requires the regulation of many genes. When using CRISPR interference, coexpressing many single-guide RNAs (sgRNAs) triggers genetic instability and phenotype loss, due to the presence of repetitive DNA sequences. We stably coexpressed 22 sgRNAs within nonrepetitive extra-long sgRNA arrays (ELSAs) to simultaneously repress up to 13 genes by up to 3,500-fold. We applied biophysical modeling, biochemical characterization and machine learning to develop toolboxes of nonrepetitive genetic parts, including 28 sgRNA handles that bind Cas9. We designed ELSAs by combining nonrepetitive genetic parts according to algorithmic rules quantifying DNA synthesis complexity, sgRNA expression, sgRNA targeting and genetic stability. Using ELSAs, we created three highly selective phenotypes in Escherichia coli, including redirecting metabolism to increase succinic acid production by 150-fold, knocking down amino acid biosynthesis to create a multi-auxotrophic strain and repressing stress responses to reduce persister cell formation by 21-fold. ELSAs enable simultaneous and stable regulation of many genes for metabolic engineering and synthetic biology applications. Stable multi-gene CRISPR interference using nonrepetitive genetic parts and system design.
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