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The Interrelationship between Promoter Strength, Gene Expression, and Growth Rate

异源的 生物 基因表达 合成生物学 蛋白质表达 异源表达 增长率 发起人 表达式(计算机科学) 基因 计算生物学 基因表达调控 遗传学 重组DNA 计算机科学 数学 程序设计语言 几何学
作者
Matthew S. Bienick,Katherine Young,Justin R. Klesmith,Emily E. Detwiler,Kyle J. Tomek,Timothy A. Whitehead
出处
期刊:PLOS ONE [Public Library of Science]
卷期号:9 (10): e109105-e109105 被引量:77
标识
DOI:10.1371/journal.pone.0109105
摘要

In exponentially growing bacteria, expression of heterologous protein impedes cellular growth rates. Quantitative understanding of the relationship between expression and growth rate will advance our ability to forward engineer bacteria, important for metabolic engineering and synthetic biology applications. Recently, a work described a scaling model based on optimal allocation of ribosomes for protein translation. This model quantitatively predicts a linear relationship between microbial growth rate and heterologous protein expression with no free parameters. With the aim of validating this model, we have rigorously quantified the fitness cost of gene expression by using a library of synthetic constitutive promoters to drive expression of two separate proteins (eGFP and amiE) in E. coli in different strains and growth media. In all cases, we demonstrate that the fitness cost is consistent with the previous findings. We expand upon the previous theory by introducing a simple promoter activity model to quantitatively predict how basal promoter strength relates to growth rate and protein expression. We then estimate the amount of protein expression needed to support high flux through a heterologous metabolic pathway and predict the sizable fitness cost associated with enzyme production. This work has broad implications across applied biological sciences because it allows for prediction of the interplay between promoter strength, protein expression, and the resulting cost to microbial growth rates.

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