Engineering a Bifunctional Phr60-Rap60-Spo0A Quorum-Sensing Molecular Switch for Dynamic Fine-Tuning of Menaquinone-7 Synthesis in Bacillus subtilis

群体感应 枯草芽孢杆菌 合成生物学 发起人 双功能 生物膜 生物 基因表达调控 计算生物学 细胞生物学 基因 化学 生物化学 基因表达 遗传学 细菌 催化作用
作者
Shixiu Cui,Xueqin Lv,Yaokang Wu,Jianghua Li,Guocheng Du,Rodrigo Ledesma‐Amaro,Long Liu
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:8 (8): 1826-1837 被引量:95
标识
DOI:10.1021/acssynbio.9b00140
摘要

Quorum sensing (QS)-based dynamic regulation has been widely used as basic tool for fine-tuning gene expression in response to cell density changes without adding expensive inducers. However, most reported QS systems primarily relied on down-regulation rather than up-regulation of gene expression, significantly limiting its potential as a molecular switch to control metabolic flux. To solve this challenge, we developed a bifunctional and modular Phr60-Rap60-Spo0A QS system, based on two native promoters, PabrB (down-regulation by Spo0A-P) and PspoiiA (up-regulation by Spo0A-P). We constructed a library of promoters with different capacities to implement down-regulation and up-regulation by changing the location, number, and sequences of the binding sites for Spo0A-P. The QS system can dynamically balance the relationship between efficient synthesis of the target product and cell growth. Finally, we validated the usefulness of this strategy by dynamic control of menaquinone-7 (MK-7) synthesis in Bacillus subtilis 168, a model Gram-positive bacterium, with the bifunctional Phr60-Rap60-Spo0A quorum sensing system. Our dynamic pathway regulation led to a 40-fold improvement of MK-7 production from 9 to 360 mg/L in shake flasks and 200 mg/L in 15-L bioreactor. Taken together, our bilayer QS system has been successfully integrated with biocatalytic functions to achieve dynamic pathway regulation in B. subtilis 168, which may be extended for use in other microbes to fine-tune gene expression and improve metabolites production.
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