Light-Dependent Control of Bacterial Expression at the mRNA Level

光遗传学 适体 基因表达 生物 合成生物学 核糖核酸 蓝光 细胞生物学 基因 计算生物学 遗传学 光电子学 神经科学 物理
作者
Américo Tavares Ranzani,Markus Wehrmann,Jennifer Kaiser,Marc Juraschitz,Anna Weber,Georg Pietruschka,Uwe Gerken,Günter Mayer,Andreas Möglich
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (10): 3482-3492 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00365
摘要

Sensory photoreceptors mediate numerous light-dependent adaptations across organisms. In optogenetics, photoreceptors achieve the reversible, non-invasive, and spatiotemporally precise control by light of gene expression and other cellular processes. The light-oxygen-voltage receptor PAL binds to small RNA aptamers with sequence specificity upon blue-light illumination. By embedding the responsive aptamer in the ribosome-binding sequence of genes of interest, their expression can be downregulated by light. We developed the pCrepusculo and pAurora optogenetic systems that are based on PAL and allow to down- and upregulate, respectively, bacterial gene expression using blue light. Both systems are realized as compact, single plasmids that exhibit stringent blue-light responses with low basal activity and up to several 10-fold dynamic range. As PAL exerts light-dependent control at the RNA level, it can be combined with other optogenetic circuits that control transcription initiation. By integrating regulatory mechanisms operating at the DNA and mRNA levels, optogenetic circuits with emergent properties can thus be devised. As a case in point, the pEnumbra setup permits to upregulate gene expression under moderate blue light whereas strong blue light shuts off expression again. Beyond providing novel signal-responsive expression systems for diverse applications in biotechnology and synthetic biology, our work also illustrates how the light-dependent PAL-aptamer interaction can be harnessed for the control and interrogation of RNA-based processes.
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