Exploring the Microbial Chassis-Effect: Implications Towards Greater Biodesign

Abstract

As an engineering field, the goal of synthetic biology is to design, build and implement technological solutions that advance human capability. To achieve this, synthetic biologists must be open to exploring new avenues of engineering strategies and move beyond tradition. The host-chassis has historically been an overlooked design variable in the field of synthetic biology. We show in this thesis that host-context can be leveraged as an engineering tool to broaden the functionalities of genetic circuits and optimize them for different functionalities.

Paper I and 2 reveals that the reciprocal influence of host-circuit interactions holds true across species and can even be predicted under standardized conditions. Paper I established that the chassis-effect (the observed differential performance of a genetic device when operating across different host-contexts) can be explained by differences in bacterial physiology among hosts. Transcriptome analysis combined with pangenomic insight in Paper II found differential gene expression of shared core genome (enriched for housekeeping genes) to explain for the chassis-effect. These two explorative studies thereby established a link between gene expression, growth, physiology and device performance on a multi-chassis level.

Paper III showcased the value of exploring the chassis-design space by demonstrating how host-context can be used to optimize and tune the performance profile of a genetic device. Chassis contexts also provide native phenotypes that complements the function of genetic device and enhance performance. The chassis-design space thereby represents a new pragmatic design principal with implications towards more powerful biodesign capabilities.

This thesis argues that the choice of chassis should not only merit more careful consideration, but a wider range of chassis should be explored in a combinatorial manner. The knowledge uncovered here helps progress the field of biodesign to the next generation of broad host-range synthetic biology that adopts possibilities beyond those imposed by traditional model organisms.

<p>Forskningssamfunnet innen syntetiske biologi har gjennom historien preferert modellorganismer som vertsorganisme/chassis på grunn av deres genetiske tilpasningsdyktighet og allerede eksisterende verktøysett. Dette har ført til relativt lavt mangfold i vertsorganismer, noe som representerer en uutnyttet kilde til inspirasjon for utvikling av funksjonelle biologiske systemer. Selv med et økende antall organismer som blir domestisert for bruk til bioteknologiske plattformer, forblir modellorganismer som <i>Escherichia coli, Bacillus subtilis</i> og <i>Saccharomyces cerevisiae</i> de foretrukne vertene. Disse organismene har vist seg uvurderlige i demonstrasjon av konseptbevis, men er ikke nødvendigvis de best mulige vertsorganismene. Flere faktorer avskrekker syntetiske biologer fra å utforske nye chassis-organismer og denne avhandlingen tar for seg to av disse store faktorene. En, er at vår kunnskap om hvordan genetiske kretser oppfører seg på tvers av vertskontekster er begrenset, noe som gjør prediksjoner av atferd gjennom ulike vertsorganismer vanskelig og dermed gjør utforskningen av "chassis-design rommet" en tidkrevende prosess. For det andre, så er den utbredte oppfatningen om at chassiset primært tjener til å gi biologiske ressurser for at den introduserte genetiske kretsen skal fungere, og at justeringer i kretsytelsen effektivt kan gjøres kun gjennom endringer i genetisk kontekst (f.eks. kretsdesign, valg av deler osv.). <p>Artikkel I og II i denne avhandlingen tar for seg den første kunnskapsmangelen og gir innsikt i de biologiske faktorene som ligger til grunn for den mikrobielle "chassis-effekten". Artikkel I avdekker at forskjeller i ytelsen til en genetisk "inverter" enhet var signifikant korrelert med forskjellene i bakteriell fysiologi blant vertsorganismene i studien. Artikkel II er en utvidelse av artikkel I. Artikkel II sporer chassis-effekten på det kvantifiserbare mRNA-transkriptnivået. Hovedfunnene i artikkel II er at chassis-effekten kan tilskrives den differensielle genuttrykksresponsen i delte "core" gener blant nært beslektede <i>Stutzerimonas</i> verter. Resultatene fra disse to studiene avslører at chassis-effekten kan forklares med kvantifiserbare mål for unike vert-krets interaksjoner, og gir dermed grunnleggende innsikt i måter vertsspesifikk ytelse kan forutsies på, med implikasjoner for mer effektiv utforskning av chassis-design rommet. <p>For at syntetisk biologi skal gå utover sitt konseptstadium og bli iverksatt i virkelige applikasjoner, er det av stor interesse å utvide våre ingeniørferdigheter og adoptere så mange ingeniørstrategier som mulig. Artikkel III tar for seg den andre hindrende faktoren. Artikkel III er en demonstrativ studie som utforsker ytelsen til 27 genetiske "toggle-switches" skapt gjennom kombinering av tre vertskontekster og ni RBS-sammensetninger. Artikkel III avdekker at varierende vertskontekst fører til store skift i den samlede ytelsesprofilen, mens justering av RBS fører til mer inkrementelle endringer. Vi finner at dette ingeniørprinsippet kan brukes til å optimalisere den genetiske kretsen mot spesifikke funksjonelle spesifikasjoner, og dermed demonstrere verdien av å utforske chassis-design rommet. <p>Syntetiske biologer anerkjente tidlig i feltets utvikling verdien av å etablere et "verktøysett" med høyt mangfold av genetiske deler å bygge fra, men har vært mye mer konservative i sitt valg av chassis. Valget av chassis påvirker i stor grad ytelsen til genetiske kretser. Denne avhandlingen har som mål å rekonseptualisere det syntetiske biologi-chassiset som en integrert designvariabel som fortjener like mye oppmerksomhet som valget av genetiske deler når man designer genetiske kretser. Disse tre studiene samles for å videreføre syntetisk biologi mot sin neste stadium av "broad-host-range" syntetisk biologi.