直交リボソームを動的に配置することで、共発現遺伝子のアンカップリングが容易になります

Dynamic allocation of orthogonal ribosomes facilitates uncoupling of co-expressed genes.

• Alexander P S Darlington
• Juhyun Kim
• José I Jiménez
• Declan G Bates

抄録

微生物への合成回路の導入は、リボソームなどの共有細胞資源を求めて回路遺伝子と宿主遺伝子の間に競争を生じさせる。これは、異なる回路遺伝子の発現の間に不要な結合が出現し、設計プロセスを複雑にし、潜在的に回路の故障につながる可能性があります。本研究では、特異性を変化させた合成16S rRNAを発現させることで、リボソームプールを宿主特異的な活性と回路特異的な活性に分けることができる。遺伝子を異なるリボソームプールにターゲティングすることで、資源競争の影響が緩和されることを数学的・実験的に示した。このような役割分担を利用して、代謝経路を介してフラックスを増加させることができる。本研究では、これらの観察結果を捉えることができる細胞生理学のモデルを開発し、それを用いて動的な資源配分制御装置を設計する。このコントローラを実装すると、合成回路による翻訳資源の需要の増加に応じて、直交リボソームの生産を増加させることで、遺伝子を分離するように作用する。

Introduction of synthetic circuits into microbes creates competition between circuit and host genes for shared cellular resources, such as ribosomes. This can lead to the emergence of unwanted coupling between the expression of different circuit genes, complicating the design process and potentially leading to circuit failure. By expressing a synthetic 16S rRNA with altered specificity, we can partition the ribosome pool into host-specific and circuit-specific activities. We show mathematically and experimentally that the effects of resource competition can be alleviated by targeting genes to different ribosomal pools. This division of labour can be used to increase flux through a metabolic pathway. We develop a model of cell physiology which is able to capture these observations and use it to design a dynamic resource allocation controller. When implemented, this controller acts to decouple genes by increasing orthogonal ribosome production as the demand for translational resources by a synthetic circuit increases.