By using a bicistronic design, with a leader peptide that overlaps with and contains the Shine-Dalgarno site for a downstream gene of interest, the authors demonstrate reliable, context-independent gene expression. An inability to reliably predict quantitative behaviors for novel combinations of genetic elements limits the rational engineering of biological systems. We developed an expression cassette architecture for genetic elements controlling transcription and translation initiation in Escherichia coli: transcription elements encode a common mRNA start, and translation elements use an overlapping genetic motif found in many natural systems. We engineered libraries of constitutive and repressor-regulated promoters along with translation initiation elements following these definitions. We measured activity distributions for each library and selected elements that collectively resulted in expression across a 1,000-fold observed dynamic range. We studied all combinations of curated elements, demonstrating that arbitrary genes are reliably expressed to within twofold relative target expression windows with ∼93% reliability. We expect the genetic element definitions validated here can be collectively expanded to create collections of public-domain standard biological parts that support reliable forward engineering of gene expression at genome scales.

The inability to predict heterologous gene expression levels precisely hinders our ability to engineer biological systems. Using well-characterized regulatory elements offers a potential solution only if such elements behave predictably when combined. We synthesized 12,563 combinations of common promoters and ribosome binding sites and simultaneously measured DNA, RNA, and protein levels from the entire library. Using a simple model, we found that RNA and protein expression were within twofold of expected levels 80% and 64% of the time, respectively. The large dataset allowed quantitation of global effects, such as translation rate on mRNA stability and mRNA secondary structure on translation rate. However, the worst 5% of constructs deviated from prediction by 13-fold on average, which could hinder large-scale genetic engineering projects. The ease and scale this of approach indicates that rather than relying on prediction or standardization, we can screen synthetic libraries for desired behavior.

The widespread natural ability of RNA to sense small molecules and regulate genes has become an important tool for synthetic biology in applications as diverse as environmental sensing and metabolic engineering. Previous work in RNA synthetic biology has engineered RNA mechanisms that independently regulate multiple targets and integrate regulatory signals. However, intracellular regulatory networks built with these systems have required proteins to propagate regulatory signals. In this work, we remove this requirement and expand the RNA synthetic biology toolkit by engineering three unique features of the plasmid pT181 antisense-RNA-mediated transcription attenuation mechanism. First, because the antisense RNA mechanism relies on RNA-RNA interactions, we show how the specificity of the natural system can be engineered to create variants that independently regulate multiple targets in the same cell. Second, because the pT181 mechanism controls transcription, we show how independently acting variants can be configured in tandem to integrate regulatory signals and perform genetic logic. Finally, because both the input and output of the attenuator is RNA, we show how these variants can be configured to directly propagate RNA regulatory signals by constructing an RNA-meditated transcriptional cascade. The combination of these three features within a single RNA-based regulatory mechanism has the potential to simplify the design and construction of genetic networks by directly propagating signals as RNA molecules.

Tailocins are bactericidal protein complexes produced by a wide variety of bacteria that kill closely related strains and may play a role in microbial community structure. Thanks to their high specificity, tailocins have been proposed as precision antibacterial agents for therapeutic applications. Compared to tailed phages, with whom they share an evolutionary and morphological relationship, bacterially produced tailocins kill their host upon production but producing strains display resistance to self-intoxication. Though lipopolysaccharide (LPS) has been shown to act as a receptor for tailocins, the breadth of factors involved in tailocin sensitivity, and the mechanisms behind resistance to self-intoxication, remain unclear. Here, we employed genome-wide screens in four non-model pseudomonads to identify mutants with altered fitness in the presence of tailocins produced by closely related pseudomonads. Our mutant screens identified O-antigen composition and display as most important in defining sensitivity to our tailocins. In addition, the screens suggest LPS thinning as a mechanism by which resistant strains can become more sensitive to tailocins. We validate many of these novel findings, and extend these observations of tailocin sensitivity to 130 genome-sequenced pseudomonads. This work offers insights into tailocin-bacteria interactions, informing the potential use of tailocins in microbiome manipulation and antibacterial therapy.

Summary Though bacteriophages (phages) are known to play a crucial role in bacterial fitness and virulence, our knowledge about the genetic basis of their interaction, cross-resistance and host-range is sparse. Here, we employed genome-wide screens in Salmonella enterica serovar Typhimurium to discover host determinants involved in resistance to eleven diverse lytic phages including 4 new phages isolated from a therapeutic phage cocktail. We uncovered 301 diverse host factors essential in phage infection, many of which are shared between multiple phages demonstrating potential cross-resistance mechanisms. We validate many of these novel findings and uncover the intricate interplay between RpoS, the virulence-associated general stress response sigma factor and RpoN, the nitrogen starvation sigma factor in phage cross-resistance. Finally, the infectivity pattern of eleven phages across a panel of 23 genome sequenced Salmonella strains indicates that additional constraints and interactions beyond the host factors uncovered here define the phage host range.

Abstract Tailocins are bactericidal protein complexes produced by a wide variety of bacteria to compete against closely related strains. Like tailed bacteriophages, with whom they share an evolutionary and morphological relationship, tailocins bind and kill a narrow spectrum of target cells. Thanks to their high specificity, tailocins have garnered recent attention for their potential as precision antibacterial agents. Nevertheless, the field currently lacks a systematic investigation of genetic determinants of tailocin sensitivity. Here, we employed barcoded transposon-insertion mutant libraries and comparative genomics to assess genetic contributions to tailocin sensitivity in pseudomonads. Our mutant screens identified O-specific antigen (OSA) composition and display as most important in defining sensitivity to our tailocins. Additionally, the screens suggest lipopolysaccharide (LPS) thinning as a mechanism by which resistant strains can become more sensitive to tailocins. Our comparative genomics analyses show a loose relationship between OSA biosynthetic genes and tailocin sensitivity, as well as sensitivity nuances that require further investigation. Overall, our data reinforces the model that LPS molecules can act as either a receptor for, or shield against, tailocin binding and killing. This work offers insight into the specificity of tailocins and tailocin-mediated competition, informing the potential use of tailocins in microbiome manipulation and antibacterial therapy.

Abstract In contrast to dsDNA phages where multiple proteins are involved in programmed host lysis, lysis in ssRNA Fiersviridae and ssDNA Microviridae phages requires only a single gene ( sgl for s ingle g ene l ysis ) to meet the size constraints of some of the smallest genomes in the biosphere. To achieve lysis, Sgl proteins exploit evolutionary “weak spots” in bacterial cell wall biogenesis. In several cases, this is done by inhibiting specific steps in Lipid II synthesis. Recently metatranscriptomics has revealed thousands of novel ssRNA phage genomes, each of which must carry at least one sgl gene. Determining the targets of these Sgl proteins could reveal novel vulnerabilities in bacterial envelope biogenesis and may lead to new antibiotics. Here, we employ a high-throughput genetic screen to uncover genome-wide host suppressors of Sgl activity and apply it to a set of diverse Sgls with unknown molecular targets. In addition to validating known molecular mechanisms, we determined that the Sgl of PP7, an ssRNA phage of P. aeruginosa , targets MurJ, the flippase responsible for Lipid II export which was previously shown to be the target of the Sgl of coliphage M. These two Sgls, which are unrelated and predicted to have opposite membrane topology, thus represent a case of convergent evolution. Another set of Sgls which are thought to cause lysis without inhibiting cell wall synthesis elicit a common set of multicopy suppressors, suggesting these Sgls act by the same or similar mechanism.

Abstract Lytic phages can be potent and selective inhibitors of microbial growth and can have profound impacts on microbiome composition and function. However, there is uncertainty about the biogeochemical conditions under which phage predation can proceed and modulate microbial ecosystem function, particularly in terrestrial systems. Ionic strength is known to be critical for infection of bacteria by many phages, but there is limited quantitative data on ion thresholds for phage infection that can be compared with environmental ion concentrations. Similarly, while carbon composition varies in terrestrial environments, we know little of which carbon sources favor or disfavor phage infection and how these higher order interactions impact microbiome function. Here, we measured the half-maximal effective concentrations (EC 50 ) of 80 different inorganic ions for the infection of E. coli with two canonical dsDNA and ssRNA phages, T4 and MS2, respectively. We found that many alkaline earth metals and alkali metals enabled successful lytic infection but that the ionic strength thresholds varied for different ions between phages. Additionally, using a freshwater nitrate reducing microbiome, we found that the ability of lytic phage to influence nitrate reduction end-products was dependent on the carbon source as well as the ion concentration. For all phage:host pairs we tested, the ion EC 50 s for phage infection we measured exceed the ion concentrations found in many terrestrial freshwater systems. Thus, our findings support a model where the influence of phages on terrestrial microbial functional ecology is greatest in hot spots and hot moments such as metazoan guts, drought influenced soils, or biofilms where ion concentration is locally or transiently elevated and carbon source composition is of a sufficiently low complexity to enrich for a dominant phage susceptible population. Significance Viral-prokaryote dynamics greatly influence microbial ecology and the earth’s biogeochemical cycles. Thus, identifying the key environmental controls on phage predation is critical for predictive microbial ecology. Here we conduct laboratory experiments that implicate ionic strength and carbon composition as major controls on phage interactions with bacterial hosts in terrestrial microbiomes. We propose a model in which terrestrial phage predation is most favored in drought impacted soils and in higher ionic strength environments such as metazoan guts or between adjacent cells in biofilms.

A major challenge in genomics is the knowledge gap between sequence and its encoded function. Gain-of-function methods based on gene overexpression are attractive avenues for phenotype-based functional screens, but are not easily applied in high-throughput across many experimental conditions. Here, we present Dual Barcoded Shotgun Expression Library Sequencing (Dub-seq), a method that greatly increases the throughput of genome-wide overexpression assays. In Dub-seq, a shotgun expression library is cloned between dual random DNA barcodes and the precise breakpoints of DNA fragments are associated to the barcode sequences prior to performing assays. To assess the fitness of individual strains carrying these plasmids, we use DNA barcode sequencing (BarSeq), which is amenable to large-scale sample multiplexing. As a demonstration of this approach, we constructed a Dub-seq library with total Escherichia coli genomic DNA, performed 155 genome-wide fitness assays in 52 experimental conditions, and identified 813 genes with high-confidence overexpression phenotypes across 4,151 genes assayed. We show that Dub-seq data is reproducible, accurately recapitulates known biology, and identifies hundreds of novel gain-of-function phenotypes for E. coli genes, a subset of which we verified with assays of individual strains. Dub-seq provides complementary information to loss-of-function approaches such as transposon site sequencing or CRISPRi and will facilitate rapid and systematic functional characterization of microbial genomes.

Abstract CRISPR-Cas13 proteins are RNA-guided RNA nucleases that defend against invasive phages through general, non-specific RNA degradation upon complementary target transcript binding. Despite being RNA nucleases, Cas13 effectors are capable of inhibiting the infection of dsDNA phages but have only been investigated across a relatively small sampling of phage diversity. Here, we employ a systematic, phage-centric approach to determine the anti-phage capacity of Cas13 and find LbuCas13a to be a remarkably potent phage inhibitor. LbuCas13a confers robust, consistent antiviral activity regardless of gene essentiality, gene expression timing or target sequence location. Furthermore, after challenging LbuCas13a with eight diverse E. coli phages distributed across E. coli phage phylogenetic groups, we find no apparent phage-encoded limits to its potent antiviral activity. In contrast to other Class 2 CRISPR-Cas proteins, these results suggest that DNA phages are generally vulnerable to Cas13a targeting. Leveraging this effective anti-phage activity, LbuCas13a can be used seamlessly as a counter-selection agent for broad-spectrum phage editing. Using a two-step phage editing and enrichment approach, we show that LbuCas13a enables markerless genome edits in phages with exceptionally high efficiency and precision, including edits as small as a single codon. By taking advantage of the broad vulnerability of RNA during viral infection, Cas13a enables a generalizable strategy for editing the most abundant and diverse biological entities on Earth.