Abstract Antibiotics are a key control mechanism for synthetic biology and microbiology. Resistance genes are used to select desired cells and regulate bacterial populations, however their use to-date has been largely static. Precise spatiotemporal control of antibiotic resistance could enable a wide variety of applications that require dynamic control of susceptibility and survival. Here, we use light-inducible Cre recombinase to activate expression of drug resistance genes in Escherichia coli . We demonstrate light-activated resistance to four antibiotics: carbenicillin, kanamycin, chloramphenicol, and tetracycline. Cells exposed to 465 nm blue light survive in the presence of lethal antibiotic concentrations, while those kept in the dark do not. To optimize resistance induction ranges, we characterize the impact of the promoter, ribosome binding site, and enzyme variant strength using chromosome and plasmid-based constructs. Using time-lapse microscopy, we further show resistance activation dynamics. These optogenetic drug resistance tools pave the way for spatiotemporal control of cell survival.

Abstract Molecular tools for optogenetic control allow for spatial and temporal regulation of cell behavior. In particular, light controlled protein degradation is a valuable mechanism of regulation because it can be highly modular, used in tandem with other control mechanisms, and maintain functionality throughout growth phases. Here, we engineered LOVtag, a protein tag that can be appended to a protein of interest for inducible degradation in Escherichia coli using blue light. We demonstrate the modularity of LOVtag by using it to tag a range of proteins, including the LacI repressor, CRISPRa activator, and the AcrB efflux pump. Additionally, we demonstrate the utility of pairing the LOVtag with existing optogenetic tools to enhance performance by developing a combined EL222 and LOVtag system. Finally, we use the LOVtag in a metabolic engineering application to demonstrate post-translational control of metabolism. Together, our results highlight the modularity and functionality of the LOVtag system, and introduce a powerful new tool for bacterial optogenetics.

Optogenetic tools can provide direct and programmable control of gene expression. Light-inducible recombinases, in particular, offer a powerful method for achieving precise spatiotemporal control of DNA modification. However, to-date this technology has been largely limited to eukaryotic systems. Here, we develop optogenetic recombinases for Escherichia coli which activate in response to blue light. Our approach uses a split recombinase coupled with photodimers, where blue light brings the split protein together to form a functional recombinase. We tested both Cre and Flp recombinases, Vivid and Magnet photodimers, and alternative protein split sites in our analysis. The optimal configuration, Opto-Cre-Vvd, exhibits strong blue light-responsive excision and low ambient light sensitivity. For this system we characterize the effect of light intensity and the temporal dynamics of light-induced recombination. These tools expand the microbial optogenetic toolbox, offering the potential for precise control of DNA excision with light-inducible recombinases in bacteria.