ABSTRACT Biological systems assemble tissues and structures with advanced properties in ways that cannot be achieved by man-made materials. Living materials self-assemble under mild conditions, are autonomously patterned, can self-repair and sense and respond to their environment. Inspired by this, the field of engineered living materials (ELMs) aims to use genetically-engineered organisms to generate novel materials. Bacterial cellulose (BC) is a biological material with impressive physical properties and low cost of production that is an attractive substrate for ELMs. Inspired by how plants build materials from tissues with specialist cells we here developed a system for making novel BC-based ELMs by addition of engineered yeast programmed to add functional traits to a cellulose matrix. This is achieved via a synthetic ‘symbiotic culture of bacteria and yeast’ (Syn-SCOBY) approach that uses a stable co-culture of Saccharomyces cerevisiae with BC-producing Komagataeibacter rhaeticus bacetria. Our Syn-SCOBY approach allows inoculation of engineered cells into simple growth media, and under mild conditions materials self-assemble with genetically-programmable functional properties in days. We show that co-cultured yeast can be engineered to secrete enzymes into BC, generating autonomously grown catalytic materials and enabling DNA-encoded modification of BC bulk material properties. We further developed a method for incorporating S. cerevisiae within the growing cellulose matrix, creating living materials that can sense chemical and optical inputs. This enabled growth of living sensor materials that can detect and respond to environmental pollutants, as well as living films that grow images based on projected patterns. This novel and robust Syn-SCOBY system empowers the sustainable production of BC-based ELMs.

Psilocybin is a psychoactive compound with clinical applications produced by dozens of mushroom species. There has been a longstanding interest in psilocybin research with regard to treatment for addiction, depression, and end-of-life suffering. However, until recently very little was known about psilocybin biosynthesis and its ecological role. Here we confirm and refine recent findings about the genes underpinning psilocybin biosynthesis, discover that there is more than one psilocybin biosynthesis cluster in mushrooms, and we provide the first data directly addressing psilocybin's ecological role. By analysing independent genome assemblies for the hallucinogenic mushrooms Psilocybe cyanescens and Pluteus salicinus we recapture the recently discovered psilocybin biosynthesis cluster and show that a transcription factor previously implicated in its regulation is actually not part of the cluster. Further, we show that the mushroom Inocybe corydalina produces psilocybin but does not contain the established biosynthetic cluster, and we present an alternative cluster. Finally, a meta-transcriptome analysis of wild-collected mushrooms provides evidence for intra-mushroom insect gene expression of flies whose larvae grow inside Psilocybe cyanescens. These larvae were successfully reared into adults. Our results show that psilocybin does not confer complete protection against insect mycophagy, and the hypothesis that it is produced as an adaptive defense compound may need to be reconsidered.

Unlike in bacteria, eukaryotes rarely cluster sets of genes in their genomes according to function, instead having most genes spread randomly across different chromosomes and loci. However, with the advent of genome engineering, synthetic co-location of genes that together encode a cell function has now become possible. Here, using Saccharomyces cerevisiae we demonstrate the feasibility of reorganising a set of yeast genes encoding a cell function, tryptophan biosynthesis, into a synthetic genome module by deleting these genes and their regulatory elements from their native genomic loci while in parallel reconstructing them into gene cluster format by synthetic DNA assembly. As part of synthetic module design, loxPsym sequences recognised by Cre recombinase are placed between all module genes, and we leverage these for a novel master regulation system we call dCreSIR. Using dCreSIR we externally control silencing of synthetic modules by targeted binding of chromatin recruiters to loxPsym sites and this leads to inhibition of local transcription. We further show that dCreSIR can go beyond modules and be used to specifically downregulate expression across an entire synthetic yeast chromosome containing loxPsym sites. Together, our work offers insights into yeast genome organisation and establishes new principles and tools for the future design and construction of modular synthetic yeast genomes.

Coordination of behaviour in multicellular systems is one the main ways that nature increases the complexity of biological function in organisms and communities. While Saccharomyces cerevisiae yeast is used extensively in research and biotechnology, it is a unicellular organism capable of only limited multicellular states. Here we expand the possibilities for engineering multicellular behaviours in yeast by developing modular toolkits for two key mechanisms seen in multicellularity, contact-dependent signalling and specific cell-to-cell adhesion. MARS (Mating-peptide Anchored Response System) is a toolkit based on surface-displayed fungal mating peptides and G protein-coupled receptor (GPCR) signalling which can mimic juxtacrine signalling between yeasts. SATURN (Saccharomyces Adhesion Toolkit for multicellUlar patteRNing) surface displays adhesion-proteins pairs on yeasts and facilitates the creation of cell aggregation patterns. Together they can be used to create multicellular logic circuits, equivalent to developmental programs that lead to cell differentiation based on the local population. Using MARS and SATURN, we further developed JUPITER (JUxtacrine sensor for Protein-protein InTERaction), a genetic sensor for assaying protein-protein interactions in culture, demonstrating this as a tool to select for high affinity binders among a population of mutated nanobodies. Collectively, MARS, SATURN, and JUPITER present valuable tools that facilitate the engineering of complex multicellularity with yeast and expand the scope of its biotechnological applications.

G protein-coupled receptor (GPCR) signaling is the primary method eukaryotes use to respond to specific cues in their environment. However, the relationship between stimulus and response for each GPCR is difficult to predict due to diversity in natural signal transduction architecture and expression. Using genome engineering in yeast, we here constructed an insulated, modular GPCR signal transduction system to study how the response to stimuli can be predictably tuned using synthetic tools. We delineated the contributions of a minimal set of key components via computational and experimental refactoring, identifying simple design principles for rationally tuning the dose-response. Using four different receptors, we demonstrate how this enables cells and consortia to be engineered to respond to desired concentrations of peptides, metabolites and hormones relevant to human health. This work enables rational tuning of cell sensing, while providing a framework to guide reprogramming of GPCR-based signaling in more complex systems.