Synthetic biology has enabled the development of powerful nucleic acid diagnostic technologies for detecting pathogens and human health biomarkers. Here we expand the reach of synthetic biology-enabled diagnostics by developing a cell-free biosensing platform that uses RNA output sensors activated by ligand induction (ROSALIND) to detect harmful contaminants in aqueous samples. ROSALIND consists of three programmable components: highly-processive RNA polymerases, allosteric transcription factors, and synthetic DNA transcription templates. Together, these components allosterically regulate the in vitro transcription of a fluorescence-activating RNA aptamer: in the absence of a target compound, transcription is blocked, while in its presence a fluorescent signal is produced. We demonstrate that ROSALIND can be configured to detect a range of water contaminants, including antibiotics, toxic small molecules, and metals. Our cell-free biosensing platform, which can be freeze-dried for field deployment, creates a new capability for point-of-use monitoring of molecular species to address growing global crises in water quality and human health.

MarR (multiple antibiotic resistance repressor) family proteins are bacterial repressors that regulate transcription in response to a wide range of chemical signals. Although specific features of MarR family function have been described, the role of atomic motions in MarRs remains unexplored thus limiting insights into the evolution of allostery in this ubiquitous family of repressors. Here, we provide the first experimental evidence that internal dynamics play a crucial functional role in MarR proteins. Streptococcus pneumoniae AdcR (adhesin-competence repressor) regulates ZnII homeostasis and ZnII functions as an allosteric activator of DNA binding. ZnII coordination triggers a transition from independent domains to a more compact structure. We identify residues that impact allosteric activation on the basis of ZnII-induced perturbations of atomic motions over a wide range of timescales. These findings reconcile the distinct allosteric mechanisms proposed for other MarRs and highlight the importance of conformational dynamics in biological regulation.

Cysteine thiol-based transcriptional regulators orchestrate coordinated regulation of redox homeostasis and other cellular processes by sensing or detecting a specific redox-active molecule, which in turn activates the transcription of a specific detoxification pathway. The extent to which these sensors are truly specific in cells for a singular class of reactive small molecule stressors, e.g., reactive oxygen or sulfur species, is largely unknown. Here we report novel structural and mechanistic insights into a thiol-based transcriptional repressor SqrR, that reacts exclusively with organic and inorganic oxidized sulfur species, e.g., persulfides, to yield a unique tetrasulfide bridge that allosterically inhibits DNA operator-promoter binding. Evaluation of five crystallographic structures of SqrR in various derivatized states, coupled with the results of a mass spectrometry-based kinetic profiling strategy, suggests that persulfide selectivity is determined by structural frustration of the disulfide form. This energetic roadblock effectively decreases the reactivity toward major oxidants to kinetically favor the formation of the tetrasulfide product. These findings lead to the identification of an uncharacterized repressor from the increasingly antibiotic-resistant bacterial pathogen, Acinetobacter baumannii, as a persulfide sensor, illustrating the predictive power of this work and potential applications to bacterial infectious disease.

Cell-free systems are powerful synthetic biology technologies because of their ability to recapitulate sensing and gene expression without the complications of living cells. Cell-free systems can perform even more advanced functions when genetic circuits are incorporated as information processing components. Here we expand cell-free biosensing by engineering a highly specific isothermal signal amplification circuit called polymerase strand recycling (PSR) that leverages T7 RNA polymerase off-target transcription to recycle nucleic acid inputs within DNA strand displacement circuits. We develop design rules for PSR circuit components and use these rules to construct modular biosensors that can directly sense different RNA targets with limits of detection in the nM range and high specificity. We then use PSR for signal amplification within allosteric transcription factor-based biosensors for small molecule detection. We use a double equilibrium model of transcription factor:DNA and transcription factor:ligand binding interactions to predict biosensor sensitivity enhancement by PSR, and then demonstrate this approach experimentally by achieving 3.6-4.6-fold decreases in biosensor EC50 to sub micromolar ranges. We believe this work expands the current capabilities of cell-free circuits by incorporating PSR, which we anticipate will have a wide range of uses within biotechnology.

The vertebrate host’s immune system and resident commensal bacteria deploy a range of highly reactive small molecules that provide a barrier against infections by microbial pathogens. Gut pathogens, such as Vibrio cholerae , sense and respond to these stressors by modulating the expression of exotoxins that are crucial for colonization. Here, we employ mass-spectrometry-based profiling, metabolomics, expression assays and biophysical approaches to show that transcriptional activation of the hemolysin gene hlyA in V. cholerae is regulated by intracellular reactive sulfur species (RSS), specifically sulfane sulfur. We first present a comprehensive sequence similarity network analysis of the arsenic repressor (ArsR) superfamily of transcriptional regulators where RSS and reactive oxygen species (ROS) sensors segregate into distinct clusters. We show that HlyU, transcriptional activator of hlyA in V. cholerae , belongs to the RSS-sensing cluster and readily reacts with organic persulfides, showing no reactivity and remaining DNA-bound following treatment with various ROS in vitro, including H 2 O 2 . Surprisingly, in V. cholerae cell cultures, both sulfide and peroxide treatment downregulate HlyU-dependent transcriptional activation of hlyA . However, RSS metabolite profiling shows that both sulfide and peroxide treatment raise the endogenous inorganic sulfide and disulfide levels to a similar extent, accounting for this crosstalk, and confirming that V. cholerae attenuates HlyU-mediated activation of hlyA in a specific response to intracellular RSS. These findings provide new evidence that gut pathogens may harness RSS-sensing as an evolutionary adaptation that allows them to overcome the gut inflammatory response by modulating the expression of exotoxins.

Abstract CstR is a persulfide-sensing member of the functionally diverse copper-sensitive operon repressor (CsoR) superfamily that regulates the bacterial response to hydrogen sulfide (H 2 S) and more oxidized reactive sulfur species (RSS) in Gram-positive pathogens. A cysteine thiol pair on CstR reacts with RSS to form a mixture of interprotomer di-, tri- and tetrasulfide crosslinks, which drives transcriptional derepression of CstR-regulated genes. In some bacteria, notably methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), CstR and CsoR, a Cu(I)-sensor, exhibit no regulatory crosstalk in cells, despite maintaining an identical pair of cysteines. We report a sequence similarity network (SSN) analysis of the entire CsoR superfamily, together with the first crystallographic structure of a CstR protein and mass spectrometry-based kinetic profiling experiments to obtain new insights into the molecular basis of RSS specificity in CstRs. The more N-terminal cysteine is the attacking Cys in CstR and is far more nucleophilic than in a CsoR. This cysteine, C30 in Sp CstR, is separated from the resolving thiol, C59’, by an Asn55’ wedge. Chemical reactivity experiments reveal a striking asymmetry of reactivity, preserved in all CstRs and with all oxidants tested; however, the distribution of crosslinked products varies markedly among CstRs. Substitution of N55 with Ala in Sp CstR significantly impacts the distribution of species, despite adopting the same structure as the parent repressor. We show that CstRs react with hydrogen peroxide, a finding that contrasts sharply with other structurally distinct persulfide sensors from Gram-negative bacteria. This suggests that other factors may enhance the specificity and repressor activity of CstRs in cells.