Eukaryotic cells execute complex transcriptional programs in which specific loci throughout the genome are regulated in distinct ways by targeted regulatory assemblies. We have applied this principle to generate synthetic CRISPR-based transcriptional programs in yeast and human cells. By extending guide RNAs to include effector protein recruitment sites, we construct modular scaffold RNAs that encode both target locus and regulatory action. Sets of scaffold RNAs can be used to generate synthetic multigene transcriptional programs in which some genes are activated and others are repressed. We apply this approach to flexibly redirect flux through a complex branched metabolic pathway in yeast. Moreover, these programs can be executed by inducing expression of the dCas9 protein, which acts as a single master regulatory control point. CRISPR-associated RNA scaffolds provide a powerful way to construct synthetic gene expression programs for a wide range of applications, including rewiring cell fates or engineering metabolic pathways.

Saccharomyces cerevisiae is an increasingly attractive host for synthetic biology because of its long history in industrial fermentations. However, until recently, most synthetic biology systems have focused on bacteria. While there is a wealth of resources and literature about the biology of yeast, it can be daunting to navigate and extract the tools needed for engineering applications. Here we present a versatile engineering platform for yeast, which contains both a rapid, modular assembly method and a basic set of characterized parts. This platform provides a framework in which to create new designs, as well as data on promoters, terminators, degradation tags, and copy number to inform those designs. Additionally, we describe genome-editing tools for making modifications directly to the yeast chromosomes, which we find preferable to plasmids due to reduced variability in expression. With this toolkit, we strive to simplify the process of engineering yeast by standardizing the physical manipulations and suggesting best practices that together will enable more straightforward translation of materials and data from one group to another. Additionally, by relieving researchers of the burden of technical details, they can focus on higher-level aspects of experimental design.

Standard biological parts, such as BioBricks™ parts, provide the foundation for a new engineering discipline that enables the design and construction of synthetic biological systems with a variety of applications in bioenergy, new materials, therapeutics, and environmental remediation. Although the original BioBricks™ assembly standard has found widespread use, it has several shortcomings that limit its range of potential applications. In particular, the system is not suitable for the construction of protein fusions due to an unfavorable scar sequence that encodes an in-frame stop codon. Here, we present a similar but new composition standard, called BglBricks, that addresses the scar translation issue associated with the original standard. The new system employs BglII and BamHI restriction enzymes, robust cutters with an extensive history of use, and results in a 6-nucleotide scar sequence encoding glycine-serine, an innocuous peptide linker in most protein fusion applications. We demonstrate the utility of the new standard in three distinct applications, including the construction of constitutively active gene expression devices with a wide range of expression profiles, the construction of chimeric, multi-domain protein fusions, and the targeted integration of functional DNA sequences into specific loci of the E. coli genome. The BglBrick standard provides a new, more flexible platform from which to generate standard biological parts and automate DNA assembly. Work on BglBrick assembly reactions, as well as on the development of automation and bioinformatics tools, is currently underway. These tools will provide a foundation from which to transform genetic engineering from a technically intensive art into a purely design-based discipline.

The directed evolution of biomolecules to improve or change their activity is central to many engineering and synthetic biology efforts. However, selecting improved variants from gene libraries in living cells requires plasmid expression systems that suffer from variable copy number effects, or the use of complex marker-dependent chromosomal integration strategies. We developed quantitative gene assembly and DNA library insertion into the Saccharomyces cerevisiae genome by optimizing an efficient single-step and marker-free genome editing system using CRISPR-Cas9. With this Multiplex CRISPR (CRISPRm) system, we selected an improved cellobiose utilization pathway in diploid yeast in a single round of mutagenesis and selection, which increased cellobiose fermentation rates by over 10-fold. Mutations recovered in the best cellodextrin transporters reveal synergy between substrate binding and transporter dynamics, and demonstrate the power of CRISPRm to accelerate selection experiments and discoveries of the molecular determinants that enhance biomolecule function.

Abstract As a field, synthetic biology strives to engineer increasingly complex artificial systems in living cells. Active feedback in closed loop systems offers a dynamic and adaptive way to ensure constant relative activity independent of intrinsic and extrinsic noise. In this work, we design, model, and implement a biomolecular concentration tracker, in which an output protein tracks the concentration of an input protein. Using synthetic scaffolds built from small, modular protein-protein interaction domains to colocalize a two-component system, the circuit design relies on a single negative feedback loop to modulate the production of the output protein. Using a combination of modeling and experimental work, we show that the circuit achieves real-time protein concentration tracking in Escherichia coli and that steady state outputs can be tuned.

Abstract The directed evolution of biomolecules to improve or change their activity is central to many engineering and synthetic biology efforts. However, selecting improved variants from gene libraries in living cells requires plasmid expression systems that suffer from variable copy number effects, or the use of complex marker-dependent chromosomal integration strategies. We developed quantitative gene assembly and DNA library insertion into the Saccharomyces cerevisiae genome by optimizing an efficient single-step and marker-free genome editing system using CRISPR-Cas9. With this Multiplex CRISPR (CRISPRm) system, we selected an improved cellobiose utilization pathway in diploid yeast in a single round of mutagenesis and selection, which increased cellobiose fermentation rates by over ten-fold. Mutations recovered in the best cellodextrin transporters reveal synergy between substrate binding and transporter dynamics, and demonstrate the power of CRISPRm to accelerate selection experiments and discoveries of the molecular determinants that enhance biomolecule function.

Long single-stranded DNA (ssDNA) is a versatile molecular reagent with applications including RNA-guided genome engineering and DNA nanotechnology, yet its production is typically resource-intensive. We introduce a novel method utilizing an engineered

The tetrahydroisoquinoline (THIQ) moiety is a privileged substructure of many bioactive natural products and semi-synthetic analogues. The plant kingdom manufactures more than 3,000 THIQ alkaloids, including the opioids morphine and codeine. While microbial species have been engineered to synthesize a few compounds from the benzylisoquinoline alkaloid (BIA) family of THIQs, low product titers impede industrial viability and limit access to the full chemical space. Here we report a THIQ platform by increasing yeast production of the central BIA intermediate ( S )-reticuline to more than 3 g L-1, a 38,000-fold improvement over our first-generation strain. Gains in BIA output coincided with the formation of several substituted THIQs derived from host amino acid catabolism. Enabled by this activity, we repurposed the yeast Ehrlich pathway and demonstrate the synthesis of an array of unnatural THIQ scaffolds. This work provides a blueprint for synthesizing new privileged structures and will enable the targeted overproduction of thousands of THIQ products, including natural and semi-synthetic opioids.