Abstract The accelerating environmental crisis has intensified the demand for switching from traditional economy to a renewable one with a reduced carbon footprint. Here we reported a hybrid system, coupling chemical process of CO 2 hydrogen reduction and biological process for polyhydroxybutyrate (PHB) synthesis, that utilized CO 2 as a raw material to produce PHB in vitro. The synthetic pathway of PHB was optimized by screening more efficient methanol oxidases, high activity mutants of glycolaldehyde synthase and coordinating enzyme dosages in the pathway, which achieved the carbon yield of 93.6% for producing PHB from methanol. Finally, by combining with the chemical process from CO 2 to methanol, a scaling-up bio-system was performed to convert CO 2 into PHB, yielding 5.8 g/L with the productivity of 1.06 g -1 L -1 h -1 . This approach represents a promising carbon-neutral way to produce biodegradable plastics.

Pluripotent stem cells are defined by both the ability to unlimitedly self-renew and differentiate to any somatic cell lineage, but understanding the mechanisms that control stem cell fitness versus the pluripotent cell identity is challenging. We performed four parallel genome-scale CRISPR-Cas9 screens to investigate the interplay between these two aspects of pluripotency. Our comparative analyses led to the discovery of genes with distinct roles in pluripotency regulation, including many mitochondrial and metabolism regulators crucial for stem cell fitness, and chromatin regulators that control stem cell identity. We further discovered a core set of factors that control both stem cell fitness and pluripotency identity, including an interconnected network of chromatin factors that safeguard pluripotency. Our unbiased and systematic screening and comparative analyses disentangle two interconnected aspects of pluripotency, provide rich datasets for exploring pluripotent cell identity versus self-renewal, and offer a valuable model for categorizing gene function in broad biological contexts.

Abstract Protein engineering for increased thermostability through iterative mutagenesis and high throughput screening is labor-intensive, expensive and inefficient. Here, we developed a deep evolution (DeepEvo) strategy to engineer protein thermostability through global sequence generation and selection using deep learning models. We firstly constructed a thermostability selector based on a protein language model to extract thermostability-related features in high-dimensional latent spaces of protein sequences with high temperature tolerance. Subsequently, we constructed a variant generator based on a generative adversarial network to create protein sequences containing the desirable function with more than 50% accuracy. Finally, the generator and selector were utilized to iteratively improve the performance of DeepEvo on the model protein glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (G3PDH), whereby 8 highly thermostable variants were obtained from only 30 generated sequences, demonstrating the high efficiency of DeepEvo for the engineering of protein thermostability.

Understanding the diverse responses of individual cells to the same perturbation is central to many biological and biomedical problems. Current methods, however, fall short in precisely quantifying the heterogenous perturbation responses and, more importantly, unveiling new biological insights from such heterogeneity. Here we introduce the "Perturbation Score" (PS) method, based on constrained quadratic optimization, to quantify diverse perturbation responses at a single-cell level. Applied to single-cell transcriptomes of large-scale genetic perturbation datasets (e.g., Perturb-seq), PS outperforms existing methods in quantifying partial gene perturbation responses. In addition, PS presents two major advances over existing methods. First, PS enables large-scale, single-cell resolution dosage analysis of perturbation, without the need to titrate perturbation strength. By analyzing the dosage-response patterns of over 2,000 essential genes in Perturb-seq, we identify two distinct patterns, depending on whether a moderate reduction in their expression induces strong downstream expression alterations. Second, PS identifies intrinsic and extrinsic biological determinants for perturbation responses. We demonstrate the application of PS in various contexts like T cell stimulation, latent HIV-1 expression, and pancreatic cell differentiation. Notably, PS unveiled a previously unrecognized, cell-type specific role of CCDC6 (coiled-coil domain containing 6) in guiding liver and pancreatic lineage decisions, where CCDC6 knockouts drives the endoderm cell differentiation towards liver lineage, rather than pancreatic lineage. Collectively, our PS approach provides an innovative methodology to perform dosage-to-function analysis and foster new biological discoveries from single-cell perturbation datasets.

Abstract The canonical glycolysis generates two molecules of acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA) from one glucose through eleven cascade biochemical reactions. Here, we designed and constructed a Minimal Artificial Glycolytic (MAG) pathway consisting of only three types of biochemical reactions, with phosphoketolase as the core, combined with phosphatase and isomerase as auxiliary enzymes. It could theoretically achieve a 100% carbon yield to acetyl-CoA from any monosaccharide by integrating one-carbon condensation reaction. We tested the MAG pathway in vitro and in vivo , demonstrating the catabolism of typical C1-C6 carbohydrates to acetyl-CoA with yields from 82% to 95%. This novel glycolytic pathway provides a promising route for biomanufacturing with stoichiometric productivity from multiple carbon sources in the future.

The mechanisms underlying the ability of embryonic stem cells (ESCs) to rapidly activate lineage-specific genes during differentiation remain largely unknown. Through multiple CRISPR-activation screens, we discovered human ESCs have pre-established transcriptionally competent chromatin regions (CCRs) that support lineage-specific gene expression at levels comparable to differentiated cells. CCRs reside in the same topological domains as their target genes. They lack typical enhancer-associated histone modifications but show enriched occupancy of pluripotent transcription factors, DNA demethylation factors, and histone deacetylases. TET1 and QSER1 protect CCRs from excessive DNA methylation, while HDAC1 family members prevent premature activation. This "push and pull" feature resembles bivalent domains at developmental gene promoters but involves distinct molecular mechanisms. Our study provides new insights into pluripotency regulation and cellular plasticity in development and disease.We report a class of distal regulatory regions distinct from enhancers that confer human embryonic stem cells with the competence to rapidly activate the expression of lineage-specific genes.