Abstract Genotype networks are sets of genotypes connected by small mutational changes that share the same phenotype. They facilitate evolutionary innovation by enabling the exploration of different neighborhoods in genotype space. Genotype networks, first suggested by theoretical models, have been empirically confirmed for proteins and RNAs. Comparative studies also support their existence for gene regulatory networks (GRNs), but direct experimental evidence is lacking. Here, we report the construction of three interconnected genotype networks of synthetic GRNs producing three distinct gene expression phenotypes in Escherichia coli . These genotype networks, composed of over twenty different synthetic GRNs, provide robustness in face of mutations while enabling transitions to innovative phenotypes. Through realistic mathematical modeling, we quantify robustness and evolvability for the complete genotype-phenotype map and link these features mechanistically to GRN motifs. Our work thereby exemplifies how GRN evolution along genotype networks might be driving evolutionary innovation.

Phenotypic variation is the phenomenon in which clonal cells display different traits even under identical environmental conditions. This plasticity is thought to be important for processes including bacterial virulence1-8, but direct evidence for its relevance is often lacking. For instance, variation in capsule production in the human pathogen Streptococcus pneumoniae has been linked to different clinical outcomes9-14, but the exact relationship between variation and pathogenesis is not well understood due to complex natural regulation15-20. In this study, we used synthetic oscillatory gene regulatory networks (GRNs) based on CRISPR interference together with live cell microscopy and cell tracking within microfluidics devices to mimic and test the biological function of bacterial phenotypic variation. We provide a universally applicable approach for engineering intricate GRNs using only two components: dCas9 and extended sgRNAs (ext-sgRNAs). Our findings demonstrate that variation in capsule production is beneficial for pneumococcal fitness in traits associated with pathogenesis providing conclusive evidence for this longstanding question.

Gene expression control based on CRISPRi (clustered regularly interspaced short palindromic repeats interference) has emerged as a powerful tool for creating synthetic gene circuits, both in prokaryotes and in eukaryotes; yet, its lack of cooperativity has been pointed out as a potential obstacle for dynamic or multistable circuit construction. Here we use CRISPRi to build prominent synthetic gene circuits in Escherichia coli . We report the first-ever CRISPRi oscillator (“CRISPRlator”), bistable network (toggle switch) and stripe pattern-forming incoherent feed-forward loop (IFFL). Our circuit designs, conceived to feature high predictability and orthogonality, as well as low metabolic burden and context-dependency, allowed us to achieve robust circuit behaviors. Mathematical modeling suggests that unspecific binding in CRISPRi is essential to establish multistability. Our work demonstrates the wide applicability of CRISPRi in synthetic circuits and paves the way for future efforts towards engineering more complex synthetic networks, boosted by the advantages of CRISPR technology.

Synthetic gene circuits emerge from iterative design-build-test cycles. Most commonly, the time-limiting step is the circuit construction process. Here, we present a hierarchical cloning scheme based on the widespread Gibson assembly method and make the set of constructed plasmids freely available. Our two-step modular cloning scheme allows for simple, fast, efficient and accurate assembly of gene circuits and combinatorial circuit libraries in Escherichia coli. The first step involves Gibson assembly of transcriptional units from constituent parts into individual intermediate plasmids. In the second step, these plasmids are digested with specific sets of restriction enzymes. The resulting flanking regions have overlaps that drive a second Gibson assembly into a single plasmid to yield the final circuit. This approach substantially reduces time and sequencing costs associated with gene circuit construction and allows for modular and combinatorial assembly of circuits. We demonstrate the usefulness of our framework by assembling a double-inverter circuit and a combinatorial library of 3-node networks.

ABSTRACT Bacteria use type II secretion systems (T2SS) to secrete to their surface folded proteins that confer diverse functions, from nutrient acquisition to virulence. In the Klebsiella species, T2SS-mediated secretion of pullulanase (PulA) requires assembly of a dynamic filament called pseudopilus. The inner membrane assembly platform (AP) complex is essential for PulA secretion and pseudopilus assembly. The AP components PulL and PulM form an inner membrane complex interacting through their C-terminal globular domains and transmembrane segments. Here we investigated the roles of periplasmic helices and cytoplasmic domains of PulL and PulM in their assembly. We found that PulL and PulM variants lacking periplasmic helices were defective for interactions in the bacterial two-hybrid (BACTH) assay. Their function in PulA secretion and assembly of PulG subunits into pseudopilus filaments were strongly reduced. In addition, deleting the cytoplasmic peptide of PulM in variant PulMΔN nearly abolished interaction with PulG in the BACTH assay, without affecting the interaction with PulL. Nevertheless, PulL was degraded in the presence of the PulMΔN variant, suggesting that PulM N-terminal peptide interacts with PulL in the cytoplasm and plays a stabilizing role. We discuss the implication of these results for the mechanism of T2S and type IV pilus assembly.