A variety of techniques for strain engineering in Saccharomyces cerevisiae have recently been developed. However, especially when multiple genetic manipulations are required, strain construction is still a time-consuming process. This study describes new CRISPR/Cas9-based approaches for easy, fast strain construction in yeast and explores their potential for simultaneous introduction of multiple genetic modifications. An open-source tool (http://yeastriction.tnw.tudelft.nl) is presented for identification of suitable Cas9 target sites in S. cerevisiae strains. A transformation strategy, using in vivo assembly of a guideRNA plasmid and subsequent genetic modification, was successfully implemented with high accuracies. An alternative strategy, using in vitro assembled plasmids containing two gRNAs, was used to simultaneously introduce up to six genetic modifications in a single transformation step with high efficiencies. Where previous studies mainly focused on the use of CRISPR/Cas9 for gene inactivation, we demonstrate the versatility of CRISPR/Cas9-based engineering of yeast by achieving simultaneous integration of a multigene construct combined with gene deletion and the simultaneous introduction of two single-nucleotide mutations at different loci. Sets of standardized plasmids, as well as the web-based Yeastriction target-sequence identifier and primer-design tool, are made available to the yeast research community to facilitate fast, standardized and efficient application of the CRISPR/Cas9 system.

Saccharomyces cerevisiae CEN.PK 113-7D is widely used for metabolic engineering and systems biology research in industry and academia. We sequenced, assembled, annotated and analyzed its genome. Single-nucleotide variations (SNV), insertions/deletions (indels) and differences in genome organization compared to the reference strain S. cerevisiae S288C were analyzed. In addition to a few large deletions and duplications, nearly 3000 indels were identified in the CEN.PK113-7D genome relative to S288C. These differences were overrepresented in genes whose functions are related to transcriptional regulation and chromatin remodelling. Some of these variations were caused by unstable tandem repeats, suggesting an innate evolvability of the corresponding genes. Besides a previously characterized mutation in adenylate cyclase, the CEN.PK113-7D genome sequence revealed a significant enrichment of non-synonymous mutations in genes encoding for components of the cAMP signalling pathway. Some phenotypic characteristics of the CEN.PK113-7D strains were explained by the presence of additional specific metabolic genes relative to S288C. In particular, the presence of the BIO1 and BIO6 genes correlated with a biotin prototrophy of CEN.PK113-7D. Furthermore, the copy number, chromosomal location and sequences of the MAL loci were resolved. The assembled sequence reveals that CEN.PK113-7D has a mosaic genome that combines characteristics of laboratory strains and wild-industrial strains.

When conditions change, unicellular organisms rewire their metabolism to sustain cell maintenance and cellular growth. Such rewiring may be understood as resource re-allocation under cellular constraints. Eukaryal cells contain metabolically active organelles such as mitochondria, competing for cytosolic space and resources, and the nature of the relevant cellular constraints remain to be determined for such cells. Here we developed a comprehensive metabolic model of the yeast cell, based on its full metabolic reaction network extended with protein synthesis and degradation reactions (16304 reactions in total). The model predicts metabolic fluxes and corresponding protein expression by constraining compartment-specific protein pools and maximising growth rate. Comparing model predictions with quantitative experimental data revealed that under glucose limitation, a mitochondrial constraint limits growth at the onset of ethanol formation - known as the Crabtree effect. Under sugar excess, however, a constraint on total cytosolic volume dictates overflow metabolism. Our comprehensive model thus identifies condition-dependent and compartment-specific constraints that can explain metabolic strategies and protein expression profiles from growth rate optimization, providing a framework to understand metabolic adaptation in eukaryal cells.

Abstract Saccharomyces cerevisiae , whose evolutionary past includes a whole-genome duplication event, is characterised by a mosaic genome configuration with substantial apparent genetic redundancy. This apparent redundancy raises questions about the evolutionary driving force for genomic fixation of ‘minor’ paralogs and complicates modular and combinatorial metabolic engineering strategies. While isoenzymes might be important in specific environments, they could be dispensable in controlled laboratory or industrial contexts. The present study explores the extent to which the genetic complexity of the central carbon metabolism (CCM) in S. cerevisiae , here defined as the combination of glycolysis, pentose phosphate pathway, tricarboxylic acid cycle and a limited number of related pathways and reactions, can be reduced by elimination of (iso)enzymes without major negative impacts on strain physiology. Cas9-mediated, groupwise deletion of 35 from the 111 genes yielded a ‘minimal CCM’ strain, which despite the elimination of 32 % of CCM-related proteins, showed only a minimal change in phenotype on glucose-containing synthetic medium in controlled bioreactor cultures relative to a congenic reference strain. Analysis under a wide range of other growth and stress conditions revealed remarkably few phenotypic changes of the reduction of genetic complexity. Still, a well-documented context-dependent role of GPD1 in osmotolerance was confirmed. The minimal CCM strain provides a model system for further research into genetic redundancy of yeast genes and a platform for strategies aimed at large-scale, combinatorial remodelling of yeast CCM.

ABSTRACT The importance of obtaining comprehensive and accurate information from cellular proteomics experiments asks for a systematic investigation of sample preparation protocols, particularly when working with unicellular organisms with strong cell walls, such as found in the model organism and cell factory S. cerevisiae . Sample preparation protocols may bias towards specific protein fractions or challenge the analysis of native protein modifications due to reagent-induced artefacts. Here, we performed a systematic comparison of sample preparation protocols using a matrix of different conditions commonly applied in whole cell lysate proteomics. The different protocols were evaluated for their overall fraction of identified spectra, proteome and amino acid sequence coverage, GO-term distribution and number of peptide modifications, by employing a combination of database and unrestricted modification search approaches. The best proteome and amino acid sequence coverage was achieved by using Urea combined with filter-aided or in-solution digestion protocols, where the overall outcomes were strongly influenced by the employed quenching procedure. Most importantly, the use of moderate incubation temperatures and times, circumvented excessive formation of modification artefacts. Extensive reagent-induced peptide modifications, however, were observed when using solvents such as acetone or additives such as formic acid. Moreover, several filter material-related modifications were observed when employing the filter-aided procedures. Ultimately, the best protocols enabled the identification of approximately 65–70% of all acquired fragmentation spectra, where additional de novo sequencing suggests that unidentified spectra were largely of too low spectral quality to provide confident spectrum matches. This study demonstrates the large impact of different sample preparation procedures on the proteomic analysis outcome, where the collected protocols and large sets of associated mass spectrometric raw data provide a resource to evaluate and design new protocols and guide the analysis of (native) peptide modifications in the model eukaryote yeast.

Abstract The construction of powerful cell factories requires intensive genetic engineering for the addition of new functionalities and the remodeling of native pathways and processes. The present study demonstrates the feasibility of extensive genome reprogramming using modular, specialized de novo -assembled neochromosomes in yeast. The in vivo assembly of linear and circular neochromosomes, carrying 20 native and 21 heterologous genes, enabled the first de novo production in a microbial cell factory of anthocyanins, plant compounds with a broad range pharmacological properties. Turned into exclusive expression platforms for heterologous and essential metabolic routes, the neochromosomes mimic native chromosomes regarding mitotic and genetic stability, copy number, harmlessness for the host and editability by CRISPR/Cas9. This study paves the way for future microbial cell factories with modular genomes in which core metabolic networks, localized on satellite, specialized neochromosomes can be swapped for alternative configurations and serve as landing pads for the addition of functionalities.

Abstract Even for the genetically accessible yeast Saccharomyces cerevisiae , the CRISPR/Cas DNA editing technology has strongly accelerated and facilitated strain construction. Several methods have been validated for fast and highly efficient single editing events and diverse approaches for multiplex genome editing have been described in literature by means of Cas9 or Cas12a endonucleases and their associated gRNAs. The gRNAs used to guide the Cas endonuclease to the editing site are typically expressed from plasmids using native PolII or PolIII RNA polymerases. These gRNA-expression plasmids require laborious, time-consuming cloning steps, which hampers their implementation for academic and applied purposes. In this study, we explore the potential of expressing gRNA from linear DNA fragments using the T7 RNA polymerase (T7RNAP) for single and multiplex genome editing in S. cerevisiae . Using Cas12a, this work demonstrates that transforming short, linear DNA fragments encoding gRNAs in yeast strains expressing T7RNAP promotes highly efficient single DNA editing. These DNA fragments can be custom-ordered, which makes this approach highly suitable for high-throughput strain construction. This work expands the CRISPR-toolbox for large-scale strain construction programs in S. cerevisiae and promises to be relevant for other, less genetically accessible yeast species.

Summary While transplantation of single genes in yeast plays a key role in elucidating gene functionality in metazoans, technical challenges hamper the humanization of full pathways and processes. Empowered by advances in synthetic biology, this study demonstrates the feasibility and implementation of full humanization of glycolysis in yeast. Single gene and full pathway transplantation revealed the remarkable conservation of both glycolytic and moonlighting functions and, combined with evolutionary strategies, brought to light novel, context-dependent responses. Remarkably, human hexokinase 1 and 2, but not 4, required mutations in their catalytic or allosteric sites for functionality in yeast, while hexokinase 3 was unable to complement its yeast ortholog. Comparison with human tissues cultures showed the preservation of turnover numbers of human glycolytic enzymes in yeast and human cell cultures. This demonstration of transplantation of an entire, essential pathway paves the way to the establishment of species, tissue and disease-specific metazoan models. One Sentence Summary This work demonstrates the successful humanization of an entire pathway in Saccharomyces cerevisiae and establishes an attractive strategy to study (human) glycolysis architecture and regulation. Highlights The successful humanization of the entire glycolytic pathway in yeast offers new microbial models for both fundamental and applied studies. Both glycolytic and moonlighting functions and turnover numbers of glycolytic enzymes are highly conserved between yeast and human. Functionality of human hexokinases 1 and 2 in yeast requires mutations in the catalytic or allosteric binding sites. Combination of single gene and full transplantation with laboratory evolution reveals context-dependent activity and evolution of glycolytic enzymes.

ABSTRACT The yeast Saccharomyces cerevisiae is a widely used eukaryotic model organism and a promising cell factory for industry. However, despite decades of research, the regulation of its metabolism is not yet fully understood, and its complexity represents a major challenge for engineering and optimising biosynthetic routes. Recent studies have demonstrated the potential of resource and proteomic allocation data in enhancing models for metabolic processes. However, comprehensive and accurate proteome dynamics data that can be used for such approaches are still very limited. Therefore, we performed a quantitative proteome dynamics study to comprehensively cover the transition from exponential to stationary phase for both aerobically and anaerobically grown yeast cells. The combination of highly controlled reactor experiments, biological replicates and standardised sample preparation procedures ensured reproducibility and accuracy. Additionally, we selected the CEN.PK lineage for our experiments because of its relevance for both fundamental and applied research. Together with the prototrophic, standard haploid strain CEN.PK113-7D, we also investigated an engineered strain with genetic minimisation of the glycolytic pathway, resulting in the quantitative assessment of over 1700 proteins across 54 proteomes. These proteins account for nearly 40% of the overall yeast proteome and approximately 99% of the total protein biomass. The anaerobic cultures showed remarkably less proteome-level changes compared to the aerobic cultures, during transition from the exponential to the stationary phase as a consequence of the lack of the diauxic shift in the absence of oxygen. These results support the notion that anaerobically growing cells lack time and resources to adapt to changes in the environment. This proteome dynamics study constitutes an important step towards better understanding of the impact of glucose exhaustion and oxygen on the complex proteome allocation process in yeast. Finally, the established proteome dynamics data provide a valuable resource for the development of resource allocation models as well as for metabolic engineering efforts.

Abstract Mitochondria fulfil many essential roles and have their own genome, which is expressed as polycistronic transcripts that undergo co- or post-transcriptional processing and splicing. Due to inherent complexity and limited technical accessibility of the mitochondrial transcriptome, fundamental questions regarding mitochondrial gene expression and splicing remain unresolved, even in the model eukaryote Saccharomyces cerevisiae . Long-read sequencing could address these fundamental questions. Therefore, a method for enrichment of mitochondrial RNA and sequencing using Nanopore technology was developed, enabling the resolution of splicing of polycistronic genes and the quantification the spliced RNA. This method successfully captured the full mitochondrial transcriptome and resolved RNA splicing patterns with single-base resolution, and was applied to explore the transcriptome of S. cerevisiae grown with glucose or ethanol as sole carbon source, revealing the impact of growth conditions on mitochondrial RNA-expression and splicing. This study uncovered a remarkable difference in turn-over of group II introns between yeast grown in mostly fermentative and fully respiratory conditions. Whether this accumulation of introns in glucose medium has an impact on mitochondrial functions remains to be explored. Combined with the high tractability of the model yeast S. cerevisiae , the developed method enables to explore mitochondrial transcriptome regulation and processing in a broad range of conditions relevant in human context, including aging, apoptosis and mitochondrial diseases.