Heterologous gene expression can be a significant burden for cells. Here we describe an in vivo monitor that tracks changes in the capacity of Escherichia coli in real time and can be used to assay the burden imposed by synthetic constructs and their parts. We identify construct designs with reduced burden that predictably outperformed less efficient designs, despite having equivalent output.

In this CRISPR-based feedback control system, sgRNA expression is triggered by the burden of protein overexpression, and the sgRNA directs repression of the exogenous gene promoter to reduce burdensome expression and restore growth of the cell. Cells use feedback regulation to ensure robust growth despite fluctuating demands for resources and differing environmental conditions. However, the expression of foreign proteins from engineered constructs is an unnatural burden that cells are not adapted for. Here we combined RNA-seq with an in vivo assay to identify the major transcriptional changes that occur in Escherichia coli when inducible synthetic constructs are expressed. We observed that native promoters related to the heat-shock response activated expression rapidly in response to synthetic expression, regardless of the construct. Using these promoters, we built a dCas9-based feedback-regulation system that automatically adjusts the expression of a synthetic construct in response to burden. Cells equipped with this general-use controller maintained their capacity for native gene expression to ensure robust growth and thus outperformed unregulated cells in terms of protein yield in batch production. This engineered feedback is to our knowledge the first example of a universal, burden-based biomolecular control system and is modular, tunable and portable.

Dermal tattoo biosensors are promising platforms for real-time monitoring of biomarkers, with skin used as a diagnostic interface. Traditional tattoo sensors have utilized small molecules as biosensing elements. However, the rise of synthetic biology has enabled the potential employment of engineered bacteria as living analytical tools. Exploiting engineered bacterial sensors will allow for potentially more sensitive detection across a broad biomarker range, with advanced processing and sense/response functionalities using genetic circuits. Here, the interfacing of bacterial biosensors as living analytics in tattoos is shown. Engineered bacteria are encapsulated into micron-scale hydrogel beads prepared through scalable microfluidics. These biosensors can sense both biochemical cues (model biomarkers) and biophysical cues (temperature changes, using RNA thermometers), with fluorescent readouts. By tattooing beads into skin models and confirming sensor activity post-tattooing, our study establishes a foundation for integrating bacteria as living biosensing entities in tattoos.

Synthetic cells containing genetic programs and protein expression machinery are increasingly recognized as powerful counterparts to engineered living cells in the context of biotechnology, therapeutics and cellular modelling. So far, genetic regulation of synthetic cell activity has been largely confined to chemical stimuli; to unlock their potential in applied settings, engineering stimuli-responsive synthetic cells under genetic regulation is imperative. Here we report the development of temperature-sensitive synthetic cells that control protein production by exploiting heat-responsive mRNA elements. This is achieved by combining RNA thermometer technology, cell-free protein expression and vesicle-based synthetic cell design to create cell-sized capsules able to initiate synthesis of both soluble proteins and membrane proteins at defined temperatures. We show that the latter allows for temperature-controlled cargo release phenomena with potential implications for biomedicine. Platforms like the one presented here can pave the way for customizable, genetically programmed synthetic cells under thermal control to be used in biotechnology.

Abstract Resource competition can be the cause of unintended coupling between co-expressed genetic constructs. Here we report quantification of the resource load imposed by different mammalian genetic components and identify construct designs with increased performance and reduced resource footprint. We use these to generate improved synthetic circuits and optimise the co-expression of co-transfected cassettes, shedding light on how this can be useful for bioproduction and biotherapeutic applications. This work provides the scientific community with a framework to take resource demand into consideration when designing mammalian constructs to achieve robust and optimised gene expression.

Abstract Automated and non-invasive mammalian cell analysis is currently lagging behind due to a lack of methods suitable for a variety of cell lines and applications. Here, we report the development of a high throughput non-invasive method for tracking mammalian cell growth and performance based on plate reader measurements. We show the method to be suitable for both suspension and adhesion cell lines, and we demonstrate it can be adopted when cells are grown under different environmental conditions. We establish that the method can inform on effective drug treatment to be used depending on the cell line considered, and that it can support characterisation of engineered mammalian cells over time. This work provides the scientific community with a novel approach to mammalian cell screening, also contributing to the current efforts towards high throughput and automated mammalian cell engineering.

Cells use feedback regulation to ensure robust growth despite fluctuating demands on resources and different environmental conditions. Yet the expression of foreign proteins from engineered constructs is an unnatural burden on resources that cells are not adapted for. Here we combined multiplex RNAseq with an in vivo assay to reveal the major transcriptional changes in two E. coli strains when a set of inducible synthetic constructs are expressed. We identified that native promoters related to the heat-shock response activate expression rapidly in response to synthetic expression, regardless of the construct. Using these promoters, we built a CRISPR/dCas9-based feedback regulation system that automatically adjusts synthetic construct expression in response to burden. Cells equipped with this general-use controller maintain capacity for native gene expression to ensure robust growth and as such outperform unregulated cells at protein yields in batch production. This engineered feedback is the first example of a universal, burden-based biomolecular control system and is modular, tuneable and portable.

Abstract Degradation tags, otherwise known as degrons, are portable sequences that can be used to alter protein stability. Here, we report that degron-tagged proteins compete for cellular degradation resources in engineered mammalian cells leading to coupling of the degradation rates of otherwise independently expressed proteins when constitutively targeted human degrons are adopted. We show the effect of this competition to be dependent on the context of the degrons. By considering different proteins, degron position and cellular hosts, we highlight how the impact of the degron on both degradation strength and resource coupling changes, with identification of orthogonal combinations. By adopting inducible bacterial and plant degrons we also highlight how controlled uncoupling of synthetic construct degradation from the native machinery can be achieved. We then build a genomically integrated capacity monitor tagged with different degrons and confirm resource competition between genomic and transiently expressed DNA constructs. This work expands the characterisation of resource competition in engineered mammalian cells to protein degradation also including integrated systems, providing a framework for the optimisation of heterologous expression systems to advance applications in fundamental and applied biological research.

Synthetic gene circuits perturb the physiology of their cellular host. The extra load on endogenous processes shifts the equilibrium of resource allocation in the host, leading to slow growth and reduced biosynthesis. Here we built integrated host-circuit models to quantify growth defects caused by synthetic gene circuits. Simulations reveal a complex relation between circuit output and cellular capacity for gene expression. For weak induction of heterologous genes, protein output can be increased at the expense of growth defects. Yet for stronger induction, cellular capacity reaches a tipping point, beyond which both gene expression and growth rate drop sharply. Extensive simulations across various growth conditions and large regions of the design space suggest that the critical capacity is a result of ribosomal scarcity. We studied the impact of growth defects on various gene circuits and transcriptional logic gates, which highlights the extent to which cellular burden can limit, shape and even break down circuit function. Our approach offers a comprehensive framework to assess the impact of host-circuit interactions in silico , with wide-ranging implications for the design and optimization of bacterial gene circuits.

Heterologous gene expression can be a significant burden to cells, consuming resources and causing decreased growth and stability. We describe here an in vivo monitor that tracks E. coli capacity changes in real-time and can be used to assay the burden synthetic constructs and their parts impose. By measuring capacity, construct designs with reduced burden can be identified and shown to predictably outperform less efficient designs, despite having equivalent expression outputs.