The microbial production of fine chemicals provides a promising biosustainable manufacturing solution that has led to the successful production of a growing catalog of natural products and high-value chemicals. However, development at industrial levels has been hindered by the large resource investments required. Here we present an integrated Design-Build-Test-Learn (DBTL) pipeline for the discovery and optimization of biosynthetic pathways, which is designed to be compound agnostic and automated throughout. We initially applied the pipeline for the production of the flavonoid (2S)-pinocembrin in Escherichia coli, to demonstrate rapid iterative DBTL cycling with automation at every stage. In this case, application of two DBTL cycles successfully established a production pathway improved by 500-fold, with competitive titers up to 88 mg L-1. The further application of the pipeline to optimize an alkaloids pathway demonstrates how it could facilitate the rapid optimization of microbial strains for production of any chemical compound of interest.

Abstract Synthetic biology is typified by developing novel genetic constructs from the assembly of reusable synthetic DNA parts, which contain one or more features such as promoters, ribosome binding sites, coding sequences and terminators. While repositories of such parts exist to promote their reuse, there is still a need to design novel parts from scratch. PartsGenie, freely available at http://parts.synbiochem.co.uk , is introduced to facilitate the computational design of such synthetic biology parts. PartsGenie has been designed to bridge the gap between optimisation tools for the design of novel parts, the representation of such parts in community-developed data standards such as Synthetic Biology Open Language (SBOL), and their sharing in journal-recommended data repositories. Consisting of a drag-and-drop web interface, a number of DNA optimisation algorithms, and an interface to the well-used data repository JBEI ICE, PartsGenie facilitates the design, optimisation and dissemination of reusable synthetic biology parts through a single, integrated application. PartsGenie can therefore be used as a single, stand-alone tool, or integrated into larger synthetic biology pipelines that are being developed in the SYNBIOCHEM centre and elsewhere.