Synchronous long-term oscillations in a synthetic gene circuit

Abstract

Synthetically engineered genetic circuits can perform a wide range of tasks but generally with lower accuracy than natural systems. Here we revisited the first synthetic genetic oscillator, the repressilator1, and modified it based on principles from stochastic chemistry in single cells. Specifically, we sought to reduce error propagation and information losses, not by adding control loops, but by simply removing existing features. This created highly regular and robust oscillations. Some streamlined circuits kept 14 generation periods over a range of growth conditions and kept phase for hundreds of generations in single cells, allowing cells in flasks and colonies to oscillate synchronously without any coupling between them. Our results show that even the simplest synthetic genetic networks can achieve a precision that rivals natural systems, and emphasize the importance of noise analyses for circuit design in synthetic biology.

Using synthetic biology to explore principles of development

“…Some of these have been particularly useful in highlighting features that can make great differences to the precision of systems, some of which might be counter-intuitive. An example identified by Potvin-Trottier et al (2016) and reviewed by Gao and Elowitz (2016) is the noise inherent in very high-affinity transcriptional repressor systems. The TetR protein has a high affinity for its operator site and, as cellular concentrations of TetR fall, re-expression of genes from operator sites happens when the concentration of TetR protein has dropped to about five protein molecules per cell.…”

Repressilator with time-delayed gene expression. Part I. Deterministic description

“…Схема регуляторной цепи репрессилятора [Elowitz, Leibler, 2000] с учетом важных моди-фикаций, предложенных в работе [Potvin-Trottier et al, 2016], представлена на рис. 1.…”

“…В исходной версии ре-прессилятора 2000 года ген gfp-aav, кодирующий GFP, был размещен на отдельной плазмиде. Как было продемонстрировано недавно [Potvin-Trottier et al, 2016], это приводит к возникно-вению сильных флуктуаций в работе репрессилятора из-за удаленной регуляции. Поэтому в новой версии ген, кодирующий сигнальный белок, был перенесен на ту же самую плазмиду, где располагаются основные игроки репрессилятора (второй цистрон).…”

“…Значительная литература по-священа изучению колебаний. Были предложены и реализованы экспериментально альтерна-тивные, более сложные по сравнению с репрессилятором, схемы осцилляторов [Fung et al, 2005;Stricker et al, 2008;Tigges et al, 2009]; показано, что точность молекулярных часов ре-прессилятора может быть существенно улучшена за счет простых усовершенствований схемы [Potvin-Trottier et al, 2016]; указаны новые эффекты при численном моделировании модели репрессилятора [Лихошвай и др., 2010]; исходная модель репрессилятора была усложнена до-полнительными связями в контуре и численно изучена [Волков, Журов, 2013], исследованы ансамбли взаимодействующих репрессиляторов [Ullner et al, 2007;Потапов, Волков, 2010], обнаружены пространственные волны активности в клеточных ансамблях [Danino et al, 2010]. Последняя работа интересна также тем, что колебания были заданы путем искусственного вне-сения запаздывания в синтетическую цепь, разработанную авторами.…”

Control of synthetic gene networks and its applications

“…In a physical sense, this entails proper selection of internal and external factors which influence network behavior. Internal factors function as a closed feedback control loop within the cell and include the selection of cell type, GRN topology and motifs, and specific components comprising the GRN: promoters driving individual gene's expression [8,27], transcription factors modulating expression of downstream genes [16,18], localization signals or synthetic protein domains affecting protein interactions [23,28,29], etc. Once put into the cell, many of these components do not leave researchers with a direct means of interaction.…”