Synthetic negative feedback circuits using engineered small RNAs.
Synthetic negative feedback circuits using engineered small RNAs.
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DOI：
10.1093/nar/gky828
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发表时间：
2018-10-12
影响因子：
14.9
通讯作者：
Papachristodoulou A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kelly CL;Harris AWK;Steel H;Hancock EJ;Heap JT;Papachristodoulou A
众所周知，负反馈使生物和人造系统在面对不确定性和干扰时能够可靠地运行。到目前为止，合成生物反馈电路主要依靠基于蛋白质的转录调控来控制电路输出。小RNA(SRNAs)是一种非编码的RNA分子，可以抑制靶信使RNAs(MRNAs)的翻译。在这项工作中，我们首次对两个使用合理设计的sRNA的合成负反馈电路进行了建模、构建和验证。第一个电路建立在特征良好的基于TET的自动抑制器的基础上，结合了外部感应的SRNA来调整有效的反馈强度。与自动抑制器本身的S形、陡峭的输入输出响应相比，这允许对电路输出进行更精确的微调。在第二个回路中，输出是一种转录因子，它诱导sRNA的表达，这抑制了编码输出的mRNA的翻译，产生了直接的、闭环的负反馈。对两个电路的噪声分布的分析表明，使用sRNA并没有导致噪声的大幅增加。两个电路的随机模型和确定性模型与实验数据吻合较好。最后，使用拟合的参数进行仿真，可以研究每个电路的动态属性，如响应时间和干扰抑制。
Negative feedback is known to enable biological and man-made systems to perform reliably in the face of uncertainties and disturbances. To date, synthetic biological feedback circuits have primarily relied upon protein-based, transcriptional regulation to control circuit output. Small RNAs (sRNAs) are non-coding RNA molecules that can inhibit translation of target messenger RNAs (mRNAs). In this work, we modelled, built and validated two synthetic negative feedback circuits that use rationally-designed sRNAs for the first time. The first circuit builds upon the well characterised tet-based autorepressor, incorporating an externally-inducible sRNA to tune the effective feedback strength. This allows more precise fine-tuning of the circuit output in contrast to the sigmoidal, steep input–output response of the autorepressor alone. In the second circuit, the output is a transcription factor that induces expression of an sRNA, which inhibits translation of the mRNA encoding the output, creating direct, closed-loop, negative feedback. Analysis of the noise profiles of both circuits showed that the use of sRNAs did not result in large increases in noise. Stochastic and deterministic modelling of both circuits agreed well with experimental data. Finally, simulations using fitted parameters allowed dynamic attributes of each circuit such as response time and disturbance rejection to be investigated.
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