[EN] Plant viruses are obligate intracellular parasites which were used to develop recombinant plant virus vectors to express heterologous proteins and to modify endogenous metabolic pathways of natural products in plants. The main limitation of many plant virus-based systems is the difficulty to co-express various heterologous proteins in the same cell with proper subcellular localization, which is a crucial question in metabolic engineering. This work provides a solution to overcome this problem by using a potyvirus-based vector system. Potyviruses (genus Potyvirus, family Potyviridae) are plus-strand single-stranded RNA viruses, which have a genome expression strategy that allows the equimolar production of most viral proteins. On the basis of an infectious clone of Tobacco etch virus (TEV), Bedoya et al. (2010) developed an expression system in which the RNA-dependent RNA polymerase (NIb) gene was replaced by an expression cassette, harboring several heterologous proteins. This viral vector was able to express three fluorescent proteins with nucleocytoplasmic localization in equimolar amounts in transgenic tobacco plants in which NIb was supplemented in trans. Despite of the apparent simplicity of potyvirus genome expression strategy, foreign cDNA insertion is a complicated task. Thus, our first goal was to analyze the effect of gene insertion on TEV genome stability. As a result of this work, a novel insertion position was discovered at the amino-terminal end of the potyvirus polyprotein, which opened the possibility to explore new questions of recombinant protein expression. Since metabolic pathways are highly compartmentalized, proper subcellular targeting of enzymes is an essential task. Thus, our second objective centralized on the subcellular targeting of expressed proteins from the TEV-based viral vector. cDNAs coding for the green fluorescent protein (GFP) fused to chloroplast, nucleus and mitochondria targeting signal sequences were inserted into the newly described amino-terminal insertion position or into an internal site, replacing the NIb cistron. Our results showed that for protein delivery to chloroplasts and mitochondria, foreign genes have to be inserted at the amino-terminal site of the viral vector, but for nuclear delivery, both insertion positions are suitable. The last objective of this work was to investigate whether the potyvirus-based vector was able to express an entire heterologous multistep biosynthetic pathway in plant cells. For this aim we purposed to produce lycopene, a plant pigment with health promoting properties. To do so, we inserted cDNAs coding for the enzymes of a three-step metabolic pathway of bacterial origin into the potyvirus-based vector. Infected tobacco plants developed orange symptoms indicating lycopene accumulation, which was confirmed by high-performance liquid chromatography analysis and microscopy observations. Our results also illustrated that the sole expression of Pantoea ananatis phytoene synthase, crtB, is enough to induce carotenoid accumulation, conferring yellow coloration to the infected tissue and serves as reporter system to visually track viral infection in several plant species. / [ES] Los virus de plantas son parásitos intracelulares obligados que han sido utilizados para desarrollar vectores virales y expresar proteínas heterólogas y modificar rutas metabólicas endógenas de productos naturales. La principal limitación de muchos sistemas basados en virus de plantas es la dificultad de coexpresar diversas proteínas heterólogas en la misma célula con la localización subcelular apropiada, lo cual es una cuestión crucial en ingeniería metabólica. Este trabajo presenta una solución para superar este problema mediante el uso de un vector viral basado en un potyvirus. Los potyvirus (género Potyvirus, familia Potyviridae) son virus de RNA de cadena positiva simple que tienen una estrategia de expresión génica que permite la producción de la mayoría de las proteínas virales en cantidades equimolares. Basado en un clon infeccioso del virus del grabado del tabaco (Tobacco etch virus, TEV) Bedoya et al. (2010) desarrollaron un sistema de expresión en el que el gen de la RNA polimerasa dependiente de RNA (NIb) fue sustituido por un casete de expresión, que albergaba varias proteínas heterólogas. Este vector viral fue capaz de expresar tres proteínas fluorescentes con localización nucleocitoplásmica en cantidades equimolares en plantas de tabaco transgénicas que complementaban el cistron NIb en trans. A pesar de la aparente simplicidad de la estrategia de expresión génica de los potyvirus, la inserción de un cDNA foráneo es una tarea complicada. Por lo tanto, nuestro primer objetivo fue analizar el efecto de la inserción en la estabilidad del genoma de TEV. Como resultado de este trabajo, descubrimos una nueva posición de inserción en el extremo amino-terminal de la poliproteína viral que nos permitió explorar otras cuestiones sobre la expresión de proteínas recombinantes. Dado que las vías metabólicas son muy compartimentalizadas, la adecuada localización subcelular de enzimas es una tarea esencial en ingeniería metabólica. Por eso, nuestro segundo objetivo se centró en la distribución de las proteínas heterológas expresadas con el vector viral a diferentes orgánulos subcelulares. cDNAs que codificaban la proteína fluorescente verde (green fluorescent protein, GFP) fusionada a péptidos señal se insertaron en la nueva posición amino-terminal y en un sitio interno, sustituyendo el cistrón NIb, para enviarla al cloroplasto, núcleo y a la mitocondria. Nuestros resultados mostraron que para la distribución de proteínas al cloroplasto y mitocondria, los genes foráneos deben ser insertados en el sitio amino-terminal del vector viral, pero para la distribución nuclear, ambas posiciones son adecuadas. El último objetivo de este trabajo fue estudiar si el vector viral basado en potyvirus es capaz de expresar una ruta biosíntética de múltiples pasos en células vegetales. Para ello nos propusimos producir licopeno, un pigmento vegetal con propiedades beneficiosas para la salud humana. Para ello, insertamos un cDNA que codificaba las enzimas de una ruta metabólica de tres pasos de origen bacteriano en el vector viral. Las plantas de tabaco infectadas con el vector viral desarrollaron síntomas de color naranja indicando la acumulación de licopeno, que fue confirmado por análisis de cromatografía líquida de alta eficacia y observaciones de microscopía. Nuestros resultados también ilustraron que la sola expresión de la fitoeno sintasa de Pantonea ananatis, crtB, es suficiente para inducir la acumulación de carotenoides que confieren una coloración amarilla al tejido infectado y sirve como sistema reportero visual en varias especies de plantas. / [CAT] Els virus de plantes són paràsits intracel·lulars obligats que han estat utilitzats per a desenvolupar vectors virals i expressar proteïnes heteròlogues y modificar rutes metabòliques endògenes de productes naturals silenciant certs gens o expressant factors de transcripció i enzims metabòlics. La principal limitació de molts sistemes basats en virus de plantes és la dificultat de coexpressar diverses proteïnes heteròlogues en la mateixa cèl·lula amb la localització subcel·lular apropiada, cosa que és una qüestió crucial en enginyeria metabòlica. Aquest treball presenta una solució per a superar aquest problema mitjançant l'ús d'un vector viral basat en un potyvirus. Els potyvirus (gènere Potyvirus, família Potyviridae) són virus d'RNA de cadena positiva simple que tenen una estratègia d'expressió gènica que permet la producció de la majoria de les proteïnes virals en quantitats equimolars. Basat en un clon infecciós del virus del gravat del tabac (Tobacco etch virus, TEV) Bedoya et al. (2010) van desenvolupar un sistema d'expressió en el qual el gen de l'RNA polimerasa depenent d'RNA (NIb) va ser substituït per un casset d'expressió, que albergava diverses proteïnes heteròlogues. Aquest vector viral va ser capaç d'expressar tres proteïnes fluorescents amb localització nucleocitoplàsmica en quantitats equimolars en plantes de tabac transgèniques que complementaven el cistró NIb en trans. Malgrat l'aparent simplicitat de l'estratègia d'expressió gènica dels potyvirus, la inserció d'un cDNA forà és una tasca complicada. Per tant, el nostre primer objectiu va ser analitzar l'efecte de la inserció en l'estabilitat del genoma de TEV. Com a resultat d'aquest treball, hem descobert una nova posició d'inserció en l'extrem amino terminal de la poliproteïna viral que ens va permetre explorar altres qüestions sobre l'expressió de proteïnes recombinants. Atès que les vies metabòliques són molt compartimentalitzades, l'adequada localització subcel·lular d'enzims és una tasca essencial en enginyeria metabòlica. Per açò, el nostre segon objectiu es va centrar en la distribució de les proteïnes heteròlogues expressades amb el vector viral a diferents orgànuls subcelul·lars. cDNAs que codificaven la proteïna fluorescent verda (green fluorescent protein, GFP) fusionada a pèptids senyal es van inserir en la nova posició amino terminal i en un lloc intern, substituint el cistró NIb, per a enviar-la al cloroplast, nucli i al mitocondri. Els nostres resultats van mostrar que per a la distribució de proteïnes al cloroplast i mitocondri, els gens forans han de ser inserits en el lloc amino terminal del vector viral, però per a la distribució nuclear, ambdues posicions són adequades. El lloc amino terminal va resultar ser més adequat per a produir quantitats més grans de proteïnes recombinants, però el lloc d'inserció intern va demostrar ser més estable. Sobre la base d'aquests resultats, hem sigut capaços de distribuir dues proteïnes fluorescents diferents als cloroplasts i nuclis des d'un únic vector viral. L'últim objectiu d'aquest treball va ser estudiar si el vector viral basat en potyvirus és capaç d'expressar una ruta biosintètica de múltiples passos en cèl·lules vegetals. Per açò ens vam proposar produir licopè, un pigment vegetal amb propietats beneficioses per a la salut humana. Per això inserírem un cDNA que codificaba els tres enzims de una ruta metabòlica de tres passos d'origen bacterià en el vector viral. Les plantes de tabac infectades amb el vector viral van desenvolupar símptomes de color taronja indicant l'acumulació de licopè, que va ser confirmat per anàlisi de cromatografia líquida d'alta eficàcia i observacions de microscòpia. Els nostres resultats també van il·lustrar que la sola expressió de fitoè sintasa de Pantonea ananatis, crtB, és suficient per a induir l'acumulació de carotenoides que confereixen una colora / Majer, E. (2016). Metabolic engineering of plants using a disarmed potyvirus vector [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68477 / TESIS

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第21816号 / 農博第2329号 / 新制||農||1066(附属図書館) / 学位論文||H31||N5188(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 梅澤 俊明, 教授 矢﨑 一史, 教授 植田 充美 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

Cyanobacteria are photosynthetic organisms with the potential to sustainably produce carbon-based end products by fixing carbon dioxide from the atmosphere. Optimizing the growth or biochemical production in cyanobacteria is an ongoing challenge in metabolic engineering. Rational design of metabolic pathways requires a deep understanding of regulatory mechanisms. Hence, a deeper understanding of photosynthetic regulation of the influence of the environment on metabolic fluxes provides exciting possibilities for enhancing the photosynthetic Calvin-Benson-Bassham cycle. One approach to study metabolic processes is to use omic-level techniques, such as proteomics and fluxomics, to characterize varying phenotypes that result from different environmental conditions or different genetic perturbations.<br><br>This dissertation examines the influence of light intensity on enzymatic abundances and the resulting Calvin-Benson-Bassham cycle fluxes using a combined proteomic and fluxomic approach in the model cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 6803. The correlation between light intensity and enzymatic abundances is evaluated to determine which reactions are more regulated by enzymatic abundance. Additionally, carbon enrichment data from isotopic labelling experiments strongly suggest metabolite channeling as a flexible and light-dependent regulatory mechanism present in cyanobacteria. We propose and substantiate biological mechanisms that explains the formation of metabolite channels under specific redox conditions. <br><br>The same multi-omic approach was used to examine genetically modified cyanobacteria. Specifically, genetically engineered and conditionally growth-enhanced Synechocystis strains overexpressing the central Calvin-Benson-Bassham cycle enzymes FBP/SBPase or transketolase were evaluated. We examined the effect of the heterologous expression of each of these enzymes on the Calvin-Benson-Bassham cycle, as well as on adjacent central metabolic pathways. Using both proteomics and fluxomics, we demonstrate distinct increases in Calvin-Benson-Bassham cycle efficiency as a result of lowered oxidative pentose phosphate pathway activity. This work demonstrates the utility of a multi-omic approach in characterizing the differing phenotypes arising from environmental and genetic changes.<br><br>

<p>  </p> <p>With the increasing concern of climate change, engineering strategies to capture and fix carbon dioxide to produce valuable chemicals is a promising proposition. Metabolic engineering efforts have recently been focused on using cyanobacteria as hosts for the production biochemicals due to their ability to utilize carbon dioxide and sunlight as the sole carbon and energy sources, respectively. Unlike fermentation which uses plant derived sugars, cyanobacterial biochemical production does not compete for arable land that can be utilized for food production. Aromatic amino acids such as L-phenylalanine (Phe) and L-tryptophan (Trp) are essential amino acids since they cannot be synthesized by animals and thus are needed as supplements. They are valuable as animal feed supplements in the agricultural industry and find wide applications in the food, cosmetic and pharmaceutical industries as precursors. However, investigation of cyanobacteria for production of aromatic amino acids such as Phe and Trp is limited. This dissertation studies (<em>i</em>) combining random mutagenesis and metabolic engineering techniques for Trp and Phe production in <em>Synechocystis </em>sp. PCC 6803, (<em>ii</em>) development of a fast-growing cyanobacteria strain <em>Synechococcus elongatus</em> PCC 11801 for Phe production and (<em>iii</em>) investigating the effect of creation of Phe sink on photosynthetic efficiency under different light intensities.</p> <p>Aromatic amino acid biosynthesis is tightly regulated by feedback inhibition in cyanobacteria. To enable overproduction of Trp in <em>Synechocystis</em> sp PCC 6803, we utilized chemical mutagenesis coupled with analog selection followed by genome sequencing to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) responsible for the Trp overproduction phenotypes. Interestingly, overproducers had mutations in the competing Phe biosynthetic pathway gene chorismate mutase (CM) which resulted in a lower enzyme activity and redirection of flux to Trp. We subsequently overexpressed genes encoding feedback insensitive enzymes in our randomly engineered Trp overproducing strain. The best strain isolated was able to accumulate 212±23 mg/L Trp in 10 days under 3% (vol/vol) CO2. We demonstrate that combining random mutagenesis and metabolic engineering is superior to either approach alone.</p> <p>Initial efforts in engineering cyanobacteria have resulted in low titers and productivities due to slow growth. Recently a fast-growing cyanobacterial strain <em>Synechococcus elongatus</em> PCC 11801 was discovered with growth rates comparable to yeast. Due to the lack of well characterized synthetic biology tools available for metabolic engineering of this strain, we use two rounds of ultraviolet (UV) mutagenesis and analog selection to develop Phe overproducing strains. The best strain obtained using this strategy can produce 1.2 ± 0.1 g/L of Phe in 3 days under 3% (vol/vol) CO2. This is the highest titer and productivity for Phe production currently reported by cyanobacteria highlighting the promise of engineering fast-growing strains for biochemical production.</p> <p>Interestingly, Phe overproduction does not compete with growth but happens by fixing carbon at a higher rate. It is thought that the introduction of this carbon and energy sink relieves “sink limitation” by improving light use. However, neither the molecular mechanism nor the effect of light on enhancement in carbon fixation by introduction of an additional sink are known. Therefore, we investigated the effect of light intensity on photosynthetic efficiency, linear and cyclic electron flow in the strain containing the Phe sink. Our results indicate that under excess light, introduction of the Phe sink improves carbon fixation by improving photosynthetic efficiency and substantially reducing the cyclic electron flow around photosystem I (PSI). Taken together, our results show the previously untapped potential of cyanobacteria to improve carbon fixation by the unintuitive strategy of introducing a native carbon product sink and highlight the importance of the light environment on its performance.</p> <p>Although further improvements in titer, productivity, and scale up will be necessary for cyanobacteria to compete economically at the industrial scale, this dissertation adds to the scientific knowledge and techniques for further metabolic engineering efforts.</p>

Synthetic polymers are widely used in basic day to day activities given the wide range of uses associated with their advantageous material properties. Polyethylene terephthalate (PET) is a widely used synthetic polymer with annual production exceeding 73.39 million tons. Out of all the PET material generated, only 30% PET is recycled because current mechanical and chemical recycling methods are not techno-economically viable. This leads to the accumulation of a large amounts of PET waste in the environment causing significant damage to terrestrial and aquatic ecosystems. An alternative to recycling is PET upcycling approaches strategize of converting PET waste into high-value products. This development enables a circular material economy for PET. There are several reports of PET upcycling strategies that describe hybrid-chemo biological approaches. However, efficient whole-cell microbial catalysts capable of selectively degrading PET into its original monomers of ethylene glycol (EG) and terephthalic acid (TPA), and simultaneously upcycling these monomers into high-value compounds is yet to be developed. The selection of an appropriate host strain for plastic upcycling is vital in developing industrially applicable whole-cell biocatalysts. Use of non-model organisms in industrial applications has gained attention over the recent years. The work presented here illustrates comprehensive genomic and phenomic investigations suggesting that the metabolic pathways of the newly identified, Erwinia aphidicola LJJL01, is a promising candidate for upcycling PET-degraded substrates. First, we performed a comprehensive phenomic characterization of E. aphidicola LJJL01 including SEM imaging, pH, optimal temperature, toxicity tolerance, antibiotic tolerance, and fatty acid profile. The metabolic capability of the strain was shown using a substrates utilization assay that includes 29 substrates which comprise C-6 sugars, C-5 sugars, sugar alcohols, acids, alcohols. Secondly, we developed an efficient system for plasmid-based expression and secretion of heterologous proteins. We established synthetic microbiology tools, including CRISPR/Cas9-based genomic editing, to engineer the E. aphidicola LJJL01 strain. Thirdly, we demonstrated successful heterologous expression of PET hydrolyzing enzymes such as PETase and MHETase from Ideonella sakaiensis together with their secretion signal peptides in E. aphidicola LJJL01. We assessed the strain's PET hydrolyzing activity using Bis(2-Hydroxyethyl) terephthalate (BHET), an intermediate molecule of PET as the model substrate. The strain yields 0.88 ±0.10 mol of TPA/mol of BHET in minimal salt medium within 48 hours and outperforms the commonly used platform organisms such as Pseudomonas putida KT2440. We also successfully expressed the thermostable leaf branch compost cutinase (LCC) in E. aphidicola LJJL01. For the first time we were able to demonstrate the synergistic activity of LCC and MHETase enzymes at 30 °C. Since the developed strains didn't show considerable PET degradation at ambient conditions, we developed a novel process to hydrolyze amorphous and commercial grade PET using cell-free supernatant of secreted LCC enzyme at 72°C (the glass transition temperature of PET). Finally, we further engineered the aromatic catabolism of the strain to demonstrate the potential of upcycling PET-degraded TPA into high-value platform chemicals such as cis, cis-muconate. Taken together, we demonstrated E. aphidicola LJJL01, a promising microbial chassis to develop whole-cell biocatalysts to upcycle PET and enable circular material economy.

Elevated expression of proteins, such as those involved in native antibiotic resistance pathways or introduced to enable biosynthesis of a metabolic engineering target, frequently leads to increased fitness cost. This can result in reduced growth and places selective pressure on cells. In conditions where there is diversity in expression within the population, this can result in cells with higher fitness out-competing their low-fitness counterparts. In the antibiotic resistance context, differential fitness costs caused by antibiotic resistance machinery can be exploited to select against resistant bacteria. However, in biotechnology applications, introducing burdensome synthetic constructs often requires additional engineering to increase genetic stability and maintain production. In this thesis, we investigate the origin of fitness costs and strategies for either exploiting or reducing it, focusing on specific examples related to antibiotic resistance and metabolic engineering. In the resistance work, we study the multiple antibiotic resistance activator MarA and related proteins in Escherichia coli. We quantify the differential fitness cost impacts of salicylate on E. coli antibiotic resistance variants. We demonstrate that salicylate, the natural inducer of MarA, imposes a higher fitness cost on resistant cells compared to the susceptible counterparts, making it possible to bias bacterial population membership towards those cells that are susceptible. In a second study, we focus on the role of salicylate in antibiotic tolerant persister cell formation, finding that salicylate induces reactive oxygen species and consequently persistence. In the metabolic engineering parts of the thesis we first review the mechanisms of fitness cost and existing strategies to ameliorate cost and cell-to-cell variation. Next, we present a technique for reducing fitness cost while maintaining production that takes advantage of transcription factor decoy sites to regulate biosynthesis in E. coli. Using arginine production as a model system, the transcription factor decoy is able to increase production by 16-fold without detectable growth differences. Together, the thesis provides an understanding of the origins and mechanisms of fitness cost in the context of antibiotic resistance and metabolic engineering. It also introduces strategies to exploit fitness costs to select against resistant bacteria and engineering strategies to ameliorate cost while increasing production and genetic stability.

Les glycosaminoglycanes (GAGs) sont des polymères de sucres linéaires, présents chez tous les animaux. Certaines bactéries pathogènes synthétisent également des polysaccharides identiques ou très similaires aux GAGs humains. Cette thèse a porté en particulier sur la synthèse de la chondroïtine sulfate et de l’héparosan qui font partie de cette famille de polysaccharides. L’intérêt pour ces deux GAGs est grandissant dans l’industrie pharmaceutique du fait des nombreuses applications médicales qu’ils pourraient permettre. La chondroïtine sulfate est d’ores et déjà extraite de tissus animaux ce qui peut engendrer des problèmes sanitaires, notamment des contaminations virales ou aux prions. En revanche, le procédé de production pour l’héparosan reste à mettre en place. Il est donc nécessaire de développer des procédés de production pour ces deux molécules. La synthèse enzymatique est une voie particulièrement prometteuse pour la production de la chondroïtine sulfate et de l’héparosan, et a fait l’objet de ce travail de thèse. / Glycosaminoglycans (GAGs) are long linear polysaccharide chains, found in all animals. Some pathogenic bacteria also synthesize polysaccharides identical or similar to human GAGs. This thesis deals with chondroitin sulfate and heparosan syntheses, members of the GAGs family. There is a growing interest in these two GAGs in the pharmaceutical industry due to numerous potential applications they offer. Chondroitin sulfate is currently extracted from animal tissues which can lead to sanitary problems such as viral or prion contaminations. On the other hand, a production process still needs to be developed for heparosan. Therefore, it is necessary to develop new methods for the production of these two polymers. Enzymatic synthesis, which is a promising alternative for the production of chondroitin sulfate and heparosan, was the subject of this thesis.

Tesis por compendio / [EN] Synthetic Biology is an emerging interdisciplinary field that aims to apply the engineering principles of modularity, abstraction and standardization to genetic engineering. The nascent branch of Synthetic Biology devoted to plants, Plant Synthetic Biology (PSB), offers new breeding possibilities for crops, potentially leading to enhanced resistance, higher yield, or increased nutritional quality. To this end, the molecular tools in the PSB toolbox need to be adapted accordingly, to become modular, standardized and more precise. Thus, the overall objective of this Thesis was to adapt, expand and refine DNA assembly tools for PSB to enable the incorporation of functional specifications to the description of standard genetic elements (phytobricks) and to facilitate the construction of increasingly complex and precise multigenic devices, including genome editing tools. The starting point of this Thesis was the modular DNA assembly method known as GoldenBraid (GB), based on type IIS restriction enzymes. To further optimize the GB construct-making process and to better catalog the phytobricks collection, a database and a set of software-tools were developed as described in Chapter 1. The final webbased software package, released as GB2.0, was made publicly available at www.gbcloning.upv.es. A detailed description of the functioning of GB2.0, exemplified with the building of a multigene construct for anthocyanin overproduction was also provided in Chapter 1. As the number and complexity of GB constructs increased, the next step forward consisted in the refinement of the standards with the incorporation of experimental information associated to each genetic element (described in Chapter 2). To this end, the GB package was reshaped into an improved version (GB3.0), which is a self-contained, fully traceable assembly system where the experimental data describing the functionality of each DNA element is displayed in the form of a standard datasheet. The utility of the technical specifications to anticipate the behavior of composite devices was exemplified with the combination of a chemical switch with a prototype of an anthocyanin overproduction module equivalent to the one described in Chapter 1, resulting in a dexamethasone-responsive anthocyanin device. Furthermore, Chapter 3 describes the adaptation and functional characterization of CRISPR/Cas9 genome engineering tools to the GB technology. The performance of the adapted tools for gene editing, transcriptional activation and repression was successfully validated by transient expression in N. benthamiana. Finally, Chapter 4 presents a practical implementation of GB technology for precision plant breeding. An intragenic construct comprising an intragenic selectable marker and a master regulator of the flavonoid biosynthesis was stably transformed in tomato resulting in fruits enhanced in flavonol content. All together, this Thesis shows the implementation of increasingly complex and precise genetic designs in plants using standard elements and modular tools following the principles of Synthetic Biology. / [ES] La Biología Sintética es un campo emergente de carácter interdisciplinar que se fundamenta en la aplicación de los principios ingenieriles de modularidad, abstracción y estandarización a la ingeniería genética. Una nueva vertiente de la Biología Sintética aplicada a las plantas, la Biología Sintética Vegetal (BSV), ofrece nuevas posibilidades de mejora de cultivos que podrían llevar a una mejora de la resistencia, a una mayor productividad, o a un aumento de la calidad nutricional. Sin embargo, para alcanzar este fin las herramientas moleculares disponibles en estos momentos para BSV deben ser adaptadas para convertirse en modulares, estándares y más precisas. Por ello se planteó como objetivo general de esta Tesis adaptar, expandir y refinar las herramientas de ensamblaje de DNA de la BSV para permitir la incorporación de especificaciones funcionales en la descripción de elementos genéticos estándar (fitobricks) y facilitar la construcción de estructuras multigénicas cada vez más complejas y precisas, incluyendo herramientas de editado genético. El punto de partida de esta Tesis fue el método de ensamblaje modular de ADN GoldenBraid (GB) basado en enzimas de restricción tipo IIS. Para optimizar el proceso de ensamblaje y catalogar la colección de fitobricks generados se desarrollaron una base de datos y un conjunto de herramientas software, tal y como se describe en el Capítulo 1. El paquete final de software se presentó en formato web como GB2.0, haciéndolo accesible al público a través de www.gbcloning.upv.es. El Capítulo 1 también proporciona una descripción detallada del funcionamiento de GB2.0 ejemplificando su uso con el ensamblaje de una construcción multigénica para la producción de antocianinas. Con el aumento en número y complejidad de las construcciones GB, el siguiente paso necesario fue el refinamiento de los estándar con la incorporación de la información experimental asociada a cada elemento genético (se describe en el Capítulo 2). Para este fin, el paquete de software de GB se reformuló en una nueva versión (GB3.0), un sistema de ensamblaje auto-contenido y completamente trazable en el que los datos experimentales que describen la funcionalidad de cada elemento genético se muestran en forma de una hoja de datos estándar. La utilidad de las especificaciones técnicas para anticipar el comportamiento de dispositivos biológicos compuestos se ejemplificó con la combinación de un interruptor químico y un prototipo de un módulo de sobreproducción de antocianinas equivalente al descrito en el Capítulo 1, resultando en un dispositivo de producción de antocianinas con respuesta a dexametasona. Además, en el Capítulo 3 se describe la adaptación a la tecnología GB de las herramientas de ingeniería genética CRISPR/Cas9, así como su caracterización funcional. La funcionalidad de estas herramientas para editado génico y activación y represión transcripcional se validó con el sistema de expresión transitoria en N.benthamiana. Finalmente, el Capítulo 4 presenta una implementación práctica del uso de la tecnología GB para hacer mejora vegetal de manera precisa. La transformación estable en tomate de una construcción intragénica que comprendía un marcador de selección intragénico y un regulador de la biosíntesis de flavonoides resultó en frutos con un mayor contenido de flavonoles. En conjunto, esta Tesis muestra la implementación de diseños genéticos cada vez más complejos y precisos en plantas utilizando elementos estándar y herramientas modulares siguiendo los principios de la Biología Sintética. / [CA] La Biologia Sintètica és un camp emergent de caràcter interdisciplinar que es fonamenta amb l'aplicació a la enginyeria genètica dels principis de modularitat, abstracció i estandarització. Una nova vessant de la Biologia Sintètica aplicada a les plantes, la Biologia Sintètica Vegetal (BSV), ofereix noves possibilitats de millora de cultius que podrien portar a una millora de la resistència, a una major productivitat, o a un augment de la qualitat nutricional. Tanmateix, per poder arribar a este fi les eines moleculars disponibles en estos moments per a la BSV han d'adaptar-se per convertir-se en modulars, estàndards i més precises. Per això es plantejà com objectiu general d'aquesta Tesi adaptar, expandir i refinar les eines d'ensamblatge d'ADN de la BSV per permetre la incorporació d'especificacions funcionals en la descripció d'elements genètics estàndards (fitobricks) i facilitar la construcció d'estructures multigèniques cada vegada més complexes i precises, incloent eines d'edidat genètic. El punt de partida d'aquesta Tesi fou el mètode d'ensamblatge d'ADN modular GoldenBraid (GB) basat en enzims de restricció tipo IIS. Per optimitzar el proces d'ensamblatge i catalogar la col.lecció de fitobricks generats es desenvolupà una base de dades i un conjunt d'eines software, tal i com es descriu al Capítol 1. El paquet final de software es presentà en format web com GB2.0, fent-se accessible al públic mitjançant la pàgina web www.gbcloning.upv.es. El Capítol 1 també proporciona una descripció detallada del funcionament de GB2.0, exemplificant el seu ús amb l'ensamblatge d'una construcció multigènica per a la producció d'antocians. Amb l'augment en nombre i complexitat de les construccions GB, el següent pas fou el refinament dels estàndards amb la incorporació de la informació experimental associada a cada element genètic (es descriu en el Capítol 2). Per a aquest fi, el paquet de software de GB es reformulà amb una nova versió anomenada GB3.0. Aquesta versió consisteix en un sistema d'ensamblatge auto-contingut i complemtament traçable on les dades experimentals que descriuen la funcionalitat de cada element genètic es mostren en forma de fulla de dades estàndard. La utilitat de les especificacions tècniques per anticipar el comportament de dispositius biològics compostos s'exemplificà amb la combinació de un interruptor químic i un prototip d'un mòdul de sobreproducció d'antocians equivalent al descrit al Capítol 1. Aquesta combinació va tindre com a resultat un dispositiu de producció d'antocians que respón a dexametasona. A més a més, al Capítol 3 es descriu l'adaptació a la tecnologia GB de les eines d'enginyeria genètica CRISPR/Cas9, així com la seua caracterització funcional. La funcionalitat d'aquestes eines per a l'editat gènic i activació i repressió transcripcional es validà amb el sistema d'expressió transitòria en N. benthamiana. Finalment, al Capítol 4 es presenta una implementació pràctica de l'ús de la tecnologia GB per fer millora vegetal de mode precís. La transformació estable en tomaca d'una construcció intragènica que comprén un marcador de selecció intragènic i un regulador de la biosíntesi de flavonoïdes resultà en plantes de tomaca amb un major contingut de flavonols en llur fruits. En conjunt, esta Tesi mostra la implementació de dissenys genètics cada vegada més complexos i precisos en plantes utilitzant elements estàndards i eines modulars seguint els principis de la Biologia Sintètica. / Vázquez Vilar, M. (2016). DESIGN OF GENETIC ELEMENTS AND SOFTWARE TOOLS FOR PLANT SYNTHETIC BIOLOGY [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68483 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

No description available.

[ES] La Biología Sintética de Plantas tiene como objetivo rediseñar las plantas para que adquieran características y funcionalidades novedosas a través de circuitos reguladores ortogonales. Para lograr este objetivo, se deben desarrollar nuevas herramientas moleculares con la capacidad de interactuar con factores endógenos de manera potente y específica. CRISPR/Cas9 surgió como una herramienta prometedora que combina la capacidad personalizable de unión al DNA, a través de la versión catalíticamente inactivada de la proteína Cas9 (dCas9), con la posibilidad de anclar dominios autónomos de activación transcripcional (TADs) a su estructura para lograr una regulación específica de la expresión génica. Los activadores transcripcionales programables (PTAs) pueden actuar como procesadores específicos, ortogonales y versátiles para el desarrollo de nuevos circuitos genéticos en las plantas. En busca de dCas9-PTA optimizados, se llevó a cabo una evaluación combinatoria de diferentes arquitecturas dCas9 con un catálogo de varios TAD. La mejor herramienta resultante de esta comparación, denominada dCasEV2.1, se basa en la estrategia scRNA y la combinación de los dominios de activación EDLL y VPR con un bucle multiplexable gRNA2.1, que es una versión mutada del gRNA2.0 descrito previamente. En este trabajo, el activador programable dCasEV2.1 demostró ser una herramienta potente y específica, logrando tasas de activación más altas que otras estrategias dCas9 disponibles en plantas. Se observaron tasas de activación sin precedentes dirigidas a genes endógenos en N. benthamiana, acompañadas de una estricta especificidad en todo el genoma, lo que hace que esta herramienta sea adecuada para la regulación estricta de redes reguladoras complejas. Como prueba de concepto, se diseñaron cuatro programas de activación para distintas ramas de la ruta de los flavonoides, buscando obtener enriquecimientos metabólicos específicos en hojas de N. benthamiana. El análisis metabólico de las hojas metabólicamente reprogramadas mediante dCasEV2.1 reveló un enriquecimiento selectivo de los metabolitos diana y sus derivados glicosilados, que se correlacionaron con el programa de activación empleado. Estos resultados demuestran que dCasEV2.1 es una herramienta eficaz para la ingeniería metabólica y un componente clave en los circuitos genéticos destinados a reprogramar los flujos metabólicos. Finalmente, basándonos en dCasEV2.1, desarrollamos un sistema optimizado de regulación de genes inducidos por virus (VIGR) que utiliza un vector Potato Virus X (PVX) para el suministro de los programas de activación CRISPR codificados con gRNA. Este enfoque permite controlar el transcriptoma de la planta a través de una aplicación sistémica basada en aerosol de componentes CRISPR a plantas adultas. El nuevo sistema PVX-VIGR produjo una fuerte activación transcripcional en varios genes diana endógenos, incluidos tres factores de transcripción MYB-like seleccionados. Las activaciones específicas de MYB condujeron a perfiles metabólicos distintivos, demostrando que las aplicaciones potenciales de la herramienta dCasEV2.1 en plantas incluyen la obtención de perfiles metabólicos personalizados utilizando un suministro basado en aerosol de instrucciones de reprogramación transcripcional codificadas por gRNA. En resumen, esta tesis proporciona herramientas novedosas para la activación transcripcional fuerte, ortogonal y programable en plantas, con una caja de herramientas ampliada para el suministro de los programas de activación. / [CA] La Biologia Sintètica de Plantes té com objectiu redissenyar les plantes per que obtinguen característiques i funcionalitats innovadores mitjançant circuits reguladors ortogonals. Per arribar a aquest objectiu, s'han de desenvolupar noves ferramentes moleculars amb la capacitat d'interactuar amb factor endògens d'una manera potent i específica. CRISPR/Cas9 va sorgir com una ferramenta prometedora que combina la capacitat personalitzable d'unió al DNA, mitjançant la versió catalíticament inactivada de la proteïna Cas9 (dCas9), amb la possibilitat de fixar dominis autònoms de activació transcripcional (TADs) a la seua estructura per aconseguir una regulació específica de la expressió gènica. Els activadors transcripcionals programables (PTAs) poden actuar com a processadors específics, ortogonals i versàtils per al desenvolupament de nous circuits genètics a les plantes. Buscant dCas9-PTA optimitzats, es va realitzar una avaluació combinatòria de distintes arquitectures dCas9 amb un catàleg de diversos TAD. La millor ferramenta segons aquesta comparació, anomenada dCasEV2.1, es basa en la estratègia scRNA i la combinació del dominis d'activació EDLL i VPR amb un bucle multiplexable gRNA2.1, que es una versió mutada del gRNA2.0 descrit prèviament. En aquest treball, el activador programable dCasEV2.1 es va mostrar com una ferramenta potent i específica, aconseguint nivells d'activació majors que altes estratègies dCas9 disponibles en plantes. Es van observar taxes d'activació sense precedents dirigides a gens endògens en N. benthamiana, junt a una estricta especificitat en tot el genoma, indicant que aquesta ferramenta és adequada per a la regulació estricta de xarxes reguladores complexes. Como proba de concepte, se van dissenyar quatre programes d'activació per a diferent branques de la ruta dels flavonoides, cercant obtenir enriquiments metabòlics específics en fulles de N. benthamiana. L'anàlisi metabòlic de les fulles metabòlicament reprogramades mitjançant dCasEV2.1 va revelar un enriquiment selectiu del metabòlits diana i els seus derivats glicosilats que es correlacionen amb el programa d'activació emprat. Aquests resultats demostren que dCasEV2.1 és una ferramenta eficaç per a l'enginyeria metabòlica i un component clau als circuits genètics destinats a reprogramar els fluxos metabòlics. Finalment, en base a dCasEV2.1, desenvoluparem un sistema optimitzat de regulació de gens induïts per virus (VIGR) que utilitza un vector Potato Virus X (PVX) per al subministrament dels programes d'activació CRISPR codificats amb gRNA. Aquesta aproximació permet controlar el transcriptoma de la planta mitjançant l'aplicació sistèmica basada en aerosol de components CRISPR a plantes adultes. El nou sistema PVX-VIGR va produir una gran activació transcripcional en diversos gens diana endògens, inclosos tres factors de transcripció MYB-like seleccionats prèviament. Les activacions específiques de MYB conduïren a perfils metabòlics distintius, demostrant que les aplicacions potencials de la ferramenta dCasEV2.1 en plantes inclouen la obtenció de perfils metabòlics personalitzats emprant un subministrament basat en aerosol de instruccions de reprogramació transcripcional codificades per gRNA. En resum, aquesta tesis proporciona noves ferramentes per a l'activació transcripcional forta, ortogonal i programable en plantes, amb una caixa de ferramentes eixamplada per al subministraments dels programes d'activació. / [EN] Plant Synthetic Biology aims to redesign plants to acquire novel traits and functionalities through orthogonal regulatory circuits. To achieve this goal, new molecular tools with the capacity of interacting with endogenous factors in a potent and specific manner must be developed. CRISPR/Cas9 emerged as promising tools which combine a customizable DNA-binding activity through the catalytically inactivated version of Cas9 protein (dCas9) with the possibility to anchor autonomous transcriptional activation domains (TADs) to its structure to achieve a specific regulation of the gene expression. The Programmable Transcriptional Activators (PTAs) could act as specific, orthogonal and versatile processor components in the development of new genetic circuits in plants. In search for optimized dCas9-PTAs, a combinatorial evaluation of different dCas9 architectures with a catalogue of various TADs was performed. The best resulting tool of this comparison, named dCasEV2.1, is based on the scRNA strategy and the combination of EDLL and VPR activation domains with a multiplexable gRNA2.1 loop, which is a mutated version of the previously described gRNA2.0. In this work, the dCasEV2.1 programable activator was proved to be a strong and specific tool, achieving higher activation rates than other available dCas9 strategies in plants. Unprecedented activation rates were observed targeting endogenous genes in N. benthamiana, accompanied by strict genome-wide specificity that makes this tool suitable to perform a tight regulation of complex regulatory networks. As a proof of concept, a design of four activation programs to activate different branches of the flavonoid pathway and obtain specific metabolic enrichments in N. benthamiana leaves was performed. The metabolic analysis on the dCasEV2.1 metabolically reprogrammed leaves revealed a selective enrichment of the targeted metabolites and their glycosylated derivatives that correlated with the activation program employed. These results demonstrate that dCasEV2.1 is a powerful tool for metabolic engineering and a key component in genetic circuits aimed at reprogramming metabolic fluxes. Finally, based on dCasEV2.1, we developed an optimized Viral Induced Gene Regulation (VIGR) system that makes use of a Potato Virus X (PVX) vector for the delivery of the gRNA-encoded CRISPR activation programs. This approach offers a way to control the plant transcriptome through a spray-based systemic delivery of CRISPR components to adult plants. The new PVX-VIGR system led to strong transcriptional activation in several endogenous target genes, including three selected MYB-like transcription factors. Specific MYB activations lead to distinctive metabolic profiles, showing that the potential applications of the dCasEV2.1 tool in plants include the obtention of custom metabolic profiles using a spray-based delivery of gRNA-encoded transcriptional reprogramming instructions. In sum, this thesis provides novel tools for strong, orthogonal and programmable transcriptional activation in plants, with an expanded toolbox for the delivery of the activation programs. / Selma García, S. (2022). Development of CRISPR-based programmable transcriptional regulators and their applications in plants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185046 / TESIS