Unlocking the potential of non-model bacteria : development of a cross-bacterial gene expression toolbox
(2025)
- Author
- Cara Deal (UGent)
- Promoter
- Marjan De Mey (UGent) , Lien De Wannemaeker (UGent) and Antoni Planas
- Organization
- Project
- Abstract
- Industriële biotechnologie is een sleuteltechnologie in de overgang naar een biogebaseerde en circulaire economie. Centraal in deze overgang staat het gebruik van microbiële celfabrieken voor de duurzame productie van enzymen, geneesmiddelen, chemische bouwstenen, brandstoffen en voedingsmiddelen, die een aantal van de meest urgente economische, sociale en ecologische uitdagingen van de samenleving kunnen aanpakken. De wijdverspreide toepassing van microbiële celfabrieken wordt momenteel echter beperkt door hoge kosten en een lange doorlooptijd. Een van de oorzaken is een te grote afhankelijkheid van modelorganismen zoals <i> Escherichia coli </i>, die niet optimaal is vanwege de ongeschikte metabolische achtergrond en relatieve intolerantie voor zware industriële omstandigheden. Hoewel de exploitatie van andere diverse bacteriële gastheren ons kan helpen het potentieel van industriële biotechnologie te realiseren, is het gebrek aan gestandaardiseerde genetische onderdelen en gereedschappen voor voorspelbare genetische manipulatie een belangrijk knelpunt. Dit onderzoek is gericht op de ontwikkeling van een set gestandaardiseerde expressieplasmiden en een cross-bacteriële genetische gereedschapskist die kunnen worden gebruikt om genexpressie te controleren in organismen in het hele bacteriële domein. Dit zal de enorme natuurlijke diversiteit van het bacteriële koninkrijk ontsluiten en de selectie van het optimale micro-organisme voor de gewenste toepassing vergemakkelijken.
- Microbial cell factories are a key enabling technology in the transition to a biobased economy. They have the potential to contribute to a circular economy through development of low-waste products via efficient production processes and by converting waste materials into valuable products. Although there are several prominent success stories, the vast potential of this field is currently limited by high costs and low yields. Whilst non-model microorganisms have huge potential to remove these limitations and expand the capabilities of bioproduction, this is currently limited by a lack of available genetic parts and tools. To address these limitations, this thesis focuses on the development of a universal gene expression toolbox for predictable genetic engineering in diverse bacterial hosts. A key objective is to promote standardisation and reproducibility while enabling the seamless transfer of genetic parts and complex genetic circuits between organisms of industrial interest. Central to this research is the creation of universal expression vectors that support stable gene expression in microorganisms relevant to industrial biotechnology. To achieve this, the MEMOSA DNA assembly standard was designed and characterised. MEMOSA builds on the modular plasmid architecture of the SEVA collection, integrating features from existing assembly systems to deliver a hierarchical, flexible, and broadly applicable Golden Gate assembly platform. The system enables the efficient one-pot, one-step assembly of individual genetic parts, transcriptional units, and genetic circuits, while maintaining flexibility in design. A notable innovation of MEMOSA is the incorporation of shuttle gadgets, which enable the conversion of any existing plasmid into a shuttle vector in a single step. This feature significantly broadens the set of standardised plasmids available for expression across different microorganisms. The functionality of these shuttle vectors was successfully demonstrated in bacteria, yeast, and archaea, underscoring the system's versatility. The developed parts and acceptor plasmids will be included in a public biofoundry, enabling easy uptake and widespread adoption of MEMOSA. To enable the precise and predictable engineering of bacteria for industrial applications, it is crucial to develop genetic tools capable of decoupling gene expression from host metabolism. This thesis addresses this need through the development of a set of genetic control elements based on sigma factors. These elements provide transportable and orthogonal gene expression control. First, the complex interaction between a sigma factor and its promoter is examined in a literature study, providing insights into how this relationship can be leveraged for the rational engineering of transcriptional control. Building on these insights, libraries of sigma factors and their cognate promoters were designed, screened, and characterised, resulting in a set of elements that initiate transcription independently of host metabolism in Escherichia coli. The functionality of these sigma factors was further validated in Pseudomonas putida, demonstrating their utility as transportable tools for gene expression. Collectively, the tools and methods developed in this thesis facilitate the seamless transfer of genetic circuits between microorganisms of industrial importance. The thesis concludes with a reflection on the potential of this cross-bacterial engineering toolbox, highlighting future research opportunities and avenues for further development.
Citation
Please use this url to cite or link to this publication: http://hdl.handle.net/1854/LU-01JY4B5W2G8ZPJZ7EHDQG009H4
- MLA
- Deal, Cara. Unlocking the Potential of Non-Model Bacteria : Development of a Cross-Bacterial Gene Expression Toolbox. Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering, 2025.
- APA
- Deal, C. (2025). Unlocking the potential of non-model bacteria : development of a cross-bacterial gene expression toolbox. Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering, Ghent, Belgium.
- Chicago author-date
- Deal, Cara. 2025. “Unlocking the Potential of Non-Model Bacteria : Development of a Cross-Bacterial Gene Expression Toolbox.” Ghent, Belgium: Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering.
- Chicago author-date (all authors)
- Deal, Cara. 2025. “Unlocking the Potential of Non-Model Bacteria : Development of a Cross-Bacterial Gene Expression Toolbox.” Ghent, Belgium: Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering.
- Vancouver
- 1.Deal C. Unlocking the potential of non-model bacteria : development of a cross-bacterial gene expression toolbox. [Ghent, Belgium]: Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering; 2025.
- IEEE
- [1]C. Deal, “Unlocking the potential of non-model bacteria : development of a cross-bacterial gene expression toolbox,” Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering, Ghent, Belgium, 2025.
@phdthesis{01JY4B5W2G8ZPJZ7EHDQG009H4,
abstract = {{Industriële biotechnologie is een sleuteltechnologie in de overgang naar een biogebaseerde en circulaire economie. Centraal in deze overgang staat het gebruik van microbiële celfabrieken voor de duurzame productie van enzymen, geneesmiddelen, chemische bouwstenen, brandstoffen en voedingsmiddelen, die een aantal van de meest urgente economische, sociale en ecologische uitdagingen van de samenleving kunnen aanpakken. De wijdverspreide toepassing van microbiële celfabrieken wordt momenteel echter beperkt door hoge kosten en een lange doorlooptijd. Een van de oorzaken is een te grote afhankelijkheid van modelorganismen zoals <i> Escherichia coli </i>, die niet optimaal is vanwege de ongeschikte metabolische achtergrond en relatieve intolerantie voor zware industriële omstandigheden. Hoewel de exploitatie van andere diverse bacteriële gastheren ons kan helpen het potentieel van industriële biotechnologie te realiseren, is het gebrek aan gestandaardiseerde genetische onderdelen en gereedschappen voor voorspelbare genetische manipulatie een belangrijk knelpunt. Dit onderzoek is gericht op de ontwikkeling van een set gestandaardiseerde expressieplasmiden en een cross-bacteriële genetische gereedschapskist die kunnen worden gebruikt om genexpressie te controleren in organismen in het hele bacteriële domein. Dit zal de enorme natuurlijke diversiteit van het bacteriële koninkrijk ontsluiten en de selectie van het optimale micro-organisme voor de gewenste toepassing vergemakkelijken.}},
author = {{Deal, Cara}},
isbn = {{9789463578509}},
language = {{eng}},
pages = {{var. p.}},
publisher = {{Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering}},
school = {{Ghent University}},
title = {{Unlocking the potential of non-model bacteria : development of a cross-bacterial gene expression toolbox}},
year = {{2025}},
}