iGEM Wageningen 2014 presents Students with A-peel Everybody - PowerPoint PPT Presentation

iGEM Wageningen 2014 presents Students ¡with ¡A-­‑peel ¡

Everybody loves bananas Bananas ¡ ¡100 ¡ Staple ¡ ¡ for ¡ 400 ¡ ¡ billion ¡ bananas ¡ ¡ million ¡ ¡ eaten/year ¡ people ¡ Panama ¡disease ¡ 7 ¡ 4 th ¡ Gros ¡Michel ¡ Cavendish ¡ most ¡ ¡ billion ¡$/year ¡ important ¡ ¡ market ¡value ¡ crop ¡ Panamadisease.org ¡ Ar/cle ¡in ¡Nature ¡news, ¡11 ¡December ¡2013 ¡ Food ¡and ¡Agriculture ¡Organiza/on ¡of ¡the ¡United ¡Na/ons ¡(FAO), ¡2014 ¡ ¡

Fusarium oxysporum cubense TR4 Panama ¡disease ¡ Fungus ¡killing ¡banana ¡crops ¡worldwide ¡ No ¡effec5ve ¡control ¡

F. oxysporum is spreading Panama ¡disease ¡ F.A. ¡Garcia ¡et ¡al., ¡2014 ¡

In the words of... Panama ¡disease ¡ ¡ ¡ “If ¡TR4 ¡is ¡in ¡ La2n ¡America , ¡ it ¡is ¡going ¡to ¡be ¡a ¡ disaster ...” ¡ ¡ Prof. ¡Rony ¡Swennen ¡ ¡ Leading ¡banana ¡expert, ¡ ¡ KU ¡Leuven ¡ ¡ Ar/cle ¡in ¡the ¡Independent, ¡2014 ¡

Interviews Human ¡outreach ¡ “I ¡see ¡it ¡[the ¡iGEM ¡project] ¡as ¡more ¡interes/ng ¡ than ¡the ¡use ¡of ¡pes/cides ¡and ¡other ¡molecules, ¡ ¡ but ¡less ¡interes/ng ¡than ¡good ¡soil ¡ management.” ¡ ¡ Javier ¡López ¡Cepero ¡ ¡ Ph.D. ¡in ¡Agronomic ¡engineering ¡ ¡ “Since ¡you ¡are ¡not ¡changing ¡the ¡plant ¡itself, ¡ ¡ I ¡think ¡farmers ¡would ¡be ¡happy ¡to ¡use ¡it.” ¡ Kaushik ¡Rangarajan ¡ Consumer ¡

Synthetic biology in agriculture Approach ¡ SyntheNc ¡ Biology ¡ Biological ¡ Biological ¡ ¡ ¡ ¡ Control ¡

Host: Pseudomonas putida System ¡design ¡ Biological ¡control ¡proper5es ¡ Emerging ¡strain ¡in ¡synthe5c ¡biology ¡ Generally ¡recognised ¡as ¡safe ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(GRAS ¡Cer5fied) ¡ Can ¡use ¡ E. ¡coli ¡ toolbox ¡and ¡ vice ¡versa ¡ Nikel ¡et ¡al., ¡Nature ¡2014 ¡

BananaGuard System ¡design ¡ Detect ¡ ATack ¡ Self-­‑destruct ¡ Specificity ¡ Safety ¡ EffecNveness ¡

BananaGuard System ¡design ¡

Fusaric acid inducible Promoter (FaiP) Detect ¡ Detects ¡fusaric ¡acid ¡ Promoter ¡next ¡to ¡fusaric ¡acid ¡resistance ¡cluster ¡in ¡ P. ¡pu/da ¡ ¡ Fusaric ¡acid ¡ Regulator ¡ Reporter ¡ FaiP ¡ DetecNon ¡ BBa_K1493000 ¡ BBa_K1493002 ¡ BBa_K1493003 ¡ Nelson ¡et ¡al., ¡2002 ¡

FaiP: Fusaric acid detection Detect ¡ 1 ����������������������������� * 0.8 0.6 0.4 * * 0.2 * 0 WT 0µM 85µM 170µM 255µM 340µM 425µM pLac (control) * ¡ ¡p<0.05 ¡ �������������������������

Attack ATack ¡

4 fungal growth inhibitors ATack ¡ 2,4-­‑DAPG ¡ DMDS ¡& ¡DMTS ¡ Chi5nase ¡ Pyoverdine ¡ 4 ¡ Belgrove ¡et ¡al., ¡2007 ¡ BBa_K1493300 ¡ Meldau ¡et ¡al., ¡2013 ¡; ¡Zhang ¡et ¡al,. ¡2013 ¡ Mauch ¡et ¡al., ¡1988; ¡Herrera-­‑Estrella ¡et ¡al., ¡1999 ¡ BBa_K1493200 ¡ Duijff ¡et ¡al., ¡1993; ¡Elad ¡et ¡al., ¡1985 ¡ ¡

F. oxysporum TR4 inhibition ATack ¡ 4 ¡

Self-destruct Self-­‑destruct ¡

Kill-switch: 3 different states Self-­‑destruct ¡ Fusaric ¡acid ¡ CIλ ¡ Toxin ¡ Input ¡output ¡ FaiP ¡ Fungal ¡growth ¡ LacI ¡ TetR ¡ Toggle ¡switch ¡ inhibitors ¡ (II) ¡Ac5ve ¡state ¡: ¡ F. ¡oxysporum ¡ present ¡ ¡ (III) ¡Self ¡destruct: ¡no ¡ F. ¡oxysporum ¡ present ¡ (I) ¡Res5ng ¡state: ¡no ¡ F. ¡oxysporum ¡ present ¡

Kill-switch: input output plasmid Self-­‑destruct ¡ CIλ ¡ GFP ¡ Input ¡output ¡ ¡ pRhamnose ¡ pTet/CI ¡ plasmid ¡ No ¡rhamnose ¡ ¡Rhamnose ¡ BBa_K1493560 ¡

Kill-switch: Toggle switch plasmid * * Self-­‑destruct ¡ aTc ¡ pCI/lac ¡ LacI ¡ GFP ¡ TetR ¡ Toggle ¡switch ¡ ¡ pTet ¡ plasmid ¡ IPTG ¡ -­‑1 ¡[RFU] ¡(x1000) ¡ * ¡ ¡ ¡p<0.05 ¡ No ¡induc5on ¡ IPTG ¡induced ¡ Fluorescece ¡OD 600 aTc ¡induced ¡ BBa_K1493701 ¡ BBa_K1493702 ¡ BBa_L1493703 ¡ ¡

Kill-switch: toggle switch plasmid Self-­‑destruct ¡

Kill-switch: promoter binding sites Self-­‑destruct ¡ CIλ ¡ Toxin ¡ Number ¡of ¡sites ¡affects ¡ repression ¡strength ¡ LacI ¡ TetR ¡ Changing ¡ ¡posiNon ¡affects ¡ repression ¡strength ¡ Cox ¡et ¡al., ¡2007 ¡

Promoter design Self-­‑destruct ¡ ¡ ¡ ¡Non-­‑funcNoning ¡ ¡ ¡ Inefficient ¡ ¡ ¡FuncNoning ¡

Model output Self-­‑destruct ¡ CIλ ¡ Toxin ¡ TetR ¡ LacI ¡ Original ¡configuraNon ¡ CIλ ¡ Toxin ¡ LacI ¡ TetR ¡ OpNmal ¡configuraNon ¡

Kill-switch 2.0 Self-­‑destruct ¡ Set ¡1 ¡ Set ¡2 ¡ Designed ¡promoters ¡with ¡GFP ¡downstream ¡ ¡ Kill-­‑switch ¡2.0 ¡ under ¡construc5on ¡ BBa_K1493801 ¡ BBa_K1493802 ¡ Bba_K1493804 ¡ Bba_K1493805 ¡ Bba_K1493806 ¡ ¡

BananaGuard Final ¡system ¡ ¡

BananaGuard performance Final ¡system ¡ ¡ Metabolic ¡cost ¡ Circuit ¡stability ¡ ¡ Inhibi5on ¡effecNveness ¡

BananaGuard cost In ¡silico ¡ Rela5ve ¡growth ¡rate ¡of ¡BananaGuard ¡ Rela5ve ¡growth ¡rate ¡(% ¡of ¡wild ¡type) ¡ Genome-­‑scale ¡metabolic ¡model ¡ 3 ¡States: ¡ Res5ng ¡state ¡ Ac5ve ¡state ¡ Self ¡destruct ¡ Carbon ¡uptake ¡rate ¡(mmol ¡gDW -­‑1 ¡ hr -­‑1 ) ¡

BananaGuard stability In ¡silico ¡ Stochas5c ¡model ¡over ¡cell ¡division ¡ 36% ¡AcNve ¡ 98% ¡AcNve ¡ Laboratory ¡condi5ons ¡ Soil ¡condi5ons ¡

Testing application in the soil InhibiNon: ¡ In ¡vivo ¡tesNng ¡of ¡fungal ¡inhibiNon ¡in ¡greenhouse ¡ Greenhouse ¡

Policies in synthetic biology September ¡17 th , ¡na5onal ¡symposium ¡synthe5c ¡biology ¡ RIVM ¡with ¡Dutch ¡iGEM ¡teams ¡ ¡

Conclusion

Acknowledgments Supervisors ¡ ScienNfic ¡support ¡ ¡ Dr. ¡Mark ¡van ¡Passel ¡ ¡ Prof. ¡Chris/an ¡Fleck ¡ ¡ Prof. ¡Willem ¡de ¡Vos ¡ Kees ¡van ¡der ¡Ark ¡ Prof. ¡Vitor ¡Mar/ns ¡Dos ¡Santos ¡ Marnix ¡Vlot ¡ Prof. ¡John ¡van ¡der ¡Oost ¡ Nico ¡Claassens ¡ ¡ Prof. ¡Hauke ¡Smidt ¡ ¡ Stama/os ¡Damalas ¡ ¡ Tom ¡van ¡de ¡Weijer ¡ ¡ Dr. ¡Robert ¡Smith ¡ Philippe ¡Puylaert ¡ Ruben ¡van ¡Heck ¡ ¡ InsNtuNons ¡& ¡Groups ¡ Dr. ¡A. ¡R. ¡Ferrari ¡ Dr. ¡Gert ¡Kema ¡ ¡ WUR ¡MIB ¡chair ¡group ¡ Dr. ¡Tom ¡Ellis ¡ ¡ Fernando ¡G. ¡Bas/das ¡ WUR ¡SSB ¡chair ¡group ¡ Prof. ¡Jos ¡Raaimakers ¡ ¡ Plant ¡Research ¡interna/onal ¡ Wiki ¡support ¡ Dr. ¡Victor ¡de ¡Lorenzo ¡ RIVM ¡ ¡ ¡ Sophia ¡Wang ¡ ¡ iGEM ¡teams ¡ Interviewees ¡ Graphic ¡support ¡ iGEM ¡Deli ¡2014 ¡ Maricar ¡Salacinas ¡ iGEM ¡Groningen ¡2014 ¡ Alba ¡Ramos ¡Álvarez ¡ Dr. ¡Javier ¡López ¡Cepero ¡ iGEM ¡Eindhoven ¡2014 ¡ Phelim ¡Hoey ¡ Kaushik ¡Rangarajan ¡ Luud ¡Clerks ¡ ¡ ¡

Acknowledgments

Give bananas a fighting chance! Thank ¡you ¡for ¡ your ¡aTenNon! ¡ Poster ¡121!! ¡

Horizontal gene transfer inhibition Detect ¡ Self-­‑destruct ¡ Adack ¡ An5-­‑gene ¡transfer ¡

Other approach for GMO in soil • Time ¡induced ¡Kill-­‑switch ¡ • Autotrophic ¡to ¡banana ¡root ¡exudates ¡

Micro ecology in soil • What ¡you ¡introduce ¡in ¡the ¡soil, ¡will ¡cause ¡an ¡ecological ¡shie ¡ • Induc5on ¡system ¡reduces ¡collateral ¡damage ¡ • Repeated ¡introduc5on ¡of ¡GMO ¡does ¡not ¡intensified ¡effect ¡ ¡ ¡ (Viebahn ¡et ¡al. ¡2003) ¡ Fusaric ¡acid ¡ Inhibitor ¡ An5-­‑fungals ¡ FaiP ¡ Detec5on ¡

Model parameters

Toxin ¡I ¡ A Regulator ¡ CIλ ¡ Toxins ¡ Fungal ¡growth ¡ TetR ¡ LacI ¡ Toxin ¡II ¡ A inhibitors ¡