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 ¡

billion ¡ bananas ¡ ¡ eaten/year ¡

4th ¡

most ¡ ¡ important ¡ ¡ crop ¡

400 ¡ ¡

Staple ¡ ¡ for ¡ million ¡ ¡ people ¡

7 ¡

billion ¡$/year ¡ market ¡value ¡

Panama ¡disease ¡

Panamadisease.org ¡ Ar/cle ¡in ¡Nature ¡news, ¡11 ¡December ¡2013 ¡ Food ¡and ¡Agriculture ¡Organiza/on ¡of ¡the ¡United ¡Na/ons ¡(FAO), ¡2014 ¡ ¡

Gros ¡Michel ¡ Cavendish ¡

Fungus ¡killing ¡banana ¡crops ¡worldwide ¡ No ¡effec5ve ¡control ¡

Panama ¡disease ¡

Fusarium oxysporum cubense TR4

F.A. ¡Garcia ¡et ¡al., ¡2014 ¡

Panama ¡disease ¡

• F. oxysporum is spreading

¡

¡ “If ¡TR4 ¡is ¡in ¡La2n ¡America, ¡ it ¡is ¡going ¡to ¡be ¡a ¡ disaster...” ¡

¡

Panama ¡disease ¡

• Prof. ¡Rony ¡Swennen ¡ ¡

Leading ¡banana ¡expert, ¡ ¡ KU ¡Leuven ¡

¡

Ar/cle ¡in ¡the ¡Independent, ¡2014 ¡

In the words of...

Human ¡outreach ¡

“Since ¡you ¡are ¡not ¡changing ¡the ¡plant ¡itself, ¡ ¡ I ¡think ¡farmers ¡would ¡be ¡happy ¡to ¡use ¡it.” ¡

Kaushik ¡Rangarajan ¡

Consumer ¡

“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 ¡ ¡

Interviews

Approach ¡

Synthetic biology in agriculture

SyntheNc ¡ Biological ¡ Biology ¡ Biological ¡ ¡ ¡ ¡Control ¡

System ¡design ¡

Nikel ¡et ¡al., ¡Nature ¡2014 ¡

Biological ¡control ¡proper5es ¡ Emerging ¡strain ¡in ¡synthe5c ¡biology ¡ Can ¡use ¡E. ¡coli ¡toolbox ¡and ¡vice ¡versa ¡ Generally ¡recognised ¡as ¡safe ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(GRAS ¡Cer5fied) ¡

Host: Pseudomonas putida

Specificity ¡ EffecNveness ¡ Safety ¡

Detect ¡ Self-­‑destruct ¡ ATack ¡

System ¡design ¡

BananaGuard

System ¡design ¡

BananaGuard

Detect ¡

Promoter ¡next ¡to ¡fusaric ¡acid ¡resistance ¡cluster ¡in ¡P. ¡pu/da ¡ ¡ Detects ¡fusaric ¡acid ¡

BBa_K1493000 ¡ BBa_K1493002 ¡ BBa_K1493003 ¡

Regulator ¡ Reporter ¡

DetecNon ¡ Fusaric ¡acid ¡ FaiP ¡

Nelson ¡et ¡al., ¡2002 ¡

Fusaric acid inducible Promoter (FaiP)

Detect ¡

* ¡ ¡p<0.05 ¡

FaiP: Fusaric acid detection

0µM 85µM 170µM 255µM 340µM 425µM pLac (control) WT

• 1

0.8 0.6 0.4 0.2

• *

* * *

ATack ¡

Attack

4 ¡

Belgrove ¡et ¡al., ¡2007 ¡ Meldau ¡et ¡al., ¡2013 ¡; ¡Zhang ¡et ¡al,. ¡2013 ¡ Mauch ¡et ¡al., ¡1988; ¡Herrera-­‑Estrella ¡et ¡al., ¡1999 ¡ Duijff ¡et ¡al., ¡1993; ¡Elad ¡et ¡al., ¡1985 ¡ ¡

ATack ¡

2,4-­‑DAPG ¡ DMDS ¡& ¡DMTS ¡ Chi5nase ¡ Pyoverdine ¡

BBa_K1493300 ¡ BBa_K1493200 ¡

4 fungal growth inhibitors

4 ¡ ATack ¡

• F. oxysporum TR4 inhibition

Self-destruct

Self-­‑destruct ¡

CIλ ¡ Toxin ¡

TetR ¡

LacI ¡

Fusaric ¡acid ¡

Fungal ¡growth ¡ inhibitors ¡

(I) ¡Res5ng ¡state: ¡no ¡F. ¡oxysporum ¡present ¡ (II) ¡Ac5ve ¡state ¡: ¡F. ¡oxysporum ¡present ¡ ¡ (III) ¡Self ¡destruct: ¡no ¡F. ¡oxysporum ¡present ¡ Self-­‑destruct ¡ Input ¡output ¡ Toggle ¡switch ¡ FaiP ¡

Kill-switch: 3 different states

CIλ ¡ GFP ¡

pRhamnose ¡ pTet/CI ¡

Input ¡output ¡ ¡ plasmid ¡ No ¡rhamnose ¡ ¡Rhamnose ¡ Self-­‑destruct ¡

BBa_K1493560 ¡

Kill-switch: input output plasmid

No ¡induc5on ¡ IPTG ¡induced ¡ aTc ¡induced ¡

Fluorescece ¡OD600

• ­‑1 ¡[RFU] ¡(x1000) ¡

* *

* ¡ ¡ ¡p<0.05 ¡

TetR ¡

LacI ¡

GFP ¡

pCI/lac ¡ pTet ¡

Toggle ¡switch ¡ ¡ plasmid ¡

aTc ¡ IPTG ¡

Self-­‑destruct ¡

BBa_K1493701 ¡ BBa_K1493702 ¡ BBa_L1493703 ¡ ¡

Kill-switch: Toggle switch plasmid

Self-­‑destruct ¡

Kill-switch: toggle switch plasmid

CIλ ¡ Toxin ¡

TetR ¡

LacI ¡

Changing ¡ ¡posiNon ¡affects ¡ repression ¡strength ¡ Number ¡of ¡sites ¡affects ¡ repression ¡strength ¡

Self-­‑destruct ¡

Cox ¡et ¡al., ¡2007 ¡

Kill-switch: promoter binding sites

¡ ¡ ¡Non-­‑funcNoning ¡ ¡ ¡Inefficient ¡ ¡ ¡FuncNoning ¡

Self-­‑destruct ¡

Promoter design

Self-­‑destruct ¡

Model output

CIλ ¡ Toxin ¡ TetR ¡ LacI ¡ OpNmal ¡configuraNon ¡ CIλ ¡ Toxin ¡ TetR ¡ LacI ¡ Original ¡configuraNon ¡

BBa_K1493801 ¡ BBa_K1493802 ¡ Bba_K1493804 ¡ Bba_K1493805 ¡ Bba_K1493806 ¡ ¡

Designed ¡promoters ¡with ¡GFP ¡downstream ¡ ¡

Kill-­‑switch ¡2.0 ¡under ¡construc5on ¡

Self-­‑destruct ¡ Set ¡2 ¡ Set ¡1 ¡

Kill-switch 2.0

Final ¡system ¡ ¡

BananaGuard

Metabolic ¡cost ¡ Circuit ¡stability ¡ ¡ Inhibi5on ¡effecNveness ¡

Final ¡system ¡ ¡

BananaGuard performance

Carbon ¡uptake ¡rate ¡(mmol ¡gDW-­‑1 ¡hr-­‑1) ¡ Rela5ve ¡growth ¡rate ¡of ¡BananaGuard ¡ Rela5ve ¡growth ¡rate ¡(% ¡of ¡wild ¡type) ¡

In ¡silico ¡

Genome-­‑scale ¡metabolic ¡model ¡

Ac5ve ¡state ¡

3 ¡States: ¡

Res5ng ¡state ¡ Self ¡destruct ¡

BananaGuard cost

Stochas5c ¡model ¡over ¡cell ¡division ¡

In ¡silico ¡ 36% ¡AcNve ¡ 98% ¡AcNve ¡

Soil ¡condi5ons ¡ Laboratory ¡condi5ons ¡

BananaGuard stability

InhibiNon: ¡In ¡vivo ¡tesNng ¡of ¡fungal ¡inhibiNon ¡in ¡greenhouse ¡ Greenhouse ¡

Testing application in the soil

Policies in synthetic biology

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

Conclusion

Acknowledgments

• Prof. ¡Chris/an ¡Fleck ¡ ¡

Kees ¡van ¡der ¡Ark ¡ Marnix ¡Vlot ¡ Nico ¡Claassens ¡ ¡ Stama/os ¡Damalas ¡ ¡

• Dr. ¡Robert ¡Smith ¡

Ruben ¡van ¡Heck ¡ ¡

• Dr. ¡Gert ¡Kema ¡ ¡

Fernando ¡G. ¡Bas/das ¡ ¡

Supervisors ¡ Wiki ¡support ¡ Graphic ¡support ¡

Sophia ¡Wang ¡ Alba ¡Ramos ¡Álvarez ¡ Phelim ¡Hoey ¡ ¡

• Dr. ¡Mark ¡van ¡Passel ¡ ¡
• Prof. ¡Willem ¡de ¡Vos ¡
• Prof. ¡Vitor ¡Mar/ns ¡Dos ¡Santos ¡
• Prof. ¡John ¡van ¡der ¡Oost ¡
• Prof. ¡Hauke ¡Smidt ¡ ¡

Tom ¡van ¡de ¡Weijer ¡ ¡ Philippe ¡Puylaert ¡

• Dr. ¡A. ¡R. ¡Ferrari ¡
• Dr. ¡Tom ¡Ellis ¡ ¡
• Prof. ¡Jos ¡Raaimakers ¡
• Dr. ¡Victor ¡de ¡Lorenzo ¡

¡ ¡

ScienNfic ¡support ¡

WUR ¡MIB ¡chair ¡group ¡ WUR ¡SSB ¡chair ¡group ¡ Plant ¡Research ¡interna/onal ¡ RIVM ¡ ¡

InsNtuNons ¡& ¡Groups ¡ Interviewees ¡

Maricar ¡Salacinas ¡

• Dr. ¡Javier ¡López ¡Cepero ¡

Kaushik ¡Rangarajan ¡ Luud ¡Clerks ¡ ¡ ¡

iGEM ¡teams ¡

iGEM ¡Deli ¡2014 ¡ iGEM ¡Groningen ¡2014 ¡ iGEM ¡Eindhoven ¡2014 ¡

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

Inhibitor ¡ An5-­‑fungals ¡

Detec5on ¡ Fusaric ¡acid ¡ FaiP ¡

• 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) ¡

Model parameters

TetR ¡ LacI ¡

Fungal ¡growth ¡ inhibitors ¡

Regulator ¡ Toxins ¡ CIλ ¡ Toxin ¡I ¡ Toxin ¡II ¡ A A

Human outreach: interviews

Human ¡outreach ¡

Luud ¡Clerx ¡

Head ¡of ¡FAO* ¡Task ¡force ¡of ¡Fusarium ¡TR4 ¡ ¡ ¡

*Food ¡and ¡Agriculture ¡Organiza5on ¡ ¡of ¡the ¡United ¡Na5ons ¡

“The ¡soil ¡is ¡s5ll ¡very ¡much ¡a ¡black ¡box, ¡we ¡have ¡to ¡be ¡very ¡ cau5ous ¡about ¡it." ¡ ¡

“The ¡Philippines ¡is ¡a ¡country ¡that ¡is ¡more ¡or ¡less ¡open ¡to ¡ GMO-­‑based ¡products, ¡in ¡fact ¡we ¡are ¡one ¡of ¡the ¡biggest ¡ consumers ¡of ¡GM ¡corn. ¡I ¡think ¡they ¡would ¡accept ¡it” ¡ “Since ¡you ¡are ¡not ¡changing ¡the ¡plant ¡itself, ¡I ¡think ¡ farmers ¡would ¡be ¡happy ¡to ¡use ¡it.” ¡ "I ¡see ¡it ¡[the ¡iGEM ¡project] ¡as ¡more ¡interes5ng ¡than ¡the ¡ the ¡use ¡of ¡pes5cides ¡and ¡other ¡molecules, ¡but ¡less ¡ interes5ng ¡than ¡good ¡soil ¡management." ¡ ¡

Maricar ¡Salacinas ¡

Ph.D. ¡Student ¡in ¡epidemiology ¡Fusarium ¡TR4 ¡ from ¡philippines ¡

Kaushik ¡Rangarajan ¡

Student ¡from ¡India ¡

Javier ¡López ¡Cepero ¡

Ph.D. ¡In ¡Agronomic ¡ engineering ¡ ¡