Transplanting metabolic reactions from one species into another has many uses as a research tool with applications ranging from optogenetics to crop production. Ferredoxin (Fd), the enzyme that most often supplies electrons to these reactions, is often overlooked when transplanting enzymes from one species to another because most cells already contain endogenous Fd. However, we have shown that the production of chromophores used in Phytochrome B (PhyB) optogenetics is greatly enhanced in mammalian cells by expressing bacterial and plant Fds with ferredoxin-NADP+ reductases (FNR). We delineated the rate limiting factors and found that the main metabolic precursor, heme, was not the primary limiting factor for producing either the cyanobacterial or plant chromophores, phycocyanobilin or phytochromobilin, respectively. In fact, Fd is limiting, followed by Fd+FNR and finally heme. Using these findings, we optimized the PCB production system and combined it with a tissue penetrating red/far-red sensing PhyB optogenetic gene switch in animal cells. We further characterized this system in several mammalian cell lines using red and far-red light. Importantly, we found that the light-switchable gene system remains active for several hours upon illumination, even with a short light pulse, and requires very small amounts of light for maximal activation. Boosting chromophore production by matching metabolic pathways with specific ferredoxin systems will enable the unparalleled use of the many PhyB optogenetic tools and has broader implications for optimizing synthetic metabolic pathways.

中文翻译：

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使用铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP +还原酶系统进行正交分子的生物合成可实现遗传编码的PhyB光遗传学。

将代谢反应从一种物种移植到另一种物种有许多用途，作为研究工具，其应用范围从光遗传学到作物生产。铁氧还蛋白（Fd）是最常为这些反应提供电子的酶，在将酶从一种物种移植到另一种物种时，通常会被忽视，因为大多数细胞已经含有内源性Fd。但是，我们已经表明，通过用铁氧还蛋白-NADP +还原酶（FNR）表达细菌和植物Fds，哺乳动物细胞中植物色素B（PhyB）光遗传学中使用的生色团的产生大大增强。我们描述了限速因子，发现主要的代谢前体血红素不是分别产生蓝细菌或植物生色团，藻蓝蛋白或植物卟啉的主要限制因子。实际上，Fd是有限制的，其次是Fd + FNR，最后是血红素。利用这些发现，我们优化了PCB生产系统，并将其与穿透动物细胞中红色/远红色感测PhyB光遗传基因开关的组织相结合。我们在使用红光和远红光的几种哺乳动物细胞系中进一步表征了该系统。重要的是，我们发现，即使在短脉冲的情况下，光可转换基因系统在照明后仍可保持活跃状态​​数小时，并且需要极少量的光才能实现最大程度的激活。通过将代谢途径与特定的铁氧还蛋白系统相匹配来促进生色团的产生，将使许多PhyB光遗传学工具得到无与伦比的使用，并且对优化合成代谢途径具有更广泛的意义。我们优化了PCB生产系统，并将其与穿透动物细胞中红色/远红色感应PhyB光遗传基因开关的组织相结合。我们在使用红光和远红光的几种哺乳动物细胞系中进一步表征了该系统。重要的是，我们发现，即使在短脉冲的情况下，光可转换基因系统在照明后仍可保持活跃状态​​数小时，并且需要极少量的光才能实现最大程度的激活。通过将代谢途径与特定的铁氧还蛋白系统相匹配来促进生色团的产生，将使许多PhyB光遗传学工具得到无与伦比的使用，并且对优化合成代谢途径具有更广泛的意义。我们优化了PCB生产系统，并将其与穿透动物细胞中红色/远红色感应PhyB光遗传基因开关的组织相结合。我们在使用红光和远红光的几种哺乳动物细胞系中进一步表征了该系统。重要的是，我们发现，即使在短脉冲的情况下，光可转换基因系统在照明后仍可保持活跃状态​​数小时，并且需要极少量的光才能实现最大程度的激活。通过使代谢途径与特定的铁氧还蛋白系统相匹配来促进生色团的产生，将使许多PhyB光遗传学工具得到无与伦比的使用，并且对优化合成代谢途径具有更广泛的意义。我们在使用红光和远红光的几种哺乳动物细胞系中进一步表征了该系统。重要的是，我们发现，即使在短脉冲的情况下，光可转换基因系统在照明后仍可保持活跃状态​​数小时，并且需要极少量的光才能实现最大程度的激活。通过使代谢途径与特定的铁氧还蛋白系统相匹配来促进生色团的产生，将使许多PhyB光遗传学工具得到无与伦比的使用，并且对优化合成代谢途径具有更广泛的意义。我们在使用红光和远红光的几种哺乳动物细胞系中进一步表征了该系统。重要的是，我们发现，即使在短脉冲的情况下，光可转换基因系统在照明后仍可保持活跃状态​​数小时，并且需要极少量的光才能实现最大程度的激活。通过将代谢途径与特定的铁氧还蛋白系统相匹配来促进生色团的产生，将使许多PhyB光遗传学工具得到无与伦比的使用，并且对优化合成代谢途径具有更广泛的意义。