Fig. Un modello schematico della strategia sistematica per l'ingegnerizzazione di ceppi industriali di E. coli sensibili ai fagi in ceppi con ampie attività antifagiche. Attraverso l'integrazione genomica simultanea di un modulo di difesa Ssp basato sulla fosforotioazione del DNA e le mutazioni di componenti essenziali per il ciclo di vita dei fagi, i ceppi di E. coli ingegnerizzati mostrano una forte resistenza contro diversi fagi testati e mantengono le capacità di produrre proteine ricombinanti di esempio, anche sotto alti livelli di sfida al cocktail di fagi. Credito:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Una strategia sistematica basata sull'ingegneria del genoma per lo sviluppo di ceppi di Escherichia coli resistenti ai fagi è stata sviluppata con successo grazie agli sforzi collaborativi di un team guidato dal professor Sang Yup Lee, dal professor Shi Chen e dal professor Lianrong Wang. Questo studio di Xuan Zou et al è stato pubblicato su Nature Communications nell'agosto 2022 ed è apparso negli Highlights degli editori. La collaborazione della School of Pharmaceutical Sciences dell'Università di Wuhan, del First Affiliated Hospital dell'Università di Shenzhen e del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare del KAIST ha fatto un importante progresso nell'industria dell'ingegneria metabolica e della fermentazione poiché risolve un grosso problema di infezione dei fagi provocando una mancata fermentazione.
L'ingegneria metabolica dei sistemi è un campo altamente interdisciplinare che ha reso possibile lo sviluppo di fabbriche di cellule microbiche per produrre vari bioprodotti tra cui sostanze chimiche, combustibili e materiali in modo sostenibile ed ecologico, mitigando l'impatto dell'esaurimento delle risorse mondiali e del cambiamento climatico. L'Escherichia coli è uno dei più importanti ceppi microbici del telaio, date le sue ampie applicazioni nella produzione biologica di una vasta gamma di sostanze chimiche e materiali. Con lo sviluppo di strumenti e strategie per l'ingegneria metabolica dei sistemi che utilizzano E. coli, una fabbrica cellulare altamente ottimizzata e ben caratterizzata svolgerà un ruolo cruciale nella conversione di materie prime economiche e prontamente disponibili in prodotti di grande valore economico e industriale.
Tuttavia, il problema consistente della contaminazione dei fagi nella fermentazione impone un impatto devastante sulle cellule ospiti e minaccia la produttività dei bioprocessi batterici negli impianti di biotecnologia, il che può portare a un diffuso fallimento della fermentazione e a perdite economiche incommensurabili. I sistemi di difesa controllati dall'ospite possono essere sviluppati in soluzioni efficaci di ingegneria genetica per affrontare la contaminazione da batteriofagi nella fermentazione su scala industriale; tuttavia, la maggior parte dei meccanismi di resistenza limita solo di poco i fagi e il loro effetto sulla contaminazione dei fagi sarà limitato.
Ci sono stati tentativi di sviluppare diverse abilità/sistemi per l'adattamento ambientale o la difesa antivirale. Gli sforzi di collaborazione del team hanno sviluppato un nuovo sistema di difesa della fosforotioazione del DNA a filamento singolo (Ssp) di tipo II derivato da E. coli 3234/A, che può essere utilizzato in più ceppi industriali di E. coli (ad es. E. coli K-12, B e W) per fornire un'ampia protezione contro vari tipi di colifagi dsDNA.
Inoltre, hanno sviluppato una strategia sistematica di ingegneria del genoma che prevede l'integrazione genomica simultanea del modulo di difesa Ssp e le mutazioni nei componenti essenziali per il ciclo di vita dei fagi. Questa strategia può essere utilizzata per trasformare gli ospiti di E. coli che sono altamente suscettibili all'attacco dei fagi in ceppi con potenti effetti di restrizione sui batteriofagi testati. Ciò conferisce agli ospiti una forte resistenza contro un ampio spettro di infezioni fagiche senza compromettere la crescita batterica e la normale funzione fisiologica. Ancora più importante, i ceppi ingegnerizzati resistenti ai fagi risultanti hanno mantenuto le capacità di produrre le sostanze chimiche desiderate e le proteine ricombinanti anche con livelli elevati di sfida ai cocktail di fagi, il che fornisce una protezione cruciale contro gli attacchi dei fagi.
Questo è un importante passo avanti, in quanto fornisce una soluzione sistematica per la progettazione di ceppi batterici resistenti ai fagi, in particolare i ceppi di bioproduzione industriale, per proteggere le cellule da un'ampia gamma di batteriofagi. Considerando la funzionalità di questa strategia ingegneristica con diversi ceppi di E. coli, la strategia riportata in questo studio può essere ampiamente estesa ad altre specie batteriche e applicazioni industriali, che saranno di grande interesse sia per i ricercatori nel mondo accademico che industriale. + Esplora ulteriormente
