Een op genoom-engineering gebaseerde systematische strategie voor het ontwikkelen van faagresistente Escherichia coli-stammen is met succes ontwikkeld door de gezamenlijke inspanningen van een team onder leiding van professor Sang Yup Lee, professor Shi Chen en professor Lianrong Wang. Deze studie van Xuan Zou et al is gepubliceerd in Nature Communications in augustus 2022 en stond in de Editors' Highlights. De samenwerking tussen de School of Pharmaceutical Sciences van de Wuhan University, het First Affiliated Hospital van de Shenzhen University en de KAIST Department of Chemical and Biomolecular Engineering heeft een belangrijke stap vooruit gezet in de metabolische engineering- en fermentatie-industrie omdat het een groot probleem van faaginfectie oplost waardoor fermentatie mislukt.

Systeemmetabolische engineering is een zeer interdisciplinair veld dat de ontwikkeling van microbiële celfabrieken heeft gemaakt om verschillende bioproducten, waaronder chemicaliën, brandstoffen en materialen, op een duurzame en milieuvriendelijke manier te produceren, waardoor de impact van wereldwijde uitputting van hulpbronnen en klimaatverandering wordt verzacht. Escherichia coli is een van de belangrijkste microbiële chassisstammen, gezien de brede toepassingen in de biogebaseerde productie van een breed scala aan chemicaliën en materialen. Met de ontwikkeling van tools en strategieën voor systeemmetabolische engineering met behulp van E. coli, zal een sterk geoptimaliseerde en goed gekarakteriseerde celfabriek een cruciale rol spelen bij het omzetten van goedkope en gemakkelijk beschikbare grondstoffen in producten van grote economische en industriële waarde.

Het consistente probleem van faagbesmetting bij fermentatie heeft echter een verwoestende impact op gastheercellen en bedreigt de productiviteit van bacteriële bioprocessen in biotechnologische faciliteiten, wat kan leiden tot wijdverbreide fermentatiemislukking en onmetelijk economisch verlies. Door gastheer gecontroleerde verdedigingssystemen kunnen worden ontwikkeld tot effectieve genetische manipulatieoplossingen om bacteriofaagbesmetting bij fermentatie op industriële schaal aan te pakken; de meeste resistentiemechanismen beperken echter slechts de fagen en hun effect op faagcontaminatie zal beperkt zijn.

Er zijn pogingen gedaan om verschillende vaardigheden/systemen te ontwikkelen voor aanpassing aan de omgeving of antivirale verdediging. De gezamenlijke inspanningen van het team ontwikkelden een nieuw type II enkelstrengs DNA-fosforothioation (Ssp)-afweersysteem afgeleid van E. coli 3234/A, dat kan worden gebruikt in meerdere industriële E. coli-stammen (bijv. E. coli K-12, B en W) om brede bescherming te bieden tegen verschillende typen dsDNA-colifagen.

Bovendien ontwikkelden ze een systematische strategie voor genoomengineering waarbij de gelijktijdige genomische integratie van de Ssp-afweermodule en mutaties in componenten die essentieel zijn voor de faaglevenscyclus, betrokken zijn. Deze strategie kan worden gebruikt om E. coli-gastheren die zeer gevoelig zijn voor faagaanvallen te transformeren in stammen met krachtige restrictie-effecten op de geteste bacteriofagen. Dit geeft gastheren een sterke weerstand tegen een breed spectrum van faaginfecties zonder de bacteriegroei en de normale fysiologische functie te beïnvloeden. Wat nog belangrijker is, de resulterende gemanipuleerde faagresistente stammen behielden het vermogen om de gewenste chemicaliën en recombinante eiwitten te produceren, zelfs onder hoge niveaus van faagcocktail-uitdaging, wat cruciale bescherming biedt tegen faagaanvallen.

Dit is een grote stap voorwaarts, omdat het een systematische oplossing biedt voor het manipuleren van faagresistente bacteriestammen, met name industriële bioproductiestammen, om cellen te beschermen tegen een breed scala aan bacteriofagen. Gezien de functionaliteit van deze technische strategie met diverse E. coli-stammen, kan de strategie die in deze studie wordt gerapporteerd, breed worden uitgebreid naar andere bacteriesoorten en industriële toepassingen, die van groot belang zullen zijn voor onderzoekers in de academische wereld en de industrie. + Verder verkennen

Begrijpen hoe bacteriën een nieuw afweermechanisme hebben ontwikkeld tegen faaginfectie