En genomteknikbaserad systematisk strategi för att utveckla fagresistenta Escherichia coli-stammar har framgångsrikt utvecklats genom samarbeten mellan ett team som leds av professor Sang Yup Lee, professor Shi Chen och professor Lianrong Wang. Denna studie av Xuan Zou et al publicerades i Nature Communications i augusti 2022 och med i Editors' Highlights. Samarbetet mellan School of Pharmaceutical Sciences vid Wuhan University, Shenzhen Universitys First Affiliated Hospital och KAIST Department of Chemical and Biomolecular Engineering har gjort ett viktigt framsteg inom metabolisk ingenjörs- och fermenteringsindustrin eftersom det löser ett stort problem med faginfektion orsakar jäsningsfel.

Systemmetabolic engineering är ett mycket tvärvetenskapligt område som har gjort utvecklingen av mikrobiella cellfabriker för att producera olika bioprodukter inklusive kemikalier, bränslen och material möjlig på ett hållbart och miljövänligt sätt, vilket mildrar effekterna av världsomspännande resursutarmning och klimatförändringar. Escherichia coli är en av de viktigaste mikrobiella stammarna i chassit, med tanke på dess breda tillämpningar inom biobaserad produktion av en mängd olika kemikalier och material. Med utvecklingen av verktyg och strategier för systemmetabolism med E. coli kommer en mycket optimerad och välkarakteriserad cellfabrik att spela en avgörande roll för att omvandla billiga och lättillgängliga råvaror till produkter av stort ekonomiskt och industriellt värde.

Det konsekventa problemet med fagkontamination vid jäsning medför dock en förödande inverkan på värdceller och hotar produktiviteten hos bakteriella bioprocesser i biotekniska anläggningar, vilket kan leda till omfattande jäsningsfel och omätbara ekonomiska förluster. Värdkontrollerade försvarssystem kan utvecklas till effektiva gentekniklösningar för att ta itu med bakteriofagkontamination vid fermentering i industriell skala; de flesta av resistensmekanismerna begränsar dock fager snävt och deras effekt på fagkontamination kommer att vara begränsad.

Det har gjorts försök att utveckla olika förmågor/system för miljöanpassning eller antiviralt försvar. Teamets samarbete utvecklade ett nytt typ II enkelsträngat DNA-fosforotioering (Ssp) försvarssystem härlett från E. coli 3234/A, som kan användas i flera industriella E. coli-stammar (t.ex. E. coli K-12, B) och W) för att tillhandahålla brett skydd mot olika typer av dsDNA-kolifager.

Dessutom utvecklade de en systematisk genomteknikstrategi som involverade samtidig genomisk integrering av Ssp-försvarsmodulen och mutationer i komponenter som är väsentliga för fagens livscykel. Denna strategi kan användas för att transformera E. coli-värdar som är mycket mottagliga för fagangrepp till stammar med kraftfulla restriktionseffekter på de testade bakteriofagerna. Detta ger värdar stark resistens mot ett brett spektrum av faginfektioner utan att påverka bakterietillväxt och normal fysiologisk funktion. Ännu viktigare är att de resulterande konstruerade fagresistenta stammarna bibehöll förmågan att producera de önskade kemikalierna och rekombinanta proteinerna även under höga nivåer av fagcocktailutmaning, vilket ger avgörande skydd mot fagattacker.

Detta är ett stort steg framåt, eftersom det ger en systematisk lösning för att konstruera fagresistenta bakteriestammar, särskilt industriella bioproduktionsstammar, för att skydda celler från ett brett spektrum av bakteriofager. Med tanke på funktionaliteten hos denna ingenjörsstrategi med olika E. coli-stammar, kan strategin som rapporteras i denna studie utvidgas till andra bakteriearter och industriella tillämpningar, vilket kommer att vara av stort intresse för både forskare inom den akademiska världen och industrin. + Utforska vidare

Förstå hur bakterier har utvecklat en ny försvarsmekanism mot faginfektion