[Construction of an anti-phage network system based on synergistic mechanisms and its applications in synthetic biology].

چکیده اصلی

In natural ecosystems, bacteriophages play a crucial role in bacterial lysis. Bacteriophage contamination frequently leads to fermentation failure, resulting in compromised product quality and purity, as well as substantial economic loss. Consequently, effective strategies are required in the fermentation industry to mitigate bacteriophage contamination. The use of a single anti-phage strategy is readily evaded by spontaneous phage mutations, resulting in limited and poorly applicable protection against phage infection. Synergistic defense mechanisms involving multiple systems suppress the spontaneous mutations that enable phage escape, thereby broadening phage resistance. This study is designed to tackle the bottleneck associated with single anti-phage strategies, which are susceptible to escape via spontaneous phage mutations, exhibit limited protective efficacy, and suffer from poor applicability. By integrating receptor engineering with synergistic defense mechanisms, a highly efficient, broad-spectrum, and non-toxic phage defense network system is constructed. This system is subsequently applied to industrial fermentation strains, with the aim of achieving effective resistance against phage contamination and improving the stability of fermentation processes. Initially, a synergistic resistance mechanism between Shedu and Septu was identified through laboratory screening of defense mechanisms. Further investigation revealed that the endonuclease activity of Shedu and the ATPase and HNH nuclease activities of Septu jointly contribute to synergistic resistance. Optimization of promoters was employed to adapt the Shedu and Septu mechanisms, thereby conferring resistance to phages T4, λ, P251, and P255. Subsequently, receptor engineering was applied to modify fhuA, a key adsorption site for phages T1 and T7, to achieve resistance against these phages and complete the construction of the anti-phage network system. Growth curve analysis demonstrated that the anti-phage network system exhibits minimal toxicity and high resistance efficiency, highlighting its strong industrial application potential. Finally, phage resistance was introduced into riboflavin- and ʟ-leucine-producing strains, enabling them to effectively counter phage contamination during fermentation. In a 5 L bioreactor, riboflavin production reached 11.2 g/L and ʟ-leucine production reached 64.0 g/L, thereby confirming the industrial potential of the anti-phage system. The resistance strategy reported herein facilitates the development of engineered Escherichia coli strains with robust and broad-spectrum phage resistance for using in the industrial fermentation of natural amino acids and high-value compounds.

ترجمه فارسی چکیده

در اکوسیستم‌های طبیعی، فاوی‌ها نقش مهمی در لیز شدن باکتری‌ها دارند. آلودگی فاوی اغلب منجر به شکست فرآیند ترشیر می‌شود که منجر به کاهش کیفیت و خلوص محصول و ضرر اقتصادی قابل توجهی می‌گردد. بنابراین، استراتژی‌های مؤثری برای کاهش آلودگی فاوی در صنعت ترشیر مورد نیاز است. استفاده از یک استراتژی ضد فاوی منفرد به راحتی توسط جهش‌های تصادفی فاوی فرار می‌یابد که منجر به محدودیت و کارایی دفاعی ضعیف می‌شود. مکانیسم‌های دفاعی هم‌افزا که شامل چندین سیستم هستند، جهش‌های تصادفی را که امکان فرار فاوی را فراهم می‌کنند، مهار می‌کنند و بنابراین مقاومت فاوی را گسترش می‌دهند. این مطالعه با هدف غلبه بر موانع استراتژی‌های ضد فاوی منفرد طراحی شده است. با ادغام مهندسی گیرنده با مکانیسم‌های دفاعی هم‌افزا، یک سیستم شبکه ضد فاوی با کارایی بالا، طیف گسترده و غیرسمی ساخته شد. این سیستم به گونه‌ای اعمال شد که به استحکام فرآیند ترشیر کمک کند. ابتدا یک مکانیسم مقاومت هم‌افزا بین Shedu و Septu شناسایی شد. بررسی‌ها نشان داد که فعالیت انزیم‌برش داخلی Shedu و فعالیت‌های ATPase و انزیم‌برش HNH Septu به طور مشترک در مقاومت هم‌افزا نقش دارند. تنظیم روندها برای تطبیق مکانیسم‌های Shedu و Septu، مقاومت در برابر فاوی‌های T4، λ، P251 و P255 را ایجاد کرد. سپس مهندسی گیرنده برای اصلاح fhuA، یک سایت جذب کلیدی برای فاوی‌های T1 و T7، اعمال شد تا مقاومت در برابر این فاوی‌ها حاصل شود. تحلیل منحنی رشد نشان داد که سیستم شبکه ضد فاوی سمیت کم و کارایی مقاومت بالا دارد. در نهایت، مقاومت فاوی به باکتری‌های تولید ریکوبلافلین و ʟ-لوسیزین وارد شد تا بتوانند در حین ترشیر به طور مؤثر با آلودگی فاوی مقابله کنند. در رآکتور ۵ لیتری، تولید ریکوبلافلین به ۱۱.۲ گرم بر لیتر و تولید ʟ-لوسیزین به ۶۴.۰ گرم بر لیتر رسید که پتانسیل صنعتی سیستم ضد فاوی را تأیید کرد.

متن کامل اصلی