Pseudomonas aeruginosa to oportunistyczny patogen bakteryjny, który może powodować choroby zagrażające życiu u ludzi, zwłaszcza u osób z obniżoną odpornością. Chorobotwórczość P. aeruginosa wynika z ekspresji wielu czynników wirulencji, w tym proteaz i lipopolisacharydu, a także z jego zdolności do tworzenia ochronnego biofilmu1. Ze względu na jego zdolność do wytwarzania czynników wirulencji i wywoływania chorób u ludzi, stosowanie P. aeruginosa do wytwarzania produktów komercyjnych stwarza obawy dotyczące bezpieczeństwa. Niepatogenne szczepy E. coli są tradycyjnie wykorzystywane do bioinżynierii produktów medycznych i komercyjnych przeznaczonych do stosowania u ludzi. Jednak niektóre produkty są trudne do wytworzenia przez E. coli, a wiele z nich jest pakowanych w korpusy inkluzyjne, co sprawia, że ekstrakcja jest pracochłonna. Zmodyfikowane szczepy bakteryjne zdolne do wytwarzania i wydzielania określonych produktów są wysoce pożądane, ponieważ wydzielanie prawdopodobnie zwiększyłoby wydajność i ułatwiło procesy oczyszczania. Tak więc niepatogenne szczepy innych gatunków bakterii (np. Gatunki, które wykorzystują więcej ścieżek wydzielania) mogą stanowić użyteczną alternatywę dla E. coli. Niedawno informowaliśmy o rozwoju szczepu P. aeruginosa, PGN5, w którym patogenność i toksyczność organizmu jest wysoce osłabiona2. Co ważne, szczep ten nadal wytwarza duże ilości alginianu polisacharydów, interesującego z handlowego punktu widzenia składnika biofilmu P. aeruginosa.
Szczep PGN5 został wygenerowany przy użyciu dwuetapowej procedury wymiany allelicznej z plazmidem pEX100T-NotI w celu sekwencyjnego usunięcia pięciu genów (toxA, plcH, phzM, wapR, aroA), o których wiadomo, że przyczyniają się do patogeniczności organizmu. pEX100T-NotI został wygenerowany przez zmianę SmaI na miejsce rozpoznawania enzymu restrykcyjnego NotI w obrębie miejsca wielokrotnego klonowania plazmidu pEX100T, który został opracowany w lab3,4. Miejscem rozpoznania enzymu restrykcyjnego NotI jest rzadsza sekwencja DNA w porównaniu z SmaI i mniej prawdopodobne jest, że będzie obecna w klonowanych sekwencjach, dlatego jest wygodniejsza do celów klonowania. Plazmid zawiera geny, które pozwalają na selekcję, w tym gen bla, który koduje ß-laktamazę i nadaje odporność na karbenicylinę, oraz gen B. subtilissacB, który nadaje wrażliwość na sacharozę (ryc. 1A). Plazmid ma również początek replikacji (ori) zgodny z E. coli oraz początek transferu (oriT), który pozwala na transfer plazmidu z E. coli do gatunków Pseudomonas poprzez koniugację. Jednak plazmid nie ma początku replikacji zgodnego z Pseudomonas, a zatem nie może się replikować w obrębie gatunku Pseudomonas (tj. jest wektorem samobójczym Pseudomonas). Te cechy sprawiają, że pEX100T-NotI idealnie nadaje się do celowania w delecje genetyczne z chromosomu Pseudomonas. Etapy klonowania plazmidu przeprowadza się przy użyciu E. coli, a powstały plazmid jest przenoszony do Pseudomonas przez transformację lub koniugację. Następnie, poprzez homologiczne zdarzenia rekombinacji i selektywne etapy, generowana jest ukierunkowana delecja w ramce, wolna od markerów. Ta metoda sekwencyjnego usuwania regionów genomowych z chromosomu P. aeruginosa może być wykorzystana do generowania wysoce atenuowanych szczepów Pseudomonas, takich jak PGN5, lub do projektowania szczepów do innych specyficznych zastosowań (np. szczepów z niedoborem endonukleaz do namnażania plazmidu lub szczepów z niedoborem proteaz do produkcji białek będących przedmiotem zainteresowania).
Ogólna zjadliwość szczepów bakterii zależy od warunków i faz wzrostu, podczas których mutacje występują często. Dlatego pomiar bezpieczeństwa genetycznie modyfikowanych szczepów może być wyzwaniem. Aby ocenić izolaty bakteryjne pod kątem zjadliwości ogólnoustrojowej, dostosowaliśmy wcześniej opublikowany protokół infekcji przez dootrzewnowe wstrzyknięcie myszy C57BL / 6 5. Zmodyfikowaliśmy tę procedurę, aby użyć zamrożonych wywarów bakteryjnych do wstrzykiwań, co pozwoliło na precyzyjne dozowanie i łatwą walidację użytych szczepów. W tym modelu szczep E. coli BL21, który został zatwierdzony przez FDA do produkcji biofarmaceutyków, został wykorzystany jako standard bezpieczeństwa kontroli do określenia względnej patogenezy szczepu6,7,8. Główną zaletą stosowania tej metody jest to, że jest ona powtarzalna i minimalizuje źródła zmienności, ponieważ infekujące szczepy są walidowane pod kątem liczby komórek bakteryjnych, fenotypu i markerów genetycznych zarówno przed, jak i po zakażeniu. Dzięki tym kontrolowanym krokom zmniejsza się liczba wymaganych zwierząt. W tym modelu szczepy P. aeruginosa, które powodują śmiertelność myszy C57BL/6 równą lub mniejszą niż E. coli BL21 po wstrzyknięciu dootrzewnowym, można uznać za atenuowane. Ten prosty mysi model infekcji może być również wykorzystany do oceny osłabionej patogenności genetycznie modyfikowanych szczepów innych gatunków, wykorzystując zatwierdzony przez FDA szczep E. coli jako punkt odniesienia. Kroki 1-7 szczegółowo opisują generowanie sekwencyjnych delecji genomowych u P. aeruginosa (ryc. 1), a kroki 8-12 szczegółowo opisują wykorzystanie modelu mysiego do badania patogenności szczepów P. aeruginosa.