Analysis of the bacteriophage P22 viral spread within bacterial populations and its characterization as immunobiosensor

Abstract

Aquest treball estudia la dinàmica poblacional de fags P22 en poblacions d'hostes que envelleixen, com a model de la resposta vírica a situacions d'estrès de l'hoste. Per tal d'analitzar les respostes adaptatives del virus a l'envelliment i conseqüent pèrdua d'eficiència replicativa de les cèl·lules hoste, hem estudiat la propagació vírica en poblacions hoste aïllades, utilitzant com a model un bacteriòfag mutant que no integra el seu DNA al cromosoma del bacteri. Els resultats mostren una asimetria a l'aparició de la transmissió horitzontal i vertical. Durant el creixement exponencial, els cicles lítics son fortament reprimits i quan la taxa de creixement de la població hoste disminueix, les funcions lítiques són expressades en colònies independents. La asimetria observada a l'aparició de les estratègies de transmissió sembla mantenir la viabilitat de les cèl·lules infectades quan creixen exponencialment, però promou la producció vírica i eficient propagació horitzontal quan entren en fase estacionaria. L'anàlisi de la dinàmica d'inducció del profag en hostes RecA- van mostrar una amplificació de P22 no sincrònica en colònies independents, indicant que la sobtada amplificació vírica durant l'entrada en fase estacionaria en colònies separades és depenent de la proteïna funcional RecA. Els resultats també van mostrar que el temps anterior a l'amplificació vírica i tota la dinàmica de propagació vírica està influenciada per la història de la colònia infectada de la que deriva la cèl·lula fundadora.

D'una altra banda, amb l'objectiu de desenvolupar nous components de vacunes, una de les línies de recerca del Laboratori de Nanobiotecnologia del Prof. Villaverde era el disseny i producció de proteïnes recombinants multifuncionals, en especial de β-galactosidasa i TSP, per trobar llocs permissius a on inserir pèptids amb activitat biològica, tal com el lloc A del FMDV. Villaverde, A. i col·laboradors van mostrar que la β-galactosidasa recombinant M278VP1 és sensible a la modulació enzimàtica per unió a anticòs, lo qual podria representar una nova aplicació potencial de β-galactosidases quimèriques com a sensors moleculars per la detecció d'anticossos. En aquest treball hem analitzat el mecanisme de reactivació de la β-galactosidasa recombinant M278VP1. També Carbonell, X. i Villaverde, A. van mostrar que l'extrem carboxi terminal de TSP és permissiu a llargues insercions peptídiques, resultant en proteïnes quimèriques biològicament actives (TSPA), no tòxiques, capaces d'acoblar-se amb càpsids de P22 sense cua i promoure la infecció de cèl·lules hoste de Salmonella. En aquest treball hem explorat l'efecte de diferents anticossos i els seus respectius fragments Fab anti-lloc A en la infectivitat de partícules de P22 quimèriques acoblades in vitro a partir de càpsids de P22 sense cua amb TSPA recombinant. L'increment observat de la infectivitat vírica indica que els bacteriòfags presentadors de pèptids poden actuar com a biosensors moleculars que responen a interaccions moleculars específiques.

This work studies the phage P22 spread dynamics in ageing bacterial populations, as a model of the viral response to host stress situations. In order to analyze the adaptative responses of the virus to the ageing, and consequent loss of replicative fitness of the host cells, we have explored the viral spread within isolated host populations, by using as a model a mutant bacteriophage unable to integrate its prophage DNA into the bacterial chromosome. The results show an asymmetry in the occurrence of horizontal and vertical transmission. During the exponential cell growth, lytic cycles are tightly repressed and when the growth rate of the host population decreases, lytic functions are expressed in independent colonies. The observed asymmetry in the occurrence of these transmission strategies seems to tend to maintain the viability of infected cells when exponentially growing, but promotes viral production and efficient horizontal spread when entering into the stationary phase. The analysis of prophage induction dynamics in a RecA- host showed a non-synchronous P22 amplification in independent colonies, indicating that the sudden viral burst observed during the entry into stationary phase in separated colonies is dependent on a functional RecA protein. Additionally the results showed that pre-burst time and the whole dynamics of phage spread is influenced by the history of the infected colony from which the founder cell derives.

On the other hand, with the aim to develop new vaccine components, one of the research areas of the Nanobiotechnology Laboratory of Prof. Villaverde was to design and produce multifunctional recombinant proteins, specifically focusing into the β-galactosidase and TSP, to find permissive regions where to insert peptides with biological activity, such as the Site A of FMDV. Villaverde, A. et al. showed that the recombinant β-galactosidase M278VP1 is sensitive enough to enzymatic modulation mediated by antibody binding, which could represent a new potential application of chimeric β-galactosidases as molecular sensors to detect antibodies. In this work we have analyzed the reactivation mechanism of the recombinant β-galactosidase M278VP1. Additionally, Carbonell, X. and Villaverde, A. showed that the carboxy terminal end of TSP is permissive to long peptide insertions, resulting in biologically active (TSPA), non-toxic chimeric proteins able to assemble with P22 heads and to promote infection of Salmonella host cells. In this work, we have explored the effect of different antibodies and their respective Fab fragments anti-Site A on the infectivity of chimeric P22 particles assembled in vitro of tailless P22 heads with recombinant TSPA. The observed increase of the infective titre indicates that peptide-displaying bacteriophages can act as molecular biosensors that are responsive to specific molecular interactions.