Engineering mycoplasma species for biotechnological and biomedical applications

Abstract

Els Micoplasmes són un grup de bacteris caracteritzats per tenir genomes mínims, capacitats biosintètiques limitades i una xarxa metabòlica simplificada. Aquesta tesi explora com diferents espècies de Micoplasma poden ser explotades biotecnològicament o a l’àmbit de la biomedicina. Al capítol dos, es proposen transposons inicialment emprats per al bacteri Mycoplasma pneumoniae que poden transformar eficientment diferents soques de Micoplasma. Aquest estudi ha permés generar estudis d’essencialitat en aquestes soques i un anàlisi crític posterior dels resultats permetrà generar a soques atenuades per a vacunació. Al capítol tres es desenvolupa una nova metodologia que permet integrar dades de transposició a alta resolució amb estudis quantitatius de proteòmica per esbrinar quins són els fluxos metabòlics actius dintre de la cèl·lula en un moment determinat. Aquesta informació es pot emprar per a atenuar soques bacterianes. Al capítol quatre explorem la capacitat del bacteri pulmonar M. pneumoniae d’expressar funcionalment biològics humans en assajos in vitro i en pulmons de ratolí. Al capítol cinc es fa servir el programa de disseny de proteïnes FoldX i ModelX per mutar una citocina humana per augmentar les seues propietats inherents tant d’afinitat al receptor com en termes d’expressió bacteriana. El capítol sis identifica senyals de secreció i proposa nous promotors sintètics funcionals per al bacteri descobert recentment Mycoplasma feriruminatoris. En conjunt, aquesta tesi desenvolupa les ferramentes que permeten explotar diferents soques de Micoplasma per a finalitats biotecnològiques (M. agalactiae, M. feriruminatoris) i valida l’ús de M. pneumoniae per a immunomodulació en teràpia pulmonar humana.

Mycoplasmas are a group of bacteria characterized by minimized genomes, limited biosynthetic capacities, and simplified metabolic networks. In this work, we explored how Mycoplasma species can be exploited for biotechnological and therapeutic applications. In chapter two, we engineered M. pneumoniae transposons so that they could efficiently transform different Mycoplasma species. This fact allows the generation of essentiality studies in these species, a critical analysis to identify genes that could be deleted to create attenuated vaccination strains. Chapter three developed a new method that uses high-resolution transposon and proteomics data to infer active metabolic pathways within a cell at a specific moment. This information can be used when engineering attenuated strains. In chapter four, we explored the capacity of M. pneumoniae to express functional human biologics in vitro and in mice lungs. Chapter five used the protein design algorithm FoldX and ModelX to mutate a human interleukin to enhance its properties in terms of affinity to its receptors and increased bacterial expression. Chapter six identified the secretion signals and designed synthetic promoters in the recent-discovered fast-growing Mycoplasma feriruminatoris. Altogether this thesis develops the tools for exploiting Mycoplasmas for biotechnological purposes (M. agalactiae, M. feriruminatoris) and validates M. pneumoniae for human lung therapy immunomodulation.