Caractérisation intégrative et développement d’outils moléculaires chez la bactérie "Mesoplasma florum"

L’émergence de la biologie synthétique marque l’entrée dans une nouvelle ère où il sera possible de modifier et reprogrammer des génomes entiers afin de répondre à des besoins spécifiques. Ce domaine de recherche est par conséquent appelé à jouer un rôle de premier plan dans le développement de nouvelles technologies visant à s’attaquer à certains des plus grands défis du 21e siècle tels que la multirésistance aux antibiotiques, la production d’énergies renouvelables et le traitement de maladies comme le cancer ou le diabète. Notre habileté actuelle à programmer des comportements cellulaires prévisibles est cependant très limitée, principalement parce que les organismes modèles couramment utilisés possèdent une complexité qui dépasse nos capacités d’analyse et que les règles fondamentales qui gouvernent le fonctionnement global des cellules demeurent encore mal comprises. En raison de leurs génomes remarquablement petits, les bactéries appartenant à la classe des Mollicutes représentent des candidats particulièrement intéressants afin de décortiquer le fonctionnement intégral de cellules via les approches intégratives de la biologie des systèmes et de la génomique synthétique. La majorité de ces microorganismes sont toutefois caractérisés par un style de vie parasitaire, des capacités métaboliques réduites et une croissance relativement lente nécessitant l’utilisation de milieux de culture complexes. Conjointement au manque d’outils génétiques efficaces, ces caractéristiques restreignent considérablement leur manipulation en laboratoire. Certains Mollicutes se démarquent néanmoins en tant qu’organismes modèles pour l’avancement de la biologie synthétique et de la biologie des systèmes. C’est le cas pour Mesoplasma florum, une bactérie étroitement apparentée aux mycoplasmes du groupe de Mycoplasma mycoides (mycoides cluster). Contrairement à la plupart des mycoplasmes, M. florum ne possède aucun pouvoir pathogène connu et croît rapidement en conditions de laboratoire. De plus, M. florum possède un génome comprenant seulement 793 224 paires de bases et 685 séquences codantes pour des protéines, ce qui positionne cette bactérie parmi les organismes à réplication autonome les plus simples connus à ce jour. Malgré ces avantages considérables, seulement quelques études avaient jusqu’à tout récemment spécifiquement exploré la biologie de M. florum, et ce même si sa découverte remonte à près de 40 ans. Ainsi, lors du commencement de mon doctorat, plusieurs aspects importants concernant ce microorganisme demeuraient toujours à définir. Par exemple, pratiquement aucune donnée quantitative sur la physiologie de cette bactérie était à ce moment-là disponible dans la littérature, et aucune étude sur l’expression de ses gènes n’avait encore été entreprise. De plus, très peu voire même aucun outil moléculaire n’était disponible afin de modifier le génome de M. florum, ce qui constituait une limitation technique importante à l’étude de la biologie de cet organisme, en plus de restreindre son utilisation en tant que châssis cellulaire pour l’ingénierie microbienne et le développement d’applications biotechnologiques. Face à cette problématique, j’ai tout d’abord développé un système de culture en continu flexible et peu dispendieux permettant de faire croître M. florum dans des conditions contrôlées, stables et hautement reproductibles. Cet appareil offre plusieurs modes de fonctionnement pour accommoder les différents besoins rencontrés en laboratoire, et nous avons rendu les détails de sa conception entièrement disponibles pour l’ensemble de la communauté scientifique. En diminuant les fluctuations physiologiques des cellules, ce système de culture permet de réduire les variations expérimentales lors de l’étude de M. florum, et ainsi de générer des données plus facilement interprétables et comparables entre expériences. J’ai ensuite développé les tout premiers plasmides spécifiquement conçus pour se répliquer chez M. florum. Basés sur l’origine de réplication du chromosome, ces plasmides ont permis de tester la fonctionnalité de différents marqueurs de sélection aux antibiotiques, en plus de mettre au point différentes méthodes de transformation pour cette bactérie. Grâce à leur tendance naturelle à recombiner avec le chromosome, ces plasmides ont d’ailleurs servi de fondement à la technique développée par notre laboratoire afin de cloner le génome complet de M. florum dans la levure. Cette souche de levure peut maintenant servir de plateforme afin de modifier efficacement le génome de M. florum et ensuite le transplanter dans une cellule réceptrice. Finalement, j’ai procédé à la caractérisation approfondie de cette bactérie quasi minimale en combinant différentes méthodes expérimentales et approches intégratives. Cette caractérisation intégrative comprend la mesure de plusieurs aspects physiques et physiologiques propres à M. florum, incluant son temps de doublement, diamètre cellulaire, masse cellulaire sèche, ainsi que la définition des fractions macromoléculaires de celle-ci. J’ai également réalisé les premières analyses du transcriptome et du protéome de ce microorganisme afin de définir les unités transcriptionnelles, estimer les abondances moléculaires absolues de chacun des transcrits et protéines exprimées, de même qu’évaluer l’importance globale des fonctions cellulaires prédites. En plus d’augmenter nos connaissances fondamentales sur différents aspects de la biologie de M. florum, ces efforts de caractérisation serviront de fondation pour le développement d’un modèle à l’échelle du génome décrivant le métabolisme de cette bactérie. L’ensemble de ces efforts visent à acquérir les connaissances et les outils moléculaires nécessaires afin de transformer M. florum en une plateforme simplifiée, hautement caractérisée et spécialement conçue pour explorer les règles gouvernant l’organisation et la plasticité des génomes, ainsi que les mécanismes cellulaires à la base du fonctionnement des cellules. Une telle plateforme a le potentiel de transformer la biologie synthétique en une discipline logique, prévisible et reproductible, rendant ainsi possible le prototypage rationnel et efficace de génomes dans le but de produire des souches bactériennes capables d’accomplir des tâches bien précises

Caractérisation intégrative et développement d’outils moléculaires chez la bactérie "Mesoplasma florum"

L’émergence de la biologie synthétique marque l’entrée dans une nouvelle ère où il sera possible de modifier et reprogrammer des génomes entiers afin de répondre à des besoins spécifiques. Ce domaine de recherche est par conséquent appelé à jouer un rôle de premier plan dans le développement de nouvelles technologies visant à s’attaquer à certains des plus grands défis du 21e siècle tels que la multirésistance aux antibiotiques, la production d’énergies renouvelables et le traitement de maladies comme le cancer ou le diabète. Notre habileté actuelle à programmer des comportements cellulaires prévisibles est cependant très limitée, principalement parce que les organismes modèles couramment utilisés possèdent une complexité qui dépasse nos capacités d’analyse et que les règles fondamentales qui gouvernent le fonctionnement global des cellules demeurent encore mal comprises. En raison de leurs génomes remarquablement petits, les bactéries appartenant à la classe des Mollicutes représentent des candidats particulièrement intéressants afin de décortiquer le fonctionnement intégral de cellules via les approches intégratives de la biologie des systèmes et de la génomique synthétique. La majorité de ces microorganismes sont toutefois caractérisés par un style de vie parasitaire, des capacités métaboliques réduites et une croissance relativement lente nécessitant l’utilisation de milieux de culture complexes. Conjointement au manque d’outils génétiques efficaces, ces caractéristiques restreignent considérablement leur manipulation en laboratoire. Certains Mollicutes se démarquent néanmoins en tant qu’organismes modèles pour l’avancement de la biologie synthétique et de la biologie des systèmes. C’est le cas pour Mesoplasma florum, une bactérie étroitement apparentée aux mycoplasmes du groupe de Mycoplasma mycoides (mycoides cluster). Contrairement à la plupart des mycoplasmes, M. florum ne possède aucun pouvoir pathogène connu et croît rapidement en conditions de laboratoire. De plus, M. florum possède un génome comprenant seulement 793 224 paires de bases et 685 séquences codantes pour des protéines, ce qui positionne cette bactérie parmi les organismes à réplication autonome les plus simples connus à ce jour. Malgré ces avantages considérables, seulement quelques études avaient jusqu’à tout récemment spécifiquement exploré la biologie de M. florum, et ce même si sa découverte remonte à près de 40 ans. Ainsi, lors du commencement de mon doctorat, plusieurs aspects importants concernant ce microorganisme demeuraient toujours à définir. Par exemple, pratiquement aucune donnée quantitative sur la physiologie de cette bactérie était à ce moment-là disponible dans la littérature, et aucune étude sur l’expression de ses gènes n’avait encore été entreprise. De plus, très peu voire même aucun outil moléculaire n’était disponible afin de modifier le génome de M. florum, ce qui constituait une limitation technique importante à l’étude de la biologie de cet organisme, en plus de restreindre son utilisation en tant que châssis cellulaire pour l’ingénierie microbienne et le développement d’applications biotechnologiques. Face à cette problématique, j’ai tout d’abord développé un système de culture en continu flexible et peu dispendieux permettant de faire croître M. florum dans des conditions contrôlées, stables et hautement reproductibles. Cet appareil offre plusieurs modes de fonctionnement pour accommoder les différents besoins rencontrés en laboratoire, et nous avons rendu les détails de sa conception entièrement disponibles pour l’ensemble de la communauté scientifique. En diminuant les fluctuations physiologiques des cellules, ce système de culture permet de réduire les variations expérimentales lors de l’étude de M. florum, et ainsi de générer des données plus facilement interprétables et comparables entre expériences. J’ai ensuite développé les tout premiers plasmides spécifiquement conçus pour se répliquer chez M. florum. Basés sur l’origine de réplication du chromosome, ces plasmides ont permis de tester la fonctionnalité de différents marqueurs de sélection aux antibiotiques, en plus de mettre au point différentes méthodes de transformation pour cette bactérie. Grâce à leur tendance naturelle à recombiner avec le chromosome, ces plasmides ont d’ailleurs servi de fondement à la technique développée par notre laboratoire afin de cloner le génome complet de M. florum dans la levure. Cette souche de levure peut maintenant servir de plateforme afin de modifier efficacement le génome de M. florum et ensuite le transplanter dans une cellule réceptrice. Finalement, j’ai procédé à la caractérisation approfondie de cette bactérie quasi minimale en combinant différentes méthodes expérimentales et approches intégratives. Cette caractérisation intégrative comprend la mesure de plusieurs aspects physiques et physiologiques propres à M. florum, incluant son temps de doublement, diamètre cellulaire, masse cellulaire sèche, ainsi que la définition des fractions macromoléculaires de celle-ci. J’ai également réalisé les premières analyses du transcriptome et du protéome de ce microorganisme afin de définir les unités transcriptionnelles, estimer les abondances moléculaires absolues de chacun des transcrits et protéines exprimées, de même qu’évaluer l’importance globale des fonctions cellulaires prédites. En plus d’augmenter nos connaissances fondamentales sur différents aspects de la biologie de M. florum, ces efforts de caractérisation serviront de fondation pour le développement d’un modèle à l’échelle du génome décrivant le métabolisme de cette bactérie. L’ensemble de ces efforts visent à acquérir les connaissances et les outils moléculaires nécessaires afin de transformer M. florum en une plateforme simplifiée, hautement caractérisée et spécialement conçue pour explorer les règles gouvernant l’organisation et la plasticité des génomes, ainsi que les mécanismes cellulaires à la base du fonctionnement des cellules. Une telle plateforme a le potentiel de transformer la biologie synthétique en une discipline logique, prévisible et reproductible, rendant ainsi possible le prototypage rationnel et efficace de génomes dans le but de produire des souches bactériennes capables d’accomplir des tâches bien précises

An engineered Mycoplasma pneumoniae to fight Staphylococcus aureus

Bacterial infections are commonly treated with antimicrobials, but the rise of multi‐drug resistance and the presence of biofilms can compromise treatment efficacy. Recently, new approaches using live bacteria or engineered microorganisms have gained attention in the fight against several diseases. In their recent work, Lluch‐Senar and colleagues (Garrido et al, 2021) genetically modified the lung pathogen Mycoplasma pneumoniae to attenuate its virulence and secrete antibiofilm and bactericidal enzymes. Their strategy successfully altered a Staphylococcus aureus biofilm on catheters implanted in mice, providing an additional demonstration of the potential of genetically engineered microorganisms as therapeutic agents

A Small-Volume, Low-Cost, and Versatile Continuous Culture Device

<div><p>Background</p><p>Continuous culture devices can be used for various purposes such as establishing reproducible growth conditions or maintaining cell populations under a constant environment for long periods. However, commercially available instruments are expensive, were not designed to handle small volumes in the milliliter range, and can lack the flexibility required for the diverse experimental needs found in several laboratories.</p><p>Methodology/Principal Findings</p><p>We developed a versatile continuous culture system and provide detailed instructions as well as a graphical user interface software for potential users to assemble and operate their own instrument. Three culture chambers can be controlled simultaneously with the proposed configuration, and all components are readily available from various sources. We demonstrate that our continuous culture device can be used under different modes, and can easily be programmed to behave either as a turbidostat or chemostat. Addition of fresh medium to the culture vessel can be controlled by a real-time feedback loop or simply calibrated to deliver a defined volume. Furthermore, the selected light-emitting diode and photodetector enable the use of phenol red as a pH indicator, which can be used to indirectly monitor the bulk metabolic activity of a cell population rather than the turbidity.</p><p>Conclusions/Significance</p><p>This affordable and customizable system will constitute a useful tool in many areas of biology such as microbial ecology as well as systems and synthetic biology.</p></div

Illustration of available continuous culture modes used to maintain cell growth.

<p>(A) Under its present software configuration, the versatile continuous cultivation device (VCCD) can behave like a turbidostat or a chemostat, or simply be used to measure the transmittance of a batch culture without performing any culture refresh. In the turbidostat mode, the culture is refreshed when a desired transmittance value is detected until: 1) a second value is reached [Real-time feedback loop] or 2) a specified refresh time has elapsed [Threshold-activated]. Alternatively, the chemostat behavior uses a Time interval mode to refresh the culture with a constant specified dilution rate. (B) In the Time interval mode, additional options are available to choose if the interval timer starts at a specified value or at a specified time, and to decide if refreshes are stopped in a time-dependent manner or using a transmittance threshold.</p

Typical transmittance curves associated with bacterial growth.

<p>(A) Increasing opacity observed when monitoring transmittance of an <i>E</i>. <i>coli</i> culture in LB broth, where the growing cells increasingly block the incident light generated by a light emitting diode. (B) In some cases, growth can alternatively be measured by adding phenol red to the growth medium as a pH indicator. This method is especially employed to follow the growth of <i>M</i>. <i>florum</i> in ATCC 1161 medium, where medium acidification caused by metabolic activity is reported by an increase in the 560nm transmittance.</p

Calibration of the Versatile continuous culture device (VCCD) using batch cultures.

<p>(A) Comparison of 560nm transmittance measured by the VCCD and 600nm absorbance measured by a conventional spectrophotometer of an <i>E</i>. <i>coli</i> culture in LB broth. (B) Relationship between relative 560nm transmittance measured by the VCCD and cell density of an <i>E</i>. <i>coli</i> culture grown in LB broth. Red squares are excluded from the correlation determination because they are not part of the exponential growth phase. (C) Relationship between relative 560nm transmittance measured by the VCCD and cell density of <i>S</i>. <i>cerevisae</i> growing in YPAD 2% glucose medium. (D) Relative 560nm transmittance of ATCC 1161 medium through different pH values generally observed during <i>M</i>. <i>florum</i> growth. (E) Cell density of <i>M</i>. <i>florum</i> growing in ATCC 1161 medium through pH decrease. (F) Relationship between relative 560nm transmittance measured by the VCCD and cell density of an <i>M</i>. <i>florum</i> culture grown in ATCC 1161 medium.</p

Cloning and transplantation of the <em>Mesoplasma florum</em> genome.

Cloning and transplantation of bacterial genomes is a powerful method for the creation of engineered microorganisms. However, much remains to be understood about the molecular mechanisms and limitations of this approach. We report the whole-genome cloning of Mesoplasma florum in Saccharomyces cerevisiae, and use this model to investigate the impact of a bacterial chromosome in yeast cells. Our results indicate that the cloned M. florum genome is subjected to weak transcriptional activity, and causes no significant impact on yeast growth. We also report that the M. florum genome can be transplanted into Mycoplasma capricolum without any negative impact from the putative restriction enzyme encoding gene mfl307. Using whole-genome sequencing, we observed that a small number of mutations appeared in all M. florum transplants. Mutations also arose, albeit at a lower frequency, when the M. capricolum genome was transplanted into M. capricolum recipient cells. These observations suggest that genome transplantation is mutagenic, and that this phenomenon is magnified by increased phylogenetic distance between the genome donor and the recipient cell. No difference in efficiency was detected after three successive rounds of genome transplantation, suggesting that the observed mutations were not selected during the procedure. Taken together, our results provide a more accurate picture of the events taking place during bacterial genome cloning and transplantation

Hardware configuration and schematic depiction of culture-refreshing steps.

<p>(A) Three-dimensional representation of the versatile continuous cultivation device (VCCD). The system consists of three independently controlled continuous culture units supported by a plexiglass acrylic structure. For each unit, transmittance is measured through the culture chamber by a light-emitting diode coupled to a photo receiver and then reported to a user interface control system. The culture refreshing capability is provided by computer-controlled pinch valves that manage air and liquid flows inside each culture unit. (B) First step of a culture refresh cycle (culture dilution). Upon pinch valve activation, two tubes of the culture unit get pinched, and the air flow is diverted to the medium bottle resulting in the addition of medium into the culture tube. (C) Second step of a culture refresh cycle (excess culture removal). By returning the pinch valve to its original position, two tubes of the culture unit are pinched, which then redirects the air flow to the culture tube and causes the excess of volume to be evacuated into the trash bottle.</p