Production of magnetic bacteria and their use in biotechnology
Production de bactéries magnétiques et leurs utilisations en biotechnologie
Résumé
By programming the cellular behavior of living organisms, synthetic biology tools enable broad applications ranging from basic biology to health and environmental issues. Synthetic circuits have been developed for in vitro and in vivo diagnostics, to produce novel materials, or to direct the assembly of synthetic multicellular systems. For instance, programmed bacteria can report on environmental changes, detect specific molecules, or monitor and diagnose diseases. Programming cells to be sensitive to non-biochemical stimuli, such as acoustic or magnetic waves, could expand their capacity to probe or act on their environment. The integration of magnetic properties into living organisms could enable their spatial manipulation by magnetic forces and their use as contrast agents for magnetic resonance imaging. During this PhD work, we engineered iron-mineralized Escherichia coli expressing the iron-storage ferritin. First, we performed structural and magnetic characterization of the bacteria and found that they contained iron oxide-enriched bodies conferring magnetic properties. Next, we showed that they could be spatially manipulated when exposed to magnetic forces, with an efficiency that increased with iron loading. Moreover, the magnetic bacteria divided and transmitted asymmetrically iron oxide ferritin-enriched bodies during division, thus avoiding the dilution of the magnetic properties during population growth. Finally, we demonstrated that mineralized bacteria can be programmed to perform specific biochemical functions with spatiotemporal control using magnetic forces. We genetically encoded adhesion properties on magnetic bacteria to achieve the magnetic capture of specific target cells as well as the spatial modulation of human cell invasions. Next, we used magnetic bacteria for the localization or detection of molecules involved in quorum sensing communication. Lastly we studied the NMR response of magnetic E. coli and their survival in Caenorhabditis elegans, as a very first step toward their use as in vivo diagnostic or therapeutic agents.
En programmant le comportement d’organismes vivants, la biologie synthétique a permis de réaliser diverses applications utiles jusqu’au secteur de la santé et de l’environnement. Des circuits synthétiques ont été développés pour du diagnostic in vitro ou in vivo, pour bio-produire de nouveaux matériaux, ou pour diriger l’assemblage de systèmes synthétiques multicellulaires. Par exemple, des bactéries programmées peuvent sentir des changements de l’environnement, détecter des molécules d’intérêt, surveiller ou diagnostiquer des maladies. Modifier des cellules pour qu’elles soient sensibles à des stimuli non-biologiques, comme des ondes acoustiques ou magnétiques, pourrait améliorer leur capacité à sonder ou à agir sur leur environnement. Ainsi, l’intégration de propriétés magnétiques dans des organismes vivants permettrait de manipuler leur position dans l’espace avec des forces magnétiques et de les utiliser comme agents de contraste pour l’imagerie par résonance magnétique. Durant ce travail de thèse, nous avons modifié des bactéries Escherichia coli pour qu’elles surproduisent une ferritine capable de stocker du fer, puis nous les avons minéralisées avec du fer. D’abord, nous avons caractérisé les propriétés des bactéries : nous avons trouvé qu’elles contenaient des compartiments enrichis en oxyde de fer leur conférant des propriétés magnétiques. Ensuite, nous avons montré que nous pouvions les manipuler dans l’espace grâce à des forces magnétiques : plus elles étaient chargées en fer, plus elles étaient attirées par un aimant. En outre, nous avons vu que les bactéries, en se divisant, transmettaient asymétriquement les ferritines riches en oxydes de fer, ce qui permettait d’éviter la dilution des propriétés magnétiques au cours de la croissance bactérienne. Enfin, nous avons démontré que ces bactéries peuvent être programmées pour réaliser des applications preuve-de-concept. Nous avons génétiquement encodé des fonctions d’adhésion sur les bactéries magnétiques pour réaliser la capture de cellules cibles suivi d’un tri magnétique, ou bien l’augmentation locale du taux d’invasion bactérienne de cellules humaines. Puis, nous avons utilisé les bactéries pour localiser ou détecter des molécules impliquées dans le quorum sensing, un mode de communication bactérien. Pour finir, nous avons étudié la réponse RMN des bactéries magnétiques et leur survie dans Caenorhabditis elegans ; cela représente une toute première étape vers leur utilisation comme agents de diagnostic ou de thérapie in vivo.
Origine : Version validée par le jury (STAR)