Study of Spatiotemporal Responses of Bacterial Cells

Abstract

[ES] La biotecnología moderna se basa en la aplicación de una mezcla de herramientas experimentales y computacionales para llevar a cabo de forma dirigida la ingeniería genética. El objetivo es obtener células (re)programadas que implementen nuevas funciones o que sirvan como herramientas para el estudio de sistemas biológicos. En este contexto, el uso de bacterias en biotecnología está muy extendido. Sin embargo, la implementación de circuitos genéticos para el aprovechamiento de estos seres vivos puede verse limitada por procesos biológicos naturales; es decir, los circuitos diseñados (o naturales) pueden verse afectados por el transcurso del tiempo o por cambios en el entorno en el que crecen las bacterias. En esta tesis, nos propusimos seguir un enfoque integrador para estudiar cómo las bacterias responden en el tiempo y el espacio a los cambios genéticos y ambientales, que pueden afectar la funcionalidad de los circuitos de interés biotecnológico. Usamos Escherichia coli como organismo modelo, explotando una variedad de herramientas experimentales para trabajar con él. En primer lugar, estudiamos cómo los cambios ambientales y genéticos afectan la funcionalidad de un circuito genético sintético que implementa un comportamiento lógico sofisticado. Descubrimos que hay amplios rangos de concentración de entrada que el sistema puede procesar correctamente, que el circuito diseñado es bastante sensible a los efectos de la temperatura, que la expresión de pequeños ARN heterólogos es costosa para la célula y que una reorganización genética adecuada del sistema para reducir la cantidad de ADN heterólogo en la célula puede mejorar su estabilidad evolutiva. En segundo lugar, estudiamos el crecimiento bacteriano en entornos en los que existen materiales nanoestructurados. Descubrimos que las poblaciones bacterianas se pueden controlar en gran medida mediante el uso de marcos organometálicos, ya que estos materiales nanoestructurados pueden descomponerse lentamente en medios biológicos liberando agentes antimicrobianos (metales y compuestos orgánicos, incluidos los antibióticos). Analizamos la respuesta bacteriana espaciotemporal siguiendo un enfoque experimental y teórico combinado en un entorno tan complejo y desafiante en medios líquidos y sólidos. Además de las variaciones en el rendimiento debido a cambios ambientales, también se debe considerar que esos circuitos genéticos evolucionarán con el tiempo debido a la acumulación estocástica de mutaciones. Estas mutaciones pueden dar lugar a cambios en la funcionalidad de los circuitos reguladores. Por tanto, en tercer lugar, realizamos un experimento de evolución a largo plazo para estudiar la contribución de un sistema de chaperonas de proteínas en la modulación de la estabilidad evolutiva. En los últimos años, se ha demostrado que los sistemas de chaperonas, como GroES/EL, pueden amortiguar o purgar mutaciones. Realizamos la secuenciación del genoma completo en diferentes líneas con diferentes niveles de expresión de GroEL y también medimos la tasa de crecimiento de las células al principio y al final del experimento evolutivo. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes, por lo que se necesita más investigación para comprender completamente el papel de GroES/EL en la evolución y evaluar su utilidad potencial en biotecnología. En conjunto, esta tesis intenta avanzar en nuestro conocimiento sobre cómo las bacterias, y E. coli en particular, se comportan como se espera cuando el entorno se altera, la fisiología cambia y pasa mucho tiempo, para posibles aplicaciones industriales o (pre)clínicas.

[CA] La biotecnologia moderna es basa en l'aplicació d'una mescla d'eines experimentals i computacionals per a realitzar de forma dirigida l'enginyeria genètica. L'objectiu és obtindre cèl·lules (re)programades que implementen noves funcions o que servisquen com a eines per a l'estudi de sistemes biològics. En aquest context, l'ús de bacteris en biotecnologia està molt estés. No obstant això, la implementació de circuits genètics per a l'aprofitament d'aquests éssers vius pot veure's limitada per processos biològics naturals; és a dir, els circuits dissenyats (o naturals) poden veure's afectats pel transcurs del temps o per canvis en l'entorn en el qual creixen els bacteris. En aquesta tesi, ens vam proposar seguir un enfocament integrador per a estudiar com els bacteris responen en el temps i l'espai als canvis genètics i ambientals, que poden afectar la funcionalitat dels circuits d'interés biotecnològic. Usem Escherichia coli com a organisme model, explotant una varietat d'eines experimentals per a treballar amb ell. En primer lloc, estudiem com els canvis ambientals i genètics afecten la funcionalitat d'un circuit genètic sintètic que implementa un comportament lògic sofisticat. Descobrim que hi ha amplis rangs de concentració d'entrada que el sistema pot processar correctament, que el circuit dissenyat és bastant sensible a l'efecte de la temperatura, que l'expressió de xicotets ARN heteròlegs és costosa per a la cèl·lula i que una reorganització genètica adequada del sistema per a reduir la quantitat d'ADN heteròleg en la cèl·lula pot millorar la seua estabilitat evolutiva. En segon lloc, estudiem el creixement bacterià en entorns en els quals existeixen materials nanoestructurats. Descobrim que les poblacions bacterianes es poden controlar en gran manera mitjançant l'ús de marcs organometàlics, ja que aquests materials nanoestructurats poden descompondre's lentament en medis biològics alliberant agents antimicrobians (metalls i compostos orgànics, inclosos els antibiòtics). Analitzem la resposta bacteriana espai-temporal seguint un enfocament experimental i teòric integrador en un entorn tan complex i desafiador en mitjans líquids i sòlids. A més de les variacions en el rendiment degut a canvis ambientals, també s'ha de considerar que aqueixos circuits genètics evolucionaran amb el temps degut a l'acumulació estocàstica de mutacions. Aquestes mutacions poden donar lloc a canvis en la funcionalitat dels circuits reguladors. Per tant, en tercer lloc, realitzem un experiment d'evolució a llarg termini per a estudiar la contribució d'un sistema de chaperones de proteïnes en la modulació de l'estabilitat evolutiva. En els últims anys, s'ha demostrat que els sistemes de chaperones, com GroES/EL, poden esmorteir o purgar mutacions. Realitzem la seqüenciació del genoma complet en diferents línies amb diferents nivells d'expressió de GroEL i també mesurem la taxa de creixement de les cèl·lules al principi i al final de l'experiment evolutiu. No obstant això, els nostres resultats no van ser concloents, per la qual cosa es necessita més investigació per a comprendre completament el paper de GroES/L en l'evolució i avaluar la seua utilitat potencial en biotecnologia. En conjunt, aquesta tesi intenta avançar en el nostre coneixement sobre com els bacteris, i E. coli en particular, es comporten com s'espera quan l'entorn s'altera, la fisiologia canvia i passa molt temps, per a possibles aplicacions industrials o (pre)clíniques.

[EN] Modern biotechnology is based on applying a mix of experimental and computational tools to perform in a directed way genetic engineering. The aim is to obtain (re)programmed cells that implement new functions or that serve as tools for the study of biological systems. In this context, the use of bacteria in biotechnology is widespread. However, the implementation of genetic circuits for the use of these living beings may be limited due to natural biological processes; that is, the engineered (or natural) circuits may be affected by the course of time or by changes in the environment in which bacteria grow. In this thesis, we proposed to follow an integrative approach to study how bacteria respond in time and space to genetic and environmental changes, which may affect the functionality of the circuits of biotechnological interest. We used Escherichia coli as a model organism, exploiting a variety of experimental tools to work with it. Firstly, we studied how environmental and genetic changes affect the functionality of a synthetic genetic circuit that implements a sophisticated logic behavior. We found that there are wide input concentration ranges that the system can correctly process, that the engineered circuitry is quite sensitive to temperature effects, that the expression of heterologous small RNAs is costly for the cell, and that a proper genetic reorganization of the system to reduce the amount of heterologous DNA in the cell can improve its evolutionary stability. Secondly, we studied of bacterial growth in environments in which there are nanostructured materials. We found that bacterial populations can be greatly controlled through the use of metal-organic frameworks, as these nanostructured materials can slowly decompose in biological media releasing antimicrobials (metals and organic compounds, including antibiotics). We analyzed the spatiotemporal bacterial response following a combined experimental and theoretical approach in a such a complex and challenging environment in both liquid and solid media. In addition to variations in performance due to environmental changes, it must also be considered that those gene circuits will evolve over time due to the stochastic accumulation of mutations. These mutations can lead to changes in the functionality of the regulatory circuits. Then thirdly, we performed an experiment of long-term evolution to study the contribution of a protein chaperone system in modulating evolutionary stability. In recent years, it has been shown that chaperone systems, such as GroES/EL, can buffer or purge mutations. We performed whole-genome sequencing over different lines with varying expression levels of GroEL, and also measured the growth rate of the cells at the beginning and the end of the evolutionary experiment. However, our results were not conclusive, so further research is needed to fully understand the role of GroES/EL in evolution and to assess its potential utility in biotechnology. Taken together, this thesis tries to advance our knowledge on how bacteria, and E. coli in particular, behave as expected when the environment is perturbed, the physiology changes, and long time passes, for potential industrial or (pre)clinical applications.