Accelerating phage evolution and tools via synthetic biology and machine learning

通过合成生物学和机器学习加速噬菌体进化和工具

基本信息

  • 批准号:
    10663875
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-16 至 2025-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Summary Phages, which are the naturally evolved predators of bacteria, may hold the key to combating bacterial pathogens, including the looming threat of multidrug resistant bacteria. Phages are viruses which while harmless to humans and have been successfully engineered as tools to separate, concentrate, and detect their bacterial hosts. Additionally, phages have been used as therapeutic agents to treat patients infected with pathogens resistant to known antibiotics. While the potential benefits of phages are numerous, certain limitations must be addressed in order to fully employ them. The central hypothesis of this proposal is that both top-down and bottom-up approaches can be utilized to design and synthesize novel phages, through a combination of synthetic biology and machine learning. This will result in phage-based tools with increased functionality and customizable host ranges. The rationale for the proposed research is that as the threat of bacterial infections including those with multi-drug resistance continues to grow, phages, which have evolved to efficiently recognize and kill bacteria, will become indispensable tools. Therefore, the ability to rapidly design and engineer new phages for biosensing and therapeutics will be a critical advantage to human health. The proposal contains three specific aims which are supported by preliminary data and cited literature. Aim 1: Site-directed conjugation for advanced phage-based biosensors and therapeutics. Under this aim, phages will be modified with alkyne-containing unnatural amino acids allowing their direct conjugation to 1) azide decorated magnetic nanoparticles, and 2) azide terminated polyethylene glycol. The modifications will allow the development of magnetic phages for bacteria separation and detection, and phages that are more effective therapeutics due to their ability to avoid a patient’s innate immune response, respectively. Aim 2: Decoding phage biorecognition elements using machine learning. In this aim, machine learning will be used to model the binding of phages and their bacterial hosts. The model will enable the prediction of host interactions as well as allow the design and synthesis of novel phage tail fibers which can target specific bacterial isolates. Aim 3: Repurposing phage biorecognition for a broader host ranges. Under the final aim, phage-binding proteins will be replaced with those known to recognize conserved regions of the bacterial LPS, resulting in a phage with a much broader host range. This approach is innovative because it uses top-down characterizations for bottom-up design and synthesis of novel phages. Traditional phage screening methods will be replaced with the rapid synthesis of phages, which are optimized for a particular bacterial isolate. Following the successful completion of the specific aims, the expected outcome is the design and synthesis of phages that can be used to target a selected group of bacteria within Enterobacteriaceae for advanced biosensing and therapeutics. A publically available computer model will allow rapid design of custom phage biorecognition elements which can be added to functionalized phages. These technologies will allow researchers to tip the scales of the co-evolutionary arms race between phage and bacteria.
概括 噬菌体是细菌自然进化的捕食者,可能是对抗细菌的关键 病原体,包括迫在眉睫的多重耐药细菌的威胁,噬菌体是病毒,虽然无害。 人类并已成功设计为分离、浓缩和检测细菌的工具 此外,噬菌体已被用作治疗剂来治疗感染病原体的患者。 虽然噬菌体的潜在好处很多,但也有一定的局限性。 为了充分利用它们,该提案的中心假设是自上而下和自上而下的。 自下而上的方法可用于通过合成的组合来设计和合成新型噬菌体 这将导致基于噬菌体的工具具有更多的功能和可定制的功能。 拟议研究的理由是,细菌感染的威胁包括那些。 随着多重耐药性的不断增长,噬菌体已经进化出能够有效识别和杀死细菌的能力。 因此,快速设计和改造新噬菌体的能力将成为不可或缺的工具。 生物传感和治疗将为人类健康带来关键优势 该提案包含三个具体内容。 由初步数据和引用文献支持的目标 目标 1:高级定点共轭。 基于噬菌体的生物传感器和疗法在此目标下,噬菌体将被含有炔烃的修饰。 非天然氨基酸可直接与 1) 叠氮化物修饰的磁性纳米颗粒和 2) 缀合 叠氮化物封端的聚乙二醇将允许磁性噬菌体的开发。 细菌分离和检测以及噬菌体是更有效的治疗方法,因为它们能够避免 目标 2:使用机器解码噬菌体生物识别元件。 为此,机器学习将用于模拟噬菌体及其细菌宿主的结合。 该模型将能够预测宿主相互作用,并允许设计和合成新型噬菌体尾部 目标 3:为更广泛的宿主重新利用噬菌体生物识别。 根据最终目标,噬菌体结合蛋白将被已知的识别保守蛋白的蛋白所取代。 细菌 LPS 的区域,从而产生具有更广泛宿主范围的噬菌体,这种方法是创新的。 因为它使用自上而下的表征来自下而上地设计和合成新型传统噬菌体。 噬菌体筛选方法将被噬菌体快速合成所取代,噬菌体针对特定噬菌体进行了优化 成功完成特定目标后,预期结果就是设计。 以及噬菌体的合成,该噬菌体可用于靶向肠杆菌科中选定的一组细菌 先进的生物传感和治疗方法将允许快速设计定制产品。 这些技术将允许添加到功能化噬菌体中的噬菌体生物识别元件。 研究人员将扭转噬菌体和细菌之间共同进化军备竞赛的规模。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Enterobacteria Phage SV76 Host Range and Genomic Characterization.
肠杆菌噬菌体 SV76 宿主范围和基因组特征。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Carmody, Caitlin M;Farquharson, Emma L;Nugen, Sam R
  • 通讯作者:
    Nugen, Sam R
Engineering Biorthogonal Phage-Based Nanobots for Ultrasensitive, In Situ Bacteria Detection.
工程设计基于生物正交噬菌体的纳米机器人,用于超灵敏的原位细菌检测。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2020-09-21
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Zurier, Hannah S;Duong, Michelle M;Goddard, Julie M;Nugen, Sam R
  • 通讯作者:
    Nugen, Sam R
Enterobacteria Phage Ac3's Genome Annotation and Host Range Analysis Against the ECOR Reference Library.
肠杆菌噬菌体 Ac3 的基因组注释和针对 ECOR 参考库的宿主范围分析。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Farquharson, Emma L;Nugen, Sam R
  • 通讯作者:
    Nugen, Sam R
Monomeric streptavidin phage display allows efficient immobilization of bacteriophages on magnetic particles for the capture, separation, and detection of bacteria.
单体链霉亲和素噬菌体展示可以将噬菌体有效固定在磁性颗粒上,以捕获、分离和检测细菌。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023-09-27
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Carmody, Caitlin M;Nugen, Sam R
  • 通讯作者:
    Nugen, Sam R
Bacteriophage Capsid Modification by Genetic and Chemical Methods.
通过遗传和化学方法修饰噬菌体衣壳。
  • DOI:
    10.1021/acs.bioconjchem.1c00018
  • 发表时间:
    2021-03-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Carmody CM;Goddard JM;Nugen SR
  • 通讯作者:
    Nugen SR
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