바실러스 균주는 가장 중요한 산업 균주 중 하나로써 의약학 분야까지 중요성이 높아지고 있다. 이러한 바실러스의 활용가치를 높이기 위하여 유용한 기술들이 지속적으로 도입되어지고 있으나 실험실 균주에서만 제한적으로 사용되어 왔다. 본 연구에서는 야생형 균주로의 확장을 위한 시스템을 개발하여 세포공장 및 잠재적인 미생물 자원을 활용하고자 하였다. 게놈 공학 기술은 바실러스 서브틸러스에서 최적화되었으며 야생형 바실러스 종에 대해 검증되었다. 항생제 발굴 또는 재사용을 위해 554개의 페니바실러스 게놈 염기서열로부터 2차 대사산물을 분석하여 31종의 페니바실러스 종을 확보하였고, 18개의 ...
바실러스 균주는 가장 중요한 산업 균주 중 하나로써 의약학 분야까지 중요성이 높아지고 있다. 이러한 바실러스의 활용가치를 높이기 위하여 유용한 기술들이 지속적으로 도입되어지고 있으나 실험실 균주에서만 제한적으로 사용되어 왔다. 본 연구에서는 야생형 균주로의 확장을 위한 시스템을 개발하여 세포공장 및 잠재적인 미생물 자원을 활용하고자 하였다. 게놈 공학 기술은 바실러스 서브틸러스에서 최적화되었으며 야생형 바실러스 종에 대해 검증되었다. 항생제 발굴 또는 재사용을 위해 554개의 페니바실러스 게놈 염기서열로부터 2차 대사산물을 분석하여 31종의 페니바실러스 종을 확보하였고, 18개의 항균제 조합에 따른 항균 상승효과를 확인하였다. 그 내용으로는 첫째, 야생형 균주의 시스템 엔지니어링을 위한 플랫폼을 개발하였다. 최적화된 시토신 염기 편집기(CBE)는 바실러스 서브틸러스에서 75%의 효율로 5중 유전자 편집을 동시에 달성하여 상당한 다중 편집 능력을 보여주었다. 숙주 범위가 넓은 새로운 플라스미드 전달 시스템(MICE)을 개발하여 기존의 방법으로는 불가능했던 다양한 야생형 바실러스 균주에 대한 플라스미드 전달을 확인하였다. 독성 및 비표적 효과가 없는 강력한 유전 도구로 개발된 바실러스 통합 플라스미드(BIP/BIPS) 시스템은 야생형 바실러스에서 거의 100% 편집 효율성을 보여주었다. 둘째, 다제내성균의 출현에 대응하여 두 가지 전략이 사용되었다. 게놈 마이닝을 기반으로 페니바실러스 종의 항균 잠재력을 확인하였고, 개발된 게놈 엔지니어링 도구를 사용하여 페니바실러스 폴리믹사 E681과 페니바실러스 브라질렌스에서 새로운 항균제를 발견하였다. 다음으로, 삼중 병용 접근법을 통해 그람 양성균에 대해 활성이 있는 잔소리졸의 항균 활성 스펙트럼을 그람 음성균으로 넓혔다. 결론적으로 야생형 균주 엔지니어링을 위해 본 연구에서 개발된 시스템들은 미개척 미생물 자원 활용 연구에 돌파구를 제공할 것이다. 또한, 신규 항생제 발견 및 효과적인 조합에 대한 탐색은 다제내성 박테리아의 지속적인 위협에 대한 실마리를 제공할 것으로 기대한다.
바실러스 균주는 가장 중요한 산업 균주 중 하나로써 의약학 분야까지 중요성이 높아지고 있다. 이러한 바실러스의 활용가치를 높이기 위하여 유용한 기술들이 지속적으로 도입되어지고 있으나 실험실 균주에서만 제한적으로 사용되어 왔다. 본 연구에서는 야생형 균주로의 확장을 위한 시스템을 개발하여 세포공장 및 잠재적인 미생물 자원을 활용하고자 하였다. 게놈 공학 기술은 바실러스 서브틸러스에서 최적화되었으며 야생형 바실러스 종에 대해 검증되었다. 항생제 발굴 또는 재사용을 위해 554개의 페니바실러스 게놈 염기서열로부터 2차 대사산물을 분석하여 31종의 페니바실러스 종을 확보하였고, 18개의 항균제 조합에 따른 항균 상승효과를 확인하였다. 그 내용으로는 첫째, 야생형 균주의 시스템 엔지니어링을 위한 플랫폼을 개발하였다. 최적화된 시토신 염기 편집기(CBE)는 바실러스 서브틸러스에서 75%의 효율로 5중 유전자 편집을 동시에 달성하여 상당한 다중 편집 능력을 보여주었다. 숙주 범위가 넓은 새로운 플라스미드 전달 시스템(MICE)을 개발하여 기존의 방법으로는 불가능했던 다양한 야생형 바실러스 균주에 대한 플라스미드 전달을 확인하였다. 독성 및 비표적 효과가 없는 강력한 유전 도구로 개발된 바실러스 통합 플라스미드(BIP/BIPS) 시스템은 야생형 바실러스에서 거의 100% 편집 효율성을 보여주었다. 둘째, 다제내성균의 출현에 대응하여 두 가지 전략이 사용되었다. 게놈 마이닝을 기반으로 페니바실러스 종의 항균 잠재력을 확인하였고, 개발된 게놈 엔지니어링 도구를 사용하여 페니바실러스 폴리믹사 E681과 페니바실러스 브라질렌스에서 새로운 항균제를 발견하였다. 다음으로, 삼중 병용 접근법을 통해 그람 양성균에 대해 활성이 있는 잔소리졸의 항균 활성 스펙트럼을 그람 음성균으로 넓혔다. 결론적으로 야생형 균주 엔지니어링을 위해 본 연구에서 개발된 시스템들은 미개척 미생물 자원 활용 연구에 돌파구를 제공할 것이다. 또한, 신규 항생제 발견 및 효과적인 조합에 대한 탐색은 다제내성 박테리아의 지속적인 위협에 대한 실마리를 제공할 것으로 기대한다.
Bacillus strains are one of the most important industrial strains, and their importance is increasing in the medical and pharmaceutical fields. In order to increase the utilization value of Bacillus, useful technologies are continuously being introduced, but these have been limitedly used only in la...
Bacillus strains are one of the most important industrial strains, and their importance is increasing in the medical and pharmaceutical fields. In order to increase the utilization value of Bacillus, useful technologies are continuously being introduced, but these have been limitedly used only in laboratory strains. Herein, we developed a platform for expansion into wild-type strains to utilize cell factories and potential microbial resources. Genome engineering techniques were optimized in Bacillus subtilis and verified with wild-type Bacillus species. For the discovery or reuse of antibiotics, secondary metabolites were analyzed from 554 Paenibacillus genome sequences to obtain 31 Penibacillus species, and the antibacterial synergistic effect of 18 antibacterial agents were confirmed. First, we developed a platform for engineering the system of wild-type strains. The optimized cytosine base editor (CBE) achieved simultaneous quintuple gene editing with efficiencies of 75% in Bacillus subtilis, indicating significant multiplexing capacity. By developing a new plasmid delivery system (MICE) with a broad host range, plasmid delivery to various wild-type Bacillus strains, which were not possible with classical methods, was confirmed. The Bacillus integrative plasmid (BIP/BIPS) system is a powerful genetic tool without toxicity and off-target effects, demonstrating nearly 100% editing efficiency on wild-type Bacillus. Second, two strategies were employed in response to the emergence of multidrug-resistant bacteria (MDR). Antibacterial potential in Paenibacillus species was confirmed based on genome mining, new antibacterials were discovered in P. polymyxa E681 and P. brasilensis using the developed genome engineering tools. Next, the triple combination approach broadened the antibacterial activity spectrum of xanthorrhizol, which was active against Gram-positive bacteria, to Gram-negative bacteria. In conclusion, the platforms developed in this study for wild-type strain engineering will provide a breakthrough in research for the utilization of untapped microbial resources. In addition, de novo antibiotic discovery and exploring for effective combinations are expected to provide clues to the ongoing threat of MDR.
Bacillus strains are one of the most important industrial strains, and their importance is increasing in the medical and pharmaceutical fields. In order to increase the utilization value of Bacillus, useful technologies are continuously being introduced, but these have been limitedly used only in laboratory strains. Herein, we developed a platform for expansion into wild-type strains to utilize cell factories and potential microbial resources. Genome engineering techniques were optimized in Bacillus subtilis and verified with wild-type Bacillus species. For the discovery or reuse of antibiotics, secondary metabolites were analyzed from 554 Paenibacillus genome sequences to obtain 31 Penibacillus species, and the antibacterial synergistic effect of 18 antibacterial agents were confirmed. First, we developed a platform for engineering the system of wild-type strains. The optimized cytosine base editor (CBE) achieved simultaneous quintuple gene editing with efficiencies of 75% in Bacillus subtilis, indicating significant multiplexing capacity. By developing a new plasmid delivery system (MICE) with a broad host range, plasmid delivery to various wild-type Bacillus strains, which were not possible with classical methods, was confirmed. The Bacillus integrative plasmid (BIP/BIPS) system is a powerful genetic tool without toxicity and off-target effects, demonstrating nearly 100% editing efficiency on wild-type Bacillus. Second, two strategies were employed in response to the emergence of multidrug-resistant bacteria (MDR). Antibacterial potential in Paenibacillus species was confirmed based on genome mining, new antibacterials were discovered in P. polymyxa E681 and P. brasilensis using the developed genome engineering tools. Next, the triple combination approach broadened the antibacterial activity spectrum of xanthorrhizol, which was active against Gram-positive bacteria, to Gram-negative bacteria. In conclusion, the platforms developed in this study for wild-type strain engineering will provide a breakthrough in research for the utilization of untapped microbial resources. In addition, de novo antibiotic discovery and exploring for effective combinations are expected to provide clues to the ongoing threat of MDR.
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