Strukturní studie a aplikace bičíkatých fágů

Mgr. Pavol Bárdy, Ph.D.

Doctoral thesis

Structural studies of tailed bacteriophages and phage-based applications

Abstract:

Bakteriofágy představují významnou hybnou sílu bakteriální evoluce. Mechanismus dopravení DNA bakteriofágem při jeho interakci s hostitelem v přirozeném prostředí, jakým je například biofilm, je však málo prozkoumaný. V této práci byly studovány fágy infikující lidské a zvířecí patogeny a fágům-podobné částice, které se podílejí na horizontálním genovém přenosu s vysokou frekvencí. Byla vyvinuta metoda genomového inženýrství stafylokokových fágu založená na systému CRISPR/Cas10, která má širokou škálu aplikací. Dále byly vyvinuty postupy studie interakcí fága 812 s biofilmem tvořením lidským patogenem Staphylococcus aureus. Pomocí kryo-elektronové mikroskopie (EM) byla určena struktura gene transfer agent částice produkované bakterií Rhodobacter capsulatus, a rovněž popsán mechanizmus doručení její DNA. V dalších projektech byla kryo- a transmisní EM a proteomickými přístupy provedena morfologická charakterizace fágem-mobilizovaných ostrovů patogenity u Staphylococcus epidermidis, které mají jedinečný způsob přetváření kapsidu, a popsán nový rod fágu s nezvykle dlouhým bičíkovým vláknem, infikující Staphylococcus pseudintermedius.

Abstract:

Bacteriophages represent the driving force of bacterial evolution. Still, the mechanism of phage DNA delivery and interactions of phages with their host in natural conditions such as in biofilm remain poorly understood. In this thesis, bacteriophages infecting human and animal pathogens, as well as phage-derived particles involved in high-frequency horizontal gene transfer, were studied. A genome engineering method based on the CRISPR/Cas10 for high-throughput editing of staphylococcal phages was developed. The study of interactions between phage phi812 and Staphylococcus aureus biofilm led to the construction of a reporter system visualising phi812 infection in the real-time. Using cryo-electron microscopy (EM) single-particle analysis, the structure and DNA-delivery mechanism of Rhodobacter capsulatus gene transfer agent were determined. Furthermore, bacteriophage morphological characterisation using EM and proteomic techniques was performed. The analysis proved the existence of phage-mobilised chromosomal pathogenicity islands in Staphylococcus epidermidis that have a unique mechanism of capsid resizing. Also, it enabled characterisation of a new phage genus infecting Staphylococcus pseudintermedius with extraordinary-long tail fibre.

Keywords

fágová terapie, gene transfer agents, horizontální genový přenos, biofilm, proteiny virionu, kryo-elektronová mikroskopie, CRISPR/Cas editace, donáška DNA, phage therapy, horizontal gene transfer, virion proteins, cryo-EM, CRISPR/Cas editing, DNA delivery

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 11. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 5. 2. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Roman Pantůček, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Milan Navrátil, CSc., doc. RNDr. Jitka Forstová, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Molecular and Cell Biology and Genetics / Molecular and Cell Biology and Genetics