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Bacterias para el medio ambiente: Bacterias para el medio ambiente: de la Bioremediación de la Bioremediación a la Biología Sintética a la Biología Sintética Víctor de Lorenzo Víctor de Lorenzo Centro Nacional de Biotecnología Centro Nacional de Biotecnología Madrid ( Madrid ( Spain Spain ) )
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Bacterias para el medio ambiente: de la …pdg.cnb.uam.es/pazos/cursos/bionet_UAM/VLorenzo_doc...Bacterias para el medio ambiente: de la Bioremediación a la Biología Sintética Víctor

Mar 27, 2018

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Bacterias para el medio ambiente: Bacterias para el medio ambiente:

de la Bioremediación de la Bioremediación

a la Biología Sintéticaa la Biología Sintética

Víctor de LorenzoVíctor de Lorenzo

Centro Nacional de Biotecnología Centro Nacional de Biotecnología

Madrid (Madrid (SpainSpain))

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La Cloaca Maxima (Roma, s. V adC)

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Los tres dominiosdel árbol de la vida

LUCA

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Microbial properties of environmental interest

• Biodegradative pathways for recalcitrant compounds

• mineralization of toxic pollutants

• removal or organic sulphur from soil

• biosensors

• green chemistry

• Tolerance to heavy ions

• volatilization

• bioavailability/toxicity assays

• bioaccumulation:removal of toxic ions

• biotransformation and re-speciation

• Surfactant production: bioremediation of oil spills

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BIO-REMEDIACION

ATóxico

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BIO-REMEDIACION

A BTóxico Inocuo

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BIO-REMEDIACION

A BTóxico Inocuo

Catalizador biológico

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BIO-REMEDIACION

A BTóxico Inocuo

Catalizador biológico

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BIO-REMEDIACION

B

CO2 + H2Omineralización

C transformación

B inmovilización

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• Natural attenuation

• Bioaugmentation

(incl. genetic engineer.)

• Biostimulation

(Eco-engineering)

Strategies in Bioremediation

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Our Our experimental experimental systemsystem……

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CH3

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

NO2

CH3

(CH)n

CH3

OH

CH3

Cl

CH3

NO2

NH2

CH3

OH

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Enrichment cultures

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Accessing the diversity of soil microbes

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Cepa (Plásmido) Contaminante

P. putida mt-2 (pWW0) Tolueno

Pseudomonas sp, CF600 (pVI150) Fenol

Burkholderia sp. RP007 Fenantreno

P. putida TMB Trimetilbenceno

P. putida NAH (NAH7) Naftaleno

Acinetobacter sp. ADP1 Aril esteres

R. eutropha (pJP4) 2,4 D

Pseudomonas sp. (pP51) Triclorobenceno

P. putida UCC22 (pTDN1) Anilina

P. oleovorans (pOCT) n-alcanos

Burkholderia cepacia LB400 Bifenilo, PCBs

Pseudomonas sp. VLB120 Estireno

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CH3 COOH OH

OH TCA

Xyl UWCMABN

Upperoperon Xyl XYZL

toluatedioxygenase

Xyl TEGFJQKIH

C2,3O et alLower (meta)

operon

El sistema TOL de Pseudomonas putida

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CH3 COOH

Xyl UWCMABN

Upperoperon

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CH3 CH2OH

De la biodegradación a la química verde

COH COOH

xylA xylB xylC

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CH3 CH2OH

De la biodegradación a la química verde

xylA

CH CH2CH=CH2

xylA

O

estireno epóxido

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microorganismos

(156 k)

ecosistemas

Diversidad conocida

plant

(270 k)

animal

(1.230 k)

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microorganisms

200 k

ecosystems

plants(250k)

animal1500k

animalsplants

microbes

human

known existing

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fungi

80 k

protista

100 k

known

eubacteria & archaea

existing

nonculturable

culturable

10 k

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Exploring new worlds…

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Metagenomics

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16S RNA

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DGGE analysis of 16 s RNAs of lindane-polluted soils

enriched

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Acceso al metagenoma microbiano

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Extraction of intact bacterial fraction from soil

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Fractionation of metagenomicsoil DNA for cloning in lambda vectors

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Pero… ¿podemos mejorar

a la Naturaleza?

¡Si! pero utilizando sus

mismos mecanismos

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Declorination activity of linA-like clones

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0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

5F0

9

10

H0

8F0

5

5H

09

8A

0

3C

04

1E

07

2A

0

8E

12

4D

0

3G

11

5G

04

9A

0

8C

09

5G

11

clone

Ac

tiv

ity WT

Act

LinA geneMutagenic

PCR

ScreenActivity assay

DataAnalysis

Cys -> Arg

Study ofImprovedVariants

Next round

DIRECTED EVOLUTION OF Lindane Dechlorinase (LinA)

plac

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Reintroducing linA-in the

biodegradation network with

transgenic plants

José Eduardo González-Pastor, Carolina González de Figueras y

Víctor de Lorenzo

Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) (Madrid)

Centro Nacional de Biotecnología (Madrid)

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pCAMBIA3500, a binary vector to transform

Arabidopsis thaliana

• Replication origins for Escherichia coli and for Agrobacterium tumefaciens

• T-DNA from Agrobacterium (DNA that is excised and integrated in the plant) was

engineered to contain:

– a 35S promoter from cauliflower mosaic virus (CaMV35S) driving a gene encoding

resistance to phosphinothricin (herbicide) for selection of the plant transformants

– Two CaMV35S promoters driving expression of the transgenes, and a CaMV polyA

(modified by Carlos Alonso-CNB)

T-border

(left)

T-border

(right)

CaMV

polyA

CaMV

polyA

CaMV

35S

2x

CaMV

35S

linA

phosphinothricin

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linA-transgenic Arabidopsis thaliana growing in thepresence of lindane (10 m M)

linA control linA (C-His) control

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70s

80s

90s

2Ks

Widening of Biotechnologies

Health

Food

Environment

ChemistryNanotech

?

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Biología Sintética

Rediseñar los sistemas vivos

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The big leap forward: from GeneticEngineeringto SyntheticBiology

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Catalog of parts

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Bacterial promoters as logic gates (I)

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Bacterial promoters as logic gates (II)

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xylUWCMABNPu Pm xylXYZLTEGFJQKIH xylS Ps Pr xylR

Upper operon meta operon

benzoate

m, p-xylene

The regulation of the TOL system

toluateCH3

R

COOH

R

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Regulation of the TOL system as a whole of logic gates

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What can be done with allthis?

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Engineering developmental patterns in bacterial layers

by designing genetic circuitswith Quorum-Sensing components

R. Weiss

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Programming anartificial genetic circuit with parts ofthe bacterialQuorum Sensingsystem

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Designing E. coli strains withLight-responsive properties

Voigt

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Chimaeric light receptor

• Phytochrome Cph1 from Synechocystis• EnvZ• Phycocyanobilin (PCB) ho1, pcyA

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Light-dependent lacZ expression

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Mercury vapor lamp

Projected image

Double Guass

focusable lens

632nm

bandpass fi lter35mm slide

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Only games?

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H H H H H H

H

H H H H H

H

H

H

H

H

H

H

H

Cl Cl

Cl Cl

Cl Cl

H H H H H

H

H H H H

H

H

H

+ H+ + Cl-

+ H+ + Cl-

+ H+ + Cl-

[e- don or] ox

[e- don or]red Pd(0)cell

Pd(II) sol

H

Pd(0)cell

Pd(0)cell /H2 [e- don or]red

[e- don or]ox

S. oneidensi s a

b

c

Dechlorinating PCBs with Bio/inorganic catalysts

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G6P

Glucose

PYRAcCoA

Acetate

Isocitrate

-Ketoglutarate

SuccinateGlyoxylate

Fumarate

Malate

Oxaloacetate

LactateEthanol

GlucoseG6P

PEP

PYR

ATP ADP

CO2

Formate

Formate

(Secreted) H2

NAD

H

NAD

Citrate

Pentose

Phosphate

Pathways

Building abetter H2

producerBuilding a new

chromosome based

on genome

sequencesMaximizing

conversion

to H2

Maximizing

renewable

resource

utilization

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Towards a an H2 super-producer (?)

2006 2008 2010 2012 2014

Synthetic

microbial core Functional

genomics core

Computational

microbial design lab Protein

complex core

Genetic circuit

repository

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Microbial Fuel Cell

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R

I

Transcriptional regulators à la carte?

Antb reporter

Epitope presentation

Enzymatic activity

Optical output

R

Circuitdesign

P

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Area Reduction:THE DISTRIBUTED & SPECIALIZED SENSOR

The MMDS provides a distributed & specialized sensor thatdetects explosive traces and reacts providing an enhanced EMevidence.

A second sensor (a mobile one) easily detects the new EMevidence, which is the translation and amplification of theoriginal explosive one.

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No DNT 2,4-DNT Salicylate

Dnt

RX

ylR

5

CH3

O2NNO2

CH3

CH3

XylR5

luxCDABE

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wt XylR XylR5

Spreading sensor bacteria on a soil microcosm

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Revealing underground 2,4 DNT in a soil microcosm