Phage therapy: A software system for phage quantification and kinetic model inference.

One of the most serious problems of the modern medicine is the growing emergence of antibiotic resistance among pathogenic bacteria. In this circumstance, different and innovative approaches for treating infections caused by multidrug-resistant bacteria are imperatively required. Bacteriophage Therapy is one among the fascinating approaches to be taken into account. This consists of the use of bacteriophages, viruses that infect bacteria, in order to defeat specific bacterial pathogens. Phage therapy is not an innovative idea, indeed, it was widely used around the world in the 1930s and 1940s, in order to treat various infection diseases, and it is still used in Eastern Europe and the former Soviet Union. Nevertheless, Western scientists mostly lost interest in further use and study of phage therapy and abandoned it after the discovery and the spread of antibiotics. The advancement of scientific knowledge of the last years, together with the encouraging results from recent animal studies using phages to treat bacterial infections, and above all the urgent need for novel and effective antimicrobials, have given a prompt for additional rigorous researches in this field. In particular, in the laboratory of synthetic biology of the department of Life Sciences at the University of Warwick, a novel approach was adopted, starting from the original concept of phage therapy, in order to study a concrete alternative to antibiotics. The innovative idea of the project consists in the development of experimental methodologies, which allow to engineer a programmable synthetic phage system using a combination of directed evolution, automation and microfluidics. The main aim is to make “the therapeutics of tomorrow individualized, specific, and self-regulated” (Jaramillo, 2015). In this context, one of the most important key points is the Bacteriophage Quantification. Therefore, in this research work, a mathematical model describing complex dynamics occurring in biological systems involving continuous growth of bacteriophages, modulated by the performance of the host organisms, was implemented as algorithms into a working software using MATLAB. The developed program is able to predict different unknown concentrations of phages much faster than the classical overnight Plaque Assay. What is more, it gives a meaning and an explanation to the obtained data, making inference about the parameter set of the model, that are representative of the bacteriophage-host interaction.

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.