CRISPR/Cas9-Mediated Genome Editing of T4 Bacteriophage for High-Throughput Antimicrobial Susceptibility Testing

清脆的 化学 基因组编辑 吞吐量 噬菌体 计算生物学 基因组 高通量筛选 Cas9 抗菌剂 基因 大肠杆菌 生物 生物化学 电信 有机化学 无线 计算机科学
作者
Yawen He,Juhong Chen
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:96 (45): 18301-18310 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c05177
摘要

The accurate and effective determination of antimicrobial resistance is essential to limiting the spread of infectious diseases and ensuring human health. Herein, a simple, accurate, and high-throughput phage-based colorimetric sensing strategy was developed for antimicrobial susceptibility testing (AST). Taking advantage of the CRISPR/Cas9 system, the genome of the T4 phage was modularly engineered to carry lacZ-α (lacZa), a marker gene encoding the α-fragment of β-galactosidase (β-gal). T4lacZa phages were identified by blue-white selection and then used for a biosensing application. In this strategy, the bacterial solution is exposed to the T4lacZa phage, causing target bacteria to overexpress β-gal. Upon the addition of a colorimetric substrate, the β-gal initiates an enzymatic reaction, resulting in a solution color change from yellow to red. This sensing strategy offers a visual way to monitor bacterial growth in the presence of antibiotics, enabling the determination of bacterial antimicrobial susceptibility. As a proof of concept, our developed sensing strategy was successfully applied to identify 9 different multidrug-resistant Escherichia coli (E. coli) in urine samples with 100% specificity. Compared with conventional disk diffusion susceptibility tests, the engineered phage-based sensing strategy can shorten the detection time by at least half without losing detection sensitivity, providing an alternative high-throughput method for AST in clinical diagnosis.
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