Metabolically engineered Corynebacterium glutamicum with biosensing and drug delivering properties for living therapeutic material applications

Abstract

Living therapeutic materials are biomaterials that incorporate living cells as an integral part of their structure and function, enabling them to serve as versatile therapeutic devices and perform tasks difficult to achieve with traditional therapies. Hydration-regulating living therapeutic materials represent promising therapeutic options, as changes in cellular hydration can disrupt homeostasis and contribute to dry eye and skin conditions. In this work a remarkable hydration property of ectoine, a compatible solute found in extreme environments, were explored. The gram-positive soil bacterium Corynebacterium glutamicum serves as an excellent platform for ectoine production. This strain was engineered into a versatile cellular platform with therapeutic, fluorescence, and biosensing capabilities. The encapsulation of generated strain mutants was achieved through bacterial patches and hydrogels to enhance safety and controlled release. Within this thesis, prototypes with prolonged, sustained ectoine release were developed, offering a potential alternative to high-dose ectoine drops and enabling more user-friendly application options. This work represents a step toward the goal of "living therapeutic materials" as the next pillar of therapeutics.Living therapeutic materials are biomaterials that incorporate living cells as an integral part of their structure and function, enabling them to serve as versatile therapeutic devices and perform tasks difficult to achieve with traditional therapies. Hydration-regulating living therapeutic materials represent promising therapeutic options, as changes in cellular hydration can disrupt homeostasis and contribute to dry eye and skin conditions. In this work a remarkable hydration property of ectoine, a compatible solute found in extreme environments, were explored. The gram-positive soil bacterium Corynebacterium glutamicum serves as an excellent platform for ectoine production. This strain was engineered into a versatile cellular platform with therapeutic, fluorescence, and biosensing capabilities. The encapsulation of generated strain mutants was achieved through bacterial patches and hydrogels to enhance safety and controlled release. Within this thesis, prototypes with prolonged, sustained ectoine release were developed, offering a potential alternative to high-dose ectoine drops and enabling more user-friendly application options. This work represents a step toward the goal of "living therapeutic materials" as the next pillar of therapeutics.

Lebende therapeutische Materialien sind Biomaterialien, die lebende Zellen als integralen Bestandteil ihrer Struktur und Funktion enthalten. Dadurch können sie als vielseitige therapeutische Hilfsmittel dienen und Aufgaben erfüllen, die mit herkömmlichen Therapien nur schwer zu erreichen sind. Hydratationsregulierende lebende therapeutische Materialien stellen vielversprechende therapeutische Optionen dar, da Veränderungen der zellulären Hydratation die Homöostase stören und zu trockenen Augen und Hauterkrankungen beitragen können. In dieser Arbeit wurde die bemerkenswerte Hydratationseigenschaft von Ectoin, einem kompatiblen Soluten aus extremen Umgebungen, untersucht. Das grampositive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum dient als Plattform für die Ectoinproduktion. Dieser Stamm wurde in eine vielseitige zelluläre Plattform mit therapeutischen, Fluoreszenz-und Biosensor-Fähigkeiten umgewandelt. Die Verkapselung der erzeugten Stammmutanten wurde durch bakterielle Pflaster und Hydrogele erreicht, um Sicherheit und kontrollierte Freisetzung von Ectoin zu verbessern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Prototypen mit verlängerter, kontinuierlicher Ectoin-Freisetzung entwickelt, die eine potenzielle Alternative zu hochdosierten Ectoin-Tropfen darstellen und anwenderfreundlichere Anwendungsmöglichkeiten bieten. Diese Arbeit stellt damit einen Schritt in Richtung des Ziels „Lebender Therapeutischer Materialien“ als nächste Säule für Therapeutika dar.Lebende therapeutische Materialien sind Biomaterialien, die lebende Zellen als integralen Bestandteil ihrer Struktur und Funktion enthalten. Dadurch können sie als vielseitige therapeutische Hilfsmittel dienen und Aufgaben erfüllen, die mit herkömmlichen Therapien nur schwer zu erreichen sind. Hydratationsregulierende lebende therapeutische Materialien stellen vielversprechende therapeutische Optionen dar, da Veränderungen der zellulären Hydratation die Homöostase stören und zu trockenen Augen und Hauterkrankungen beitragen können. In dieser Arbeit wurde die bemerkenswerte Hydratationseigenschaft von Ectoin, einem kompatiblen Soluten aus extremen Umgebungen, untersucht. Das grampositive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum dient als Plattform für die Ectoinproduktion. Dieser Stamm wurde in eine vielseitige zelluläre Plattform mit therapeutischen, Fluoreszenz-und Biosensor-Fähigkeiten umgewandelt. Die Verkapselung der erzeugten Stammmutanten wurde durch bakterielle Pflaster und Hydrogele erreicht, um Sicherheit und kontrollierte Freisetzung von Ectoin zu verbessern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Prototypen mit verlängerter, kontinuierlicher Ectoin-Freisetzung entwickelt, die eine potenzielle Alternative zu hochdosierten Ectoin-Tropfen darstellen und anwenderfreundlichere Anwendungsmöglichkeiten bieten. Diese Arbeit stellt damit einen Schritt in Richtung des Ziels „Lebender Therapeutischer Materialien“ als nächste Säule für Therapeutika dar.