Boolean logic-based assays for the analysis of multiple bacillus cereus toxins

Zhu, Kui (2014): Boolean logic-based assays for the analysis of multiple bacillus cereus toxins, Auf Boolescher Logik basierende Assays für die Analyse verschiedener Bacillus cereus Toxine. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Bacillus cereus is a Gram-positive and spore-forming bacterium of the Bacillus cereus group, sharing a closely related phylogenetic similarity with other group members such as Bacillus anthracis and Bacillus thuringiensis. Bacillus cereus is responsible for both gastrointestinal and non-gastrointestinal syndromes. Of the former ones, emesis and diarrhea are caused by either the emetic toxin (cereulide) or different enterotoxins mainly the non-haemolytic enterotoxin (Nhe), haemolysin BL (Hbl) and cytotoxin K (CytK). In addition, other toxins and virulence factors have been reported in the past few years, e.g., haemolysin II (HlyII), Certhrax, vegetative insecticidal proteins (VIPs), immune inhibitor A1 (InhA1) and sphingomyelinase (SMase). Since the relative role of the individual toxins and the other factors in disease is still unknown, there is an urgent demand to detect these potential targets for either diagnostic or food safety purposes. In the first part of the thesis, we present an OR gate based on monoclonal antibodies for the simultaneous detection of multiple toxins in a single tube. To further simplify the operating procedure, the Boolean rule of simplification was used to guide the selection of a marker toxin among the natural toxin profiles. Furthermore, we developed a cellular logic circuit for deciphering the toxin profiles produced by B. cereus, using readout techniques based on pore formation on the cell membrane. This new assay enabled the simultaneous detection of seven biomarkers in pathogenic strains from various sources. Lastly, a cellular logic system capable of combinatorial and sequential logic operations based on bacterial protein-triggered cytotoxicity was constructed. Advanced devices such as a keypad lock, half-adder and several basic Boolean properties were demonstrated on the cells. This represents a first example of a Boolean logic-based system for assaying multiple bacterial toxins. In addition, the results suggest that toxins and other virulence factors of bacteria can be used as toolkits for biocomputing.

Abstract

Bacillus cereus ist ein Gram-positives und Sporen bildendes Bakterium aus der Bacillus cereus Gruppe, welche auch die phylogenetisch nah verwandten Bacillus anthracis und Bacillus thuringiensis beinhaltet. B. cereus ist sowohl für gastrointestinale als auch nicht-gastrointestinale Syndrome verantwortlich. In ersterem Fall werden Erbrechen und Diarrhö entweder durch das emetische Toxin (Cereulid) oder durch verschiedene Enterotoxine, hauptsächlich durch das nicht-hämolytische Enterotoxin (Nhe), das Hämolysin BL (Hbl) und das Cytotoxin K (CytK) verursacht. Des Weiteren wurde in den letzten Jahren auch von anderen Toxinen und Virulenz Faktoren berichtet: Hämolysin II (HlyII), Certhrax, die vegetativ expremierten insektiziden Proteine (VIPs), der Immune inhibitor A1 (InhA1) und die Sphingomyelinase (SMase). Da das Zusammenspiel der einzelnen Toxine und der anderen Faktoren im Krankheitsfall noch viele Rätsel aufweist, gibt es einen dringenden Bedarf diese potentiellen Targets zu detektieren – sowohl für die Diagnostik als auch für die Lebensmittelsicherheit. Im ersten Teil dieser Dissertation wird die mathematische Logikfunktion des ODER-Gatters, basierend auf monoklonalen Antikörpern für die simultane Detektion von verschiedenen Toxinen in einem Teströhrchen benutzt. Um den Arbeitsvorgang weiter zu simplifizieren wurde die Boolesche Regel der Vereinfachung angewandt, um ein Marker Toxin aus dem Spektrum der natürlichen Toxine auszuwählen. Desweitern wurde eine zelluläre Schaltkreislogik entwickelt, um die Toxinprofile von B. cereus zu entschlüsseln. Dafür benutzten wir als Testsignal die Porenbildung auf der Zellmembran. Dieser neuartige Assay ermöglicht in pathogenen Stämmen verschiedenen Ursprungs die simultane Detektion von sieben verschiedenen Biomarkern. Zuletzt wurde ein zellulärer Logikschaltkreis, basierend auf durch bakterielle Proteine induzierte Cytotoxizität konstruiert, der zu kombinatorischen und sequentiellen logischen Verknüpfungen befähigt ist. Auch fortgeschrittene Elemente wie ein Tastaturschloss, Halb-Addierer und verschiedene elementare Booleschen Eigenschaften wurden auf zellulärer Ebene demonstriert. Diese Arbeit repräsentiert ein erstes Beispiel für ein auf Boolescher Logik basierendes System unter Benutzung verschiedener bakterieller Toxine. Die Resultate deuten darauf hin, dass bakterielle Toxine und andere Virulenzfaktoren als Bausteine für Bio-Datenverarbeitung genutzt werden können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Boolean logic, Bacillus cereus, toxin
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Juli 2014
• 1. Bericht­erstatter:in: Märtlbauer, Erwin