Polihidroksibütirat üretimi için entegre multi-omik, mekanistik makina ögrenmesi ve CRISPR yaklaşımı
An integrated multi-omics, mechanistic machine learning and CRISPR approach for polyhydroxybutyrate production
- Tez No: 786846
- Danışmanlar: DOÇ. DR. PINAR AYTAR ÇELİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Bilim ve Teknoloji, Biotechnology, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Bakteriler, Biyomalzemeler, Biyopolimerler, Genom, Halofilik bakteriler, Polihidroksialkanoatlar, Polihidroksibütirat, Bacteria, Biomaterials, Biopolymers, Genome, Halophilic bacteria, Polyhydroxyalkanoates, Polyhydroxybutyrate
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Eskişehir Osmangazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyoteknoloji ve Biyogüvenlik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Halofilik organizmalar, yüksek değerli biyotemelli ürünler üretebilme yetenekleri nedeniyle ilgi çekmektedirler. Ekstremofiller, endüstriyel biyoreaktörlerde aşırı koşullara dayanabilirler ve bu da kontaminasyona çok daha az maruz kalmasını sağlar. Bu yüksek katma değerli ürünler arasında enzimler, polihidroksialkanotlar (PHAs), ektoin, vanilik asit gibi ürünler bulunmaktadır. PHAs, besinin sınırlandırıldığı koşullar altında depo polimeri olarak sentezlenirken, ektoin gibi osmoprotektanlar ise yüksek tuzluluk koşullarına cevaben üretilirler ve tuz stresine karşı koruma sağlarlar. Genom ölçekli metabolik modelleme (GEM) çalışmalarının uygulamaları çeşitlidir ve araştırmacılar, biyolojik sistemleri çalışmak için çok sayıda yenilikçi yöntem uygularlar. Özellikle, GEM'lerin kısıt tabanlı analizi, organizmaların genotip-fenotip ilişkilerini araştırmak ve istenilen bir işlevi değiştirmek için hipotez yönlendirilmiş metabolizma mühendisliği yapmak için kullanılabilir. Günümüzde, metabolik yolakların ve gen silme etkilerinin tahmin edilmesine olanak tanıyan GEM içinde aynı zamanda gen amplifikasyonlarının kullanıldığı endüstriyel suş geliştirmede kullanılabilecek sayısal algoritmalar mevcuttur. Bu çalışmanın amacı, genomik yöntemler ve manuel derlenmiş GEM kullanılarak Halomonas elongata'da polihidroksibütirat (PHB) üretimini deneysel olarak analiz etmektir. Bu, PHB verimini artırmak için metabolik mühendislik stratejilerini araştırmayı mümkün kılacaktır. Bu çalışmada, poli hidroksibutirat üretimi ve miktarını ölçmek için model organizma olarak Halomonas elongata suşu 153B kullanılmıştır. Bu bakterinin tüm genomu dizilenmiş, yapılandırılmış ve açıklanmıştır. İleri analizler, ortolog grupların kümeleri ve BLAST ile yorumlanan genlerin fonksiyonlarını keşfetmeye yardımcı olmuştur. Genomun içeriğinde; iyon taşıma, osmoregülasyon, oksidatif stres ile ilgili genler ile poli hidroksibutiratlar, sekonder metabolit kümeleri ve ksenobiotiklerin parçalanması için özelleşmiş genler bulunmaktaydı. Karşılaştırmalı genomik bir yaklaşım kullanılarak, Halomonas elongata suşu 153B'nin genomu ayrıca diğer 5 Halomonas suşu ve 7 türü ile de karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma için kullanılan Halomonas elongata suşları HEK1, HAL363, BLLS135 ve MH25661 iken, referans genom DSM 2581 idi. Karşılaştırmaya dahil edilen diğer türler ise Halomonas caseinilytica, Halomonas. socia, Halomonas organivorans, Halomonas boliviensis, Halomonas zincidurans, Halomonas lutea ve Halomonas malpeensis idi. Annot edilmiş genom, Halomonas elongata ve bazı durumlarda yakın türe ait veriler kullanılarak literatür verileriyle sıkı bir şekilde manuel düzenlenmiş, standartlaştırılmış ve doğrulanmış bir GEM oluşturmak için kullanılmıştır. Model, büyümeyi, karbon kaynağı kullanımını ve osmoadaptasyon fenotipini, esansiyel genleri ve PHB, ektoin ve vanilik asit biyoproduktlarının üretim dinamiklerini taklit etmek için flux denge analiziyle analiz edilmiştir. CRISPR Cas benzeri gen silme çalışmalarının sonucu olarak ortaya çıkan fenotipik değişikliklerin nasıl PHB'nin biyosentezine etkilediği de araştırılmıştır. H. elongata 153B'nin genel genom özellikleri ve birçok biyosistem için genleri, işlevleri ve yolakları dahil olmak üzere ayrıntılı bir şekilde açıklandı. H. elongata 153B, diğer 4 rapor edilen türe ve referans türe göre değerlendirildiğinde H. elongata DSM 2581'e daha benzer özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, H. elongata 153B suşunda yüksek osmolarite gösteren ortamlarda adaptasyon için önemli olan taşıma, osmoregülasyon, sinyalizasyon ve oksidatif stres ile ilgili birçok gen tespit edilmiştir. Bu genlerin bir koordine akış işbirliği ile adaptasyona yardımcı olduğu görülmüştür. H. elongata 153B'nin genomunun, ayrıca PHA, çeşitli vitaminler, ektoin, aromatik ve ilaç bileşiklerinin üretimine ilişkin genleri de içerdiği tespit edilmiştir. GEM, büyük bir manuel kurgulama ve doğrulama işlemi sonrasında yeniden inşa edilmiştir. Modelin, iEB1239, sitosol, periplazm ve ekstrasellüler boşluk adında üç bölmeye sahip olduğu görülmüştür. İlk taslak modelinde 1534 metabolik maddenin, 2314 reaksiyonun ve 1239 genin olduğu görülmüştür. Modelin MEMOTE standartlaştırma skoru %71 olarak bulunmuştur. Bu model, kurulmuş minimal ortam ve biyomas reaksiyonu kullanılarak, H. elongata biyokimyasal ve osmoadaptasyon fenotip özelliklerini doğru bir şekilde tahmin edilmesini sağmamış ve ayrıca önceden test edilmiş ve test edilmemiş kaynaklar dahil 28 çeşit karbon kaynağında büyüme göstereceğini ortaya koymuştur. Bununla birlikte, GEM, osmoregülasyonun inceliklerini doğru bir şekilde modelleme yeteneğine de sahip olduğundan PHB, ektoin ve vanillik asit üretiminin dinamiklerini de gösterebilmiştir. Bu çalışmada elde edilen bilginin, halofilik genom, metabolizma ve fizyolojisini anlama, değerli enzimler elde etme ve biyoteknolojik araştırmalar için hızlılaştırma amacıyla güvenilir bir bilgi kaynağı olarak hizmet vereceği düşünülmektedir. Bunun yanı sıra, geniş ölçüde doğrulanmış GEM, CRISPR Cas mühendisliği ile PHB ve diğer biyoteknolojik ürünlerin verimini artırmak, ayrıca halofilik metabolik süreçlerde henüz keşfedilememiş mekanizmaları araştırmak amacıyla kullanılabilecek bir sistem olması açısından biyolojik bir platform sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Halomonas bacteria, which are halophilic gram-negative and aerobic, produce polyhydroxyalkanoates (PHAs), ectoine, and other valuable substances that can be utilized in various industries such as pharmaceuticals, food, chemicals, and cosmetics. These microorganisms have the ability to tolerate moderate levels of salinity and are classified as moderately halophilic. The genome of Halomonas elongata strain 153B was analyzed and compared to the genomes of 5 other strains and 7 species. The annotated genome was used to create a genome-scale metabolic model (GEM), which was then validated using flux balance analysis and literature data. The analysis revealed that H. elongata 153B has more similar features to the reference strain H. elongata DSM 2581 compared to the other 4 reported strains. Additionally, several genes involved in transport, osmoregulation, signaling, and oxidative stress were identified as being important for adaptation to high osmolarity environments. These genes appear to work together in a coordinated network to allow adaptation. The genome of H. elongata 153B was also found to contain genes related to the synthesis of PHAs, vitamins, ectoine, and the degradation of aromatic and drugs compounds. The GEM was reconstructed following an extensive manual curation and validation process. The resulting model accurately predicted H. elongata phenotype features and showed growth on several carbon sources. Also, the GEM showed the ability to accurately model intricacies of osmoregulation as well as the dynamics of PHB, ectoine, and vanillic acid production. Halophile physiology can be studied with the help of the genome, which will also serve as a source of valuable enzymes and can expedite research for biotechnology applications. Furthermore, the extensively validated GEM provides a systems biology platform for use in further studies with CRISPR Cas engineering to increase the PHB yield and to investigate so far elusive mechanisms in halophilic metabolic processes.
Benzer Tezler
- Electrospun composite nanofibers with metal/metal oxidenanoparticles
Metal/metal oksit nanopartikül içerikli elektroeğrilmiş nanolif üretimi
HAVVA BAŞKAN
Doktora
İngilizce
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALE KARAKAŞ
- Yeşil alg ve siyanobakteri türlerinden polihidroksibütirat (PHB) üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of polyhydroxybutyrate (PHB) from green algae and cyanobacteria species
MEVLÜT ALPER AYANOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyoteknolojiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiBiyoteknoloji ve Biyogüvenlik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKNUR DAĞ
DOÇ. DR. BETÜL YILMAZ ÖZTÜRK
- Polihidroksibutirat ve termofilik bir ferulik asit esterazın klasik ve mikrobaloncuk fermentasyon yöntemi ile üretimi
Production of polyhydroxybutyrate and a thermophilic ferulic acid esterase with conventional and microbubble fermentation
FULYA AY ŞAL
Doktora
Türkçe
2016
BiyolojiKaradeniz Teknik ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN BELDÜZ
- Bacillus subtilis kültürlerinde PHB (Poli-Beta-Hidroksibütirat) üretimi
Production of PHB (Poly-Beta-Hydroxybutyrate) in Bacillus subtilis cultures
NAZAN TAMDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
BiyolojiCelal Bayar ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UĞUR SIDAL
- Bazı cyanobacteria'nın PHB (poly-beta-hydroxybutyrate) üretimi ve antimikrobiyal aktivitelerinin incelenmesi
Studies on PHB (poly-beta-hydroxybutyrate) production and antimicrobial activities of some cyanobacteria
MUHAMMED AKBAR YOLDAŞ