Synechocystis sp. PCC 6803 -Synechocystis sp. PCC 6803

Synechocystis sp. PCC6803
bilimsel sınıflandırma
İhtisas:
bakteri
filum:
siyanobakteriler
Sınıf:
siyanofisi
Emir:
Sinekokoklar
Aile:
Merismopediaceae
cins:
sinekosist
Türler:
S. sp. PCC6803
Binom adı
Synechocystis sp. PCC6803

Synechocystis sp. PCC6803 , tek hücreli, tatlı su siyanobakterilerinin bir türüdür. Synechocystis sp. PCC6803, hemaydınlık dönemlerdeoksijenli fotosentez yoluyla fototrofik büyümehem dekaranlık dönemlerde glikoliz ve oksidatif fosforilasyon yoluyla heterotrofik büyümeyeteneğine sahiptir. Gen ifadesi sirkadiyen bir saat tarafından düzenlenirve organizma aydınlık ve karanlık fazlar arasındaki geçişleri etkili bir şekilde tahmin edebilir.

evrimsel tarih

Siyanobakteriler , tahmini 2,7 milyar yıldır Dünya'da var olan fotosentetik prokaryotlardır . Siyanobakterilerin oksijen üretme yeteneği, yüksek düzeyde karbondioksit ve az oksijen içeren bir gezegenden, büyük miktarlarda oksijen gazının üretildiği Büyük Oksijenlenme Olayı olarak adlandırılan şeye geçişi başlattı . Siyanobakteriler , tatlı ve tuzlu su ekosistemleri ve çoğu kara ortamı dahil olmak üzere çok çeşitli habitatları kolonize etmiştir. Filogenetik olarak, Synechocystis daha sonra siyanobakteriyel evrim ağacında , atasal kökten ( Gloeobacter violaceus ) daha ileri dallara ayrılır . Synechocystis olmayan diazotrophic yakından bir model organizma ile ilişkili olduğu, Cyanothece bir ATCC 51442, Diazotrof . Bu nedenle, Synechocystis'in başlangıçta nitrojen gazını sabitleme yeteneğine sahip olduğu, ancak tam olarak işleyen bir nitrojen fiksasyonu ( nif ) gen kümesi için gerekli genleri kaybettiği öne sürülmüştür .

Model organizma olarak büyüme ve kullanım

Siyanobakteriler olan Model mikroorganizmalar çalışması için fotosentez , karbon ve azot asimilasyonu , bitki evrimi plastidlere için ve uyum çevresel stres . Synechocystis sp. PCC6803, ışığın yokluğunda hem ototrofik hem de heterotrofik olarak büyüyebildiği için en çok çalışılan siyanobakteri türlerinden biridir . 1968 yılında bir tatlı su gölünden izole edilmiştir ve en iyi 32 ila 38 santigrat derece arasında büyür . Synechocystis sp. PCC6803, elektroporasyon , ultrasonik transformasyon ve konjugasyon yoluyla DNA'yı almaya ek olarak, eksojen DNA'yı kolayca alabilir . Fotosentetik düzenek yüksek bitkilerde bulunan bir çok benzerdir. Organizma ayrıca fototaktik hareket sergiler .

Synechocystis sp. PCC6803, agar plakalarında veya sıvı kültürde büyütülebilir . En yaygın olarak kullanılan kültür ortamı, bir BG-11 tuz çözeltisidir. İdeal pH 7 ile 8,5 arasındadır. 50 μmol foton m -2 s -1 ışık yoğunluğu en iyi büyümeye yol açar. Karbondioksitle zenginleştirilmiş hava ile köpürme (%1–2 CO 2 ) büyüme oranını artırabilir, ancak pH'ı korumak için ek tampon gerektirebilir

Seçim tipik olarak antibiyotik direnç genleri tarafından gerçekleştirilir . Heidor ve ark. 2011 deneysel olarak Synechocystis sp. PCC6803 ideal kanamisin , spektinomisin , streptomisin , kloramfenikol , eritromisin ve gentamisin konsantrasyonlarıdır . Kültürler yaklaşık 2 hafta boyunca agar plakalarında tutulabilir ve süresiz olarak yeniden ekilebilir. Uzun süreli saklama için, sıvı hücre kültürleri -80 santigrat derecede %15 gliserol solüsyonunda saklanmalıdır .

Genetik şifre

Genom içinde Synechocystis sp. PCC6803 tek yaklaşık 12 kopya içinde bulunan kromozom (3.57 megabases), üç küçük plazmidler pCC5.2 (5.2 kb), pCA2.4 (2.4 kb) ve pCB2.4 (2.4 kb) ve dört büyük plazmidler: pSYSM ( 120 kb), pSYSX (106 kb), pSYSA (103 kb) ve pSYSG (44 kb).

Ek suşlar

Synechocystis sp'nin birincil suşu . PCC6803'tür. Ana PCC6803 türünün başka modifikasyonları, örneğin fotosistem 1 (PSI) içermeyen bir alt tür gibi yaratılmıştır . Synechocystis sp'nin yaygın olarak kullanılan diğer alt türü . ATCC 27184, glukoza toleranslı bir suştur. Ana PCC 6803 suşu, harici glikoz kullanamaz.

Işıkla aktive olan heterotrofi

Synechocystis sp. PCC6803, ATCC 27184 alt türü , karbon kaynağı glikoz üzerinde karanlıkta heterotrofik olarak yaşayabilir , ancak henüz bilinmeyen nedenlerle günde en az 5 ila 15 dakika (mavi) ışık gerektirir. Işığın bu düzenleyici rolü hem de sağlam PSI ve PSII eksikliği olan türlerde.

Bazı glikolitik genler, hafif ve glikoz destekli koşullar altında sll1330 geni tarafından düzenlenir . En önemli glikolitik genlerden biri fruktoz-1,6-bifosfat aldolazdır ( fbaA ). FbaA'nın mRNA seviyesi, hafif ve glikoz destekli koşullar altında artar.

Yerel CRISPR-Cas sistemi

CRISPR (düzenli aralıklı bırakılmış Kısa Palindrome Tekrar Kümelenmiş - CRISPR ilişkili proteinler) -Cas Sistem, adaptif bağışıklık içinde arke ve bakteri . Synechocystis sp. PCC6803, üç farklı CRISPR-Cas sistemi içerir: tip ID ve tip III'ün iki versiyonu. Üç CRISPR-Cas sisteminin tümü, pSYSA plazmitinde lokalizedir. Tüm siyanobakteriler , birçok türde genetik mühendisliği amaçları için yaygın olarak uyarlanmış olan tip II sisteminden yoksundur.

RNA polimeraz ve sigma faktörleri

RNA polimeraz (RNAP) ve sigma faktörleri , DNA'nın haberci RNA'ya (mRNA) transkripsiyonu için gerekli proteinlerdir . Öbakteriyel RNAP holoenzimlerinin üretimi dört ana alt-birimleri α2 ββ' ile bir çekirdekten oluşur. Siyanobakterilerde β', bitki kloroplastlarındaki RNAP'lere karşılık gelen iki küçük alt birimden (у ve β') oluşur . P alt birimleri , erken ayrılmasını engelleyen, DNA'ya rnap bağlanmasından sorumlu. Olarak Escherichia coli RNAP yaklaştıkça, p "kelepçe" ilk gevşek bağlanır ve sıkılaştırır başlangıç kodonu (AUG) . Siyanobakterilerde, beta kelepçesi ilk bağlanmada sıkıca bağlanır. Bu farkın etkisi, sentetik bastırılabilir promotörlerin Synechocystis sp.'de beklendiği gibi çalışmamasıdır . PCC6803. Olarak , E. coli , bir bastırıcı, DNA operonu bağlanan ve buna karşılık püskürmesi, gevşek bir şekilde bağlı beta kelepçeye bağlı rnap Synechocystis , RNAP sıkıca represör DNA eksilirse ters fenomen gelen bağlıdır. Böylece gen etkili bir şekilde bastırılmaz. Synechocystis , üç gruba ayrılabilen 70S sigma faktörüne (σ70) sahiptir. Grup 1 sigma faktörleri hücre canlılığı için kritik öneme sahiptir. Yapı olarak Grup 1'e benzer olan Grup 2, hücre canlılığı için gerekli değildir. Grup 3 yapısal olarak farklıdır ve stres koşulları altında hayatta kalma ile ilgilidir. Synechocystis sp. PCC6803 , nitrojenle ilgili genlerin transkripsiyonunda yer alan, ancak yine de nitrojeni metabolize edebilen Escherichia coli gibi diğer organizmalarda bulunan σN faktöründen yoksundur .

Doğal genetik dönüşüm

Synechocystis sp. PCC6803, doğal genetik transformasyon yeteneğine sahiptir . İçin dönüşüm gerçekleşmesi, alıcı bakteri olmalıdır yetkili devlet . Bir gen, COMF , yetkinlik geliştirme dahil olduğu gösterilmiştir Synechocystis sp. PCC6803.

Sentetik biyoloji/genetik mühendisliği

Synechocystis sp. PCC6803 model organizma olarak kabul edilir , ancak genetik mühendisliği için kullanılabilecek birkaç sentetik parça vardır . Genel olarak siyanobakterilerin iki katına çıkma süreleri yavaş olduğundan ( Synechocystis sp. PCC6301'de 4,5 ila 5 saat ), Escherichia coli gibi hızlı büyüyen bir konakçıda mümkün olduğunca fazla DNA klonlaması gerçekleştirmek daha verimlidir . Birden fazla türde başarılı bir şekilde işlev görecek plazmitler ( kararlı, kopyalanan dairesel DNA parçaları) oluşturmak için geniş bir konukçu menzilli mekik vektörü (aşağıdaki Replikatif Plazmitlere bakın) gereklidir. Gen ekspresyonunu kontrol eden gen promotörlerinin ayrıca tahmin edilebilir şekilde birden fazla konakta çalışması gerekir (aşağıdaki Promotörlere bakın).

replikatif plazmitler

Şu anda Synechocystis sp'de başarıyla çoğalan yalnızca bir geniş ana bilgisayar menzilli mekik vektörü RSF1010 vardır . PCC6803. RSF1010, hücreler arasında konjugasyonu kolaylaştıran ve DNA'nın yatay gen transferine izin veren bir mobilizasyon plazmitidir . Ek olarak, RSF1010 kendi replikasyon mekanizmasını kodlar, böylece konağın gerekli proteinlere ve çeşitli faktörlere sahip olmasına bağlı kalmaz.

destekçiler

Gen promotörleri , RNAP'ın alınmasından ve DNA'nın transkripsiyonunun kolaylaştırılmasından sorumludur . Tip I promotörleri , gen başlangıç ​​bölgesinin yukarısında bir konsensüs -35 ve -10 bölgesinden ( Pribnow kutusu ) oluşur. Heidor ve ark. 2011, yerel Synechocystis sp'nin bir listesini derledi . Bu, çapraz konuşmaya ve ortogonal olmayan veya spesifik olmayan gen ekspresyonuna yol açsa da, sentetik yapılarda kullanılmış olan PCC6803 promotörleri . En iyi BBa_J23101 tarafından temsil edilen bir avuç Anderson promotörü (konsensüs -35 ( 5'-TTGACA-3 ' ) ve -10 ( 5'-TATAAT-3' ) bölgelerine dayalı bir kombinatoryal kütüphaneden toplanan bir grup kurucu promotör , Synechocystis sp'de işlev gördüğü gösterilmiştir . PCC6803. İGEM Kayıt parçası olarak, bu promotör sekansları barındıran BioBrick girişimi değiştirilebilir genetik parça oluşturmak için kullanılır. İçin sentetik biyoloji , uyarılabilir promotörler ya da isteğe bağlı olarak on / off açılabilir genler olması kritik önem taşır. Çeşitli popüler uyarılabilir promoterler , E. coli olan pBAD , pTet ve pLac her bir yan olan baskılayabilir gen ekspresyonu promotörleri, baskılayıcı molekülün bağlandığı gen bu operatör ve bloklar ilerlemesini rnap.

Mühendislikte ilerleme Synechocystis sp. PCC6803, şu anda destekleyici sorunları nedeniyle engelleniyor. Yukarıda RNA Polimeraz ve Sigma Faktörlerinde belirtildiği gibi, RNAP kompleksi içindeki beta kelepçe proteinleri , Synechocystis sp.'de daha yüksek bir başlangıç bağlanma afinitesine sahiptir . Diğer öbakteriyel modellere karşı. Bu nedenle, küçük bağlayıcı moleküllere yanıt olarak açılıp kapanan promotörler, Synechocystis'te daha az etkilidir, çünkü RNAP onları DNA zincirinden koparabilir. Camsund, Heidorn ve Lindblad 2014 , Synechocystis sp.'de pLac baskısını artırmaya çalıştı . PCC6803, birden fazla operonlu bir promotör tasarlayarak, böylece DNA döngüsünü kolaylaştırarak. Girişimleri çok etkiliydi, çünkü yüksek oranda bastırılmış varyantlarda transkripsiyonu indüklemek artık çok zordu. Huang ve Lindblad 2013 modifiye bir kütüphane oluşturdu pTet içinde baskı ve dinamik aralık çeşitli düzeylerde ile destekleyici glukoz toleranslı Synechocystis sp. ATCC 27184. Diğer bir seçenek, çinko , kadmiyum , kobalt , arsenik , nikel ve krom gibi ağır metaller tarafından indüklenebilen promotörlerdir . Bu tür birkaç promotör Synechocystis sp. PCC6803, Peca 2007. Metal iyonları Synechocystis'in metabolik yollarında kritik olduğundan ve konsantrasyonların değiştirilmesi istenmeyen yan etkilerin artmasına neden olabileceğinden, bu hızlandırıcılar ideal değildir . Ek olarak, bu destekleyicilerle çalışmak, ağır metallerle kirlenmiş atık üretir ve bu da bertaraf maliyetlerini artırır.

Ribozom bağlanma bölgesi (RBS)

Yeri (RBS) bağlanma ribozom bir konumdur ribozom bir ipliği bağlayan mRNA ve başlar çeviri . Olarak prokaryotlar RBS bir içermektedir Shine-Dalgarno sekansı. Synechocystis sp'deki RBS'lerin çeviri verimliliği hakkında çok az şey bilinmektedir . PCC6803. Heidor ve ark. 2011 Synechocystis sp. PCC6803 genomu ve konsensüs E. coli dizisinden 5 kat daha yüksek çıktıya sahip bir konsensüs RBS dizisi ( TAGTGGAGGT ) yarattı .

sonlandırıcılar

Sonlandırıcılar , transkripsiyonu durduran DNA sinyalidir . Hiçbir doğal Synechocystis terminatörü karakterize edilmemiştir.

Biyoyakıt üretimi

Siyanobakteriler , yenilenebilir biyoyakıt üretmek için çeşitli şekillerde kullanılmıştır. Orijinal yöntem, sıvılaştırma yoluyla sıvı yakıta dönüştürülebilen biyokütle için siyanobakteri yetiştirmekti . Mevcut tahminler , yatırılan enerjinin geri dönüşü (EROEI) elverişsiz olduğundan, siyanobakterilerden biyoyakıt üretiminin mümkün olmadığını göstermektedir . EROEI çok büyük, kapalı döngü olarak avantajlı değildir biyoreaktörler mükemmel büyüme koşulları (güneş ışığı, gübre, konsantre karbon dioksit, oksijen vs) ihtiyacı ile inşa edilmiş ve tüketen, ameliyat edilecek fosil yakıtlar . Ek olarak, ek fosil yakıtlar gerektiren siyanobakteriyel ürünlerin daha fazla işlenmesi gereklidir.

Synechocystis sp. PCC6803, aşağıdaki manipülasyonlarla genetik mühendisliği yoluyla siyanobakteriyel enerji verimini artırmak için bir model olarak kullanılmıştır: fotosentetik ışık absorpsiyon aralığının genişletilmesi, fotosistem II'de anten boyutunun değiştirilmesi , bikarbonat alımının arttırılması, karbon fiksasyonunu artırmak için Rubisco enziminin değiştirilmesi ve giriş biyoyakıt üreten metabolik yollar . Siyanobakteriyel biyoyakıtların yenilenemeyen fosil yakıtlara gelecekte uygulanabilir bir alternatif olup olmayacağı henüz belli değil.

veritabanları

  • SynechoNET : bir model cyanobacterium Synechocystis sp'nin entegre protein-protein etkileşimi veri tabanı . PCC 6803. SynechoNET, özel bir siyanobakteriyel protein-protein etkileşimi veri tabanıdır. Uygun siyanobakteriyel alan-alan etkileşimlerinin yanı sıra, siyanobakteri modeli Synechocystis sp kullanılarak bunların protein seviyesi etkileşimlerini gösterir . PCC 6803. Ek olarak, SynechoNET, transmembran topoloji ve alan bilgilerinin yanı sıra grafiksel web arayüzlerinde etkileşim ağları sağlar.
  • CyanoBase : Siyanobakteriler, Dünya'daki en temel yaşam süreci olan oksijenli fotosentez için eksiksiz bir gen seti taşır. Bu organizma, çok eski bir çağda ortaya çıktığı ve çeşitli ortamlarda hayatta kaldığı için evrimsel açıdan da ilginçtir. Alg ve kara bitkisi kloroplastı , ökaryotik bir konak hücre ile endosimbiyotik bir ilişki geliştiren siyanobakteriyel atalardan evrimleşmiştir . CyanoBase, siyanobakteriyel genomların yapılarına ilişkin dizilere ve her şey dahil açıklama verilerine erişmenin kolay bir yolunu sağlar. Bu veri tabanı orijinal olarak Makoto Hirosawa, Takakazu Kaneko ve Satoshi Tabata tarafından geliştirilmiştir ve CyanoBase'in güncel versiyonu Kazusa DNA Araştırma Enstitüsünde Yasukazu Nakamura, Takakazu Kaneko ve Satoshi Tabata tarafından geliştirilmiş ve sürdürülmüştür.
  • STRING : STRING, bilinen ve tahmin edilen protein-protein etkileşimlerinin bir veri tabanıdır. Etkileşimler, doğrudan (fiziksel) ve dolaylı (işlevsel) ilişkileri içerir; bunlar dört kaynaktan türetilmiştir: Genomik Bağlam, Yüksek Verimli Deneyler, (Korunmuş) Ortak İfade ve Önceki Bilgi. Veritabanı şu anda 373 türde 1.513,782 protein içermektedir. Özellikle, veritabanı Synechocystis sp için etkileşimler sağlar . PCC 6803.
  • cTFbase : cTFbase, 21 tam dizilimli siyanobakteriyel genomdan tanımlanan 1288 varsayılan transkripsiyon faktörünü (TF'ler) içerir . Kullanıcı dostu etkileşimli arayüzü sayesinde, kullanıcılar tüm TF dizilerini ve bunların dizi özellikleri, etki alanı mimarisi ve bağlantılı veritabanlarına göre dizi benzerliği dahil olmak üzere ayrıntılı açıklama bilgilerini almak için çeşitli kriterler kullanabilir. Bundan başka, cTFbase da içerir filogenetik ağaçlar bireysel TF ailesinin, DNA bağlama domeni ve çoklu dizi hizalamaları ortologu seçilen herhangi bir mesafede kimlik genomlarının .

Ayrıca bakınız

Referanslar