كليدواژه :
سويه صنعتي , مهندسي تكاملي , توالي يابي كل ژنوم , مهندسي معكوس.
چكيده فارسي :
توسعه سويه‌هاي ميكروبي فرآيندي چالش برانگيز و پيچيده است كه عمدتاً به دليل پيچيدگي‌هاي درگير در درك مسيرهاي متابوليك، تنظيم‌كننده‌هاي ژني و سيستم‌هاي ارتباط بين سلولي است. مهندسي ژنتيك و بهينه‌سازي متابوليك براي توسعه سويه‌هاي صنعتي، كه از طريق فرآيندهاي تخمير و بازيابي سلولي به دست مي‌آيند، حياتي هستند. زمان، هزينه و توليد مداوم موانع قابل توجهي را در هنگام به كارگيري ميكروارگانيسم ها در صنايع مختلف ايجاد مي كند. با اين حال، اين چالش ها را مي توان به طور موثر با استفاده از پايگاه هاي داده بيولوژيكي، زيست شناسي مصنوعي و مهندسي تكاملي براي تقويت توسعه سويه هاي صنعتي و ارزيابي عملكرد سلول در فرآيندهاي صنعتي مورد توجه قرار داد. در تحقيق حاضر، از يك رويكرد مهندسي تكاملي براي تقويت صفت پيچيده تحمل اتانول در مخمر ساكارومايسس سرويزيه استفاده شد. قبل از تكامل تطبيقي آزمايشگاهي، جهش‌زايي انجام شد كه منجر به بهبود تحمل اتانول در جدايههاي به‌دست‌آمده شد. در طول يك آزمايش تكامل تطبيقي 144 روزه، نرخ رشد خاص مخمر به عنوان معياري براي انتخاب جدايههاي برتر، تحت تنش اتانول و 1-بوتانول مورد استفاده قرار گرفت. براي بررسي تغييرات پلي مورفيسم تك نوكلئوتيدي (SNP)، از سويه آزمايشگاهي CEN PK 113-7D استفاده شد. پس از تاييد افزايش نرخ رشد ويژه و توليد اتانول، ژنوم جدايه هاي انتخاب شده استخراج شد. متعاقبا، كل ژنوم سويه هاي تكامل يافته توالي يابي شد و مقايسه اي با سويه والد انجام شد و تغييرات پلي مورفيسم تك نوكلئوتيدي در ژن هاي مرتبط با اين صفت را آشكار كرد. بررسي اثر بهبود نرخ ويژه رشد در تنش در طي آزمون تكامل تطبيقي باعث افزايش ميزان توليد اتانل جدايههاي منتخب شد. دو جدايه F128 و F121 به ترتيب با توليد 52/114 و 195/114 گرم برليتر اتانل نسبت به سويه والدي با توليد 56/90 گرم بر ليتر به عنوان جدايه هاي برتر براي بررسي در زيست واكنشگاه انتخاب شدند. نتايج در زيست واكنشگاه نشان داد كه توليد اتانل اين دوجدايه نسبت به سويه والدي بهبود يافته است.
چكيده لاتين :
The development of microbial strains is a challenging and complex process, mainly due to the complexities involved in understanding metabolic pathways, gene regulators, and intercellular communication systems. Genetic engineering and metabolic optimization are critical for the development of industrial strains, which are obtained through fermentation and cell recovery processes. Time, cost, and continuous production pose significant barriers when applying microorganisms in various industries. However, these challenges can be effectively addressed by using biological databases, synthetic biology and evolutionary engineering to enhance the development of industrial strains and evaluate cell performance in industrial processes. In the present research, an evolutionary engineering approach was employed to enhance the complex trait of ethanol tolerance in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Prior to laboratory adaptive evolution, mutagenesis was conducted, resulting in improved ethanol tolerance in the obtained isolates. Throughout a 144-day adaptive evolution experiment, yeast s specific growth rate was utilized as a criterion for selecting superior isolates, under both ethanol and 1-butanol stress. For the investigation of single nucleotide polymorphism (SNP) changes, the laboratory strain CEN PK 113-7D was utilized. After confirming the enhancement in both specific growth rate and ethanol production, the genome of the selected isolates was extracted. Subsequently, the whole genome of the evolved strains was sequenced, and a comparison was made with the parent strain, revealing the single nucleotide polymorphism changes in the genes associated with this trait. Increased tolerance to 1-butanol stress led to increased tolerance to ethanol. Investigating the effect of increasing the specific growth rate under stress during the adaptive evolution experiment showed that the ethanol production rate of the selected isolates has increased. Two isolates named F128 and F121 were identified as the superior isolates for further investigation in the bioreactor, which increased the ethanol production rate of the parental strain from 90.56 g/L to 114.52 and 114.195 g/L, respectively. The findings from sequencing the entire genome of the evolved strains and comparing it to the parent strain revealed the alterations in single nucleotide polymorphisms (SNPs) of the genes associated with this particular trait. These modifications were observed in genes linked to intracellular substance transport, as well as the pathways involved in the composition and structure of the cytoplasmic membrane, cell wall structure, sugar metabolism, and lipid metabolism. The reverse engineering analysis of the SNPs demonstrated a unique and singular enhancement of ethanol tolerance in the parental strain.
