Synechocystis sp. PCK 6803

Synechocystis sp. PCC6803
Klasyfikacja naukowa
Domena:
Bakteria
Gromada:
Cyjanobakteria
Klasa:
sinice
Zamówienie:
Synechococcales
Rodzina:
Merismopediaceae
Rodzaj:
Synechocystis
Gatunek:
Sp . PCC6803
Nazwa dwumianowa
Synechocystis sp. PCC6803
Synonimy
  • Synechocystis sp000284455 Symbol zastępczy GTDB
„6803” przekierowuje tutaj. Aby zapoznać się z mikrokontrolerem, zobacz rodzinę Motorola 6800 .

Synechocystis sp. PCC6803 to szczep jednokomórkowych sinic słodkowodnych . Synechocystis sp. PCC6803 jest zdolny zarówno do wzrostu fototroficznego przez fotosyntezę tlenową w okresach światła, jak i wzrostu heterotroficznego przez glikolizę i fosforylację oksydacyjną w okresach ciemności. Ekspresja genów jest regulowana przez zegar dobowy , a organizm może skutecznie przewidywać przejścia między fazami światła i ciemności.

Historia ewolucyjna

Cyjanobakterie to fotosyntetyzujące prokarionty , które istnieją na Ziemi od około 2,7 miliarda lat. Zdolność cyjanobakterii do wytwarzania tlenu zapoczątkowała przejście od planety o wysokim stężeniu dwutlenku węgla i małej ilości tlenu do tak zwanego Wielkiego Zdarzenia Natlenienia , w którym wyprodukowano duże ilości gazowego tlenu. Cyjanobakterie skolonizowały różnorodne siedliska, w tym ekosystemy wód słodkich i słonych oraz większość środowisk lądowych. Filogenetycznie, Synechocystis rozgałęzia się później w drzewie ewolucyjnym sinic , dalej od korzenia przodków ( Gloeobacter violaceus ). Synechocystis , który nie jest diazotrofem, jest blisko spokrewniony z innym organizmem modelowym, Cyanothece ATCC 51442, który jest diazotrofem . W związku z tym zaproponowano, że Synechocystis pierwotnie posiadał zdolność wiązania gazowego azotu, ale utracił geny wymagane do w pełni funkcjonującego klastra genów wiązania azotu ( nif ).

Wzrost i wykorzystanie jako organizm modelowy

Cyjanobakterie to mikroorganizmy modelowe do badania fotosyntezy , asymilacji węgla i azotu, ewolucji plastydów roślinnych oraz zdolności adaptacyjnych do stresów środowiskowych . Synechocystis sp. PCC6803 jest jednym z najlepiej zbadanych rodzajów cyjanobakterii , ponieważ może rosnąć zarówno autotroficznie, jak i heterotroficznie przy braku światła. Został wyizolowany ze słodkowodnego jeziora w 1968 roku i najlepiej rośnie w temperaturze od 32 do 38 stopni Celsjusza . Synechocystis sp. PCC6803 może z łatwością pobierać egzogenne DNA , oprócz pobierania DNA poprzez elektroporację , transformację ultradźwiękową i koniugację . Aparat fotosyntetyczny jest bardzo podobny do tego, który występuje u roślin lądowych. Organizm wykazuje również ruch fototaktyczny .

Synechocystis sp. PCC6803 można hodować na płytkach agarowych lub w płynnej hodowli . Najczęściej stosowaną pożywką hodowlaną jest roztwór soli BG-11. Idealne pH wynosi od 7 do 8,5. Natężenie światła 50 μmol fotonów m -2 s -1 prowadzi do najlepszego wzrostu. Bąbelkowanie powietrzem wzbogaconym w dwutlenek węgla (1–2% CO 2 ) może przyspieszyć tempo wzrostu, ale może wymagać dodatkowego buforu w celu utrzymania pH

Selekcja jest zwykle przeprowadzana przez geny oporności na antybiotyki . Heidorn i in. 2011 oznaczono doświadczalnie w Synechocystis sp. PCC6803 idealne stężenia kanamycyny , spektynomycyny , streptomycyny , chloramfenikolu , erytromycyny i gentamycyny . Hodowle można przechowywać na płytkach agarowych przez około 2 tygodnie i ponownie rozsiewać w nieskończoność. W celu długoterminowego przechowywania płynne hodowle komórkowe należy przechowywać w 15% glicerolu roztwór w -80 stopniach Celsjusza .

Genom

Genom Synechocystis sp . _ PCC6803 jest zawarty w około 12 kopiach pojedynczego chromosomu (3,57 megazasad), trzech małych plazmidach : pCC5.2 (5,2 kb), pCA2.4 (2,4 kb) i pCB2.4 (2,4 kb) oraz czterech dużych plazmidach: pSYSM ( 120 kb), pSYSX (106 kb), pSYSA (103 kb) i pSYSG (44 kb). Genom Synechocystis sp. PCC6803 jest czwartym całkowicie zsekwencjonowanym genomem i pierwszym organizmem fototroficznym, którego genom został w pełni zsekwencjonowany.

Dodatkowe obciążenia

Pierwotny szczep Synechocystis sp. jest PCC6803. Stworzono dalsze modyfikacje macierzystego szczepu PCC6803, takie jak podszczep pozbawiony fotosystemu 1 (PSI). Inny szeroko stosowany podszczep Synechocystis sp. jest glukozę , ATCC 27184. Macierzysty szczep PCC 6803 nie może wykorzystywać zewnętrznej glukozy.

Heterotrofia aktywowana światłem

Synechocystis sp. PCC6803, podszczep ATCC 27184, może żyć heterotroficznie w ciemności na glukozie jako źródle węgla , ale z nieznanych jeszcze powodów potrzebuje co najmniej 5 do 15 minut (niebieskiego) światła dziennie. Ta regulacyjna rola światła jest nienaruszona zarówno u PSI , jak i PSII .

Niektóre geny glikolityczne są regulowane przez gen sll1330 w warunkach światła i suplementacji glukozą. Jednym z najważniejszych genów glikolitycznych jest aldolaza fruktozo-1,6-bisfosforanowa ( fbaA ). Poziom mRNA fbaA wzrasta w warunkach światła i suplementacji glukozą.

Natywny system CRISPR-Cas

System CRISPR -Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindrome Repeats – CRISPR Associated Proteins) zapewnia adaptacyjną odporność archeonów i bakterii . Synechocystis sp. PCC6803 zawiera trzy różne systemy CRISPR-Cas: typ ID i dwie wersje typu III. Wszystkie trzy systemy CRISPR-Cas są zlokalizowane na plazmidzie pSYSA. Wszystkim sinicom brakuje systemu typu II, który został szeroko zaadaptowany do celów inżynierii genetycznej u wielu gatunków.

Polimeraza RNA i czynniki sigma

Polimeraza RNA (RNAP) i czynniki sigma są białkami niezbędnymi do transkrypcji DNA do informacyjnego RNA (mRNA). Eubakteryjne holoenzymy RNAP składają się z rdzenia z czterema głównymi podjednostkami α2 ββ'. U cyjanobakterii β' składa się z dwóch mniejszych podjednostek (у i β'), co odpowiada RNAP w chloroplastach roślin . Podjednostki beta są odpowiedzialne za wiązanie RNAP z DNA, zapobiegając przedwczesnej dysocjacji. W Escherichia coli , „zacisk” beta najpierw wiąże się luźno i zaciska, gdy RNAP zbliża się do kodonu startowego (AUG) . U cyjanobakterii zacisk beta wiąże się ściśle przy początkowym wiązaniu. Efektem tej różnicy jest to, że syntetyczne represyjne promotory nie działają zgodnie z oczekiwaniami w Synechocystis sp. PCC6803. W E. coli represor wiąże się z operonem DNA i usuwa RNAP z powodu luźno związanego zacisku beta, podczas gdy w Synechocystis RNAP jest ściśle związany, co prowadzi do odwrotnego zjawiska, w którym represor zostaje wyrzucony z DNA. W ten sposób gen nie jest skutecznie tłumiony. Synechocystis posiada współczynnik sigma 70S (σ70), który można podzielić na trzy grupy. Czynniki sigma grupy 1 mają kluczowe znaczenie dla żywotności komórek. Grupa 2, podobna strukturą do grupy 1, nie jest niezbędna dla żywotności komórek. Grupa 3 jest strukturalnie odmienna i związana z przetrwaniem w warunkach stresowych. Synechocystis sp. PCC6803 nie ma czynnika σN występującego w innych organizmach, takich jak Escherichia coli , który bierze udział w transkrypcji genów związanych z azotem, ale mimo to jest w stanie metabolizować azot.

Naturalna transformacja genetyczna

Synechocystis sp. PCC6803 jest zdolny do naturalnej transformacji genetycznej . Aby zaszła transformacja , bakteria biorcy musi być w stanie kompetentnym . Wykazano , że gen comF jest zaangażowany w rozwój kompetencji u Synechocystis sp. PCC6803.

Biologia syntetyczna/inżynieria genetyczna

Synechocystis sp. PCC6803 jest uważany za organizm modelowy , jednak istnieje niewiele syntetycznych części, które można wykorzystać w inżynierii genetycznej . Ponieważ cyjanobakterie na ogół mają wolne czasy podwojenia (4,5 do 5 godzin w przypadku Synechocystis sp. PCC6301), bardziej wydajne jest przeprowadzenie jak największej ilości klonowania DNA w szybko rosnącym gospodarzu, takim jak Escherichia coli . W celu stworzenia plazmidów —stabilne, replikujące się okrągłe fragmenty DNA — które będą z powodzeniem funkcjonować u wielu gatunków, potrzebny jest wektor wahadłowy o szerokim zasięgu żywiciela (patrz Plazmidy replikacyjne poniżej). Promotory genów, które kontrolują ekspresję genów, muszą również w przewidywalny sposób działać u wielu gospodarzy (patrz Promotory poniżej).

Plazmidy replikacyjne

Obecnie istnieje tylko jeden wektor wahadłowy o szerokim zasięgu gospodarza , RSF1010, który z powodzeniem replikuje się w Synechocystis sp. PCC6803. RSF1010 to plazmid mobilizacyjny, który ułatwia koniugację między komórkami, umożliwiając poziomy transfer genów DNA. Ponadto RSF1010 koduje własną maszynerię replikacji, dzięki czemu nie jest zależny od swojego gospodarza w zakresie posiadania niezbędnych białek i różnorodnych czynników.

Promotorzy

Promotory genów są odpowiedzialne za rekrutację RNAP i ułatwianie transkrypcji DNA. Promotory typu I składają się z regionów konsensusowych -35 i -10 ( ramka Pribnowa ) powyżej miejsca startu genu. Heidorn i in. 2011 sporządził listę rodzimych Synechocystis sp. Promotory PCC6803, które były używane w konstruktach syntetycznych , chociaż prowadzi to do przesłuchu oraz nieortogonalną lub niespecyficzną ekspresję genów. Garstka promotorów Andersona (grupa konstytutywnych promotorów zebranych z biblioteki kombinatorycznej w oparciu o regiony konsensusu -35 ( 5'-TTGACA-3 ' ) i -10 ( 5'-TATAAT-3' )), najlepiej reprezentowana przez BBa_J23101 , wykazano, że działają w Synechocystis sp. PCC6803. Rejestr iGem zawiera te sekwencje promotorów w ramach inicjatywy BioBrick mającej na celu stworzenie wymiennych części genetycznych. Do biologii syntetycznej , bardzo ważne jest posiadanie indukowalnych promotorów lub genów, które można włączać/wyłączać na żądanie. Kilka popularnych indukowalnych promotorów w E. coli to promotory pBad , pTet i pLac , z których wszystkie hamują ekspresję genu przez cząsteczkę represora , która wiąże operatora genu i blokuje progresję RNAP.

Postęp w inżynierii Synechocystis sp. PCC6803 jest obecnie utrudniony przez problemy z promotorem. Jak zauważono powyżej w RNA Polymerase i Sigma Factors, białka klamrowe beta w kompleksie RNAP mają wyższe początkowe powinowactwo wiązania w Synechocystis sp. w porównaniu z innymi modelami eubakteryjnymi. Zatem promotory, które włączają się / wyłączają w odpowiedzi na małe cząsteczki wiążące, są mniej skuteczne w Synechocystis , ponieważ RNAP może je strącić z nici DNA. Camsund, Heidorn i Lindblad 2014 próbowali wzmocnić pLac w Synechocystis sp. PCC6803 poprzez inżynierię promotora z wieloma operonami, ułatwiając w ten sposób zapętlanie DNA. Ich próba była zbyt skuteczna, ponieważ teraz zbyt trudno było wywołać transkrypcję w wysoce stłumionych wariantach. Huang i Lindblad 2013 stworzyli bibliotekę zmodyfikowanych pTet o różnych poziomach represji i zakresie dynamicznym w tolerujących glukozę Synechocystis sp. ATCC 27184. Inną opcją są promotory indukowalne przez metale ciężkie, takie jak: cynk , kadm , kobalt , arsen , nikiel i chrom . Kilka takich promotorów oceniono w Synechocystis sp. PCC6803 autorstwa Peca 2007. Te promotory nie są idealne, ponieważ jony metali mają kluczowe znaczenie w szlakach metabolicznych Synechocystis , a zmiana stężeń może prowadzić do nasilenia niepożądanych skutków ubocznych. Dodatkowo współpraca z tymi promotorami powoduje powstawanie odpadów zanieczyszczonych metalami ciężkimi , co zwiększa koszty utylizacji

Miejsce wiązania rybosomu (RBS)

Miejsce wiązania rybosomu (RBS) to miejsce, w którym rybosom wiąże nić mRNA i rozpoczyna translację . U prokariotów RBS zawiera sekwencję Shine-Dalgarno . Niewiele wiadomo na temat wydajności translacji RBS w Synechocystis sp. PCC6803. Heidorn i in. 2011 zeskanował Synechocystis sp. Genom PCC6803 i stworzył konsensusową sekwencję RBS ( TAGTGGAGGT ), która miała 5 razy wyższą wydajność niż konsensusowa sekwencja E. coli .

Terminatory

Terminatory to sygnał DNA, który zatrzymuje transkrypcję . Rodzimy Synechocystis sp. Scharakteryzowano miejsca terminacji PCC6803.

Jednostka transkrypcyjna (TU)

Jednostki transkrypcyjne (TU) Synechocystis sp. PCC6803 zostały przypisane przy użyciu miejsc startu transkrypcji (TSS) i pozycji końca 3' transkrypcji (TEP).

Produkcja biopaliw

Cyjanobakterie były wykorzystywane na kilka sposobów do produkcji odnawialnego biopaliwa. Oryginalna metoda polegała na hodowaniu cyjanobakterii na biomasę , którą można było przekształcić poprzez upłynnienie w płynne paliwo. Obecne szacunki sugerują, że biopaliw z sinic jest niewykonalna, ponieważ zwrot energii z zainwestowanej energii (EROEI) jest niekorzystny. EROEI nie jest korzystne, ponieważ liczne duże bioreaktory z zamkniętą pętlą z idealnymi warunkami wzrostu (światło słoneczne, nawozy, stężony dwutlenek węgla, tlen) muszą być budowane i eksploatowane, co zużywa paliwa kopalne . Ponadto konieczna jest dalsza obróbka wtórna produktów sinicowych, co wymaga dodatkowych paliw kopalnych.

Synechocystis sp. PCC6803 został wykorzystany jako model do zwiększenia wydajności energetycznej cyjanobakterii poprzez inżynierię genetyczną poprzez następujące manipulacje: poszerzenie zakresu fotosyntetycznej absorpcji światła , zmiana rozmiaru anteny w fotosystemie II , zwiększenie wychwytu wodorowęglanów , modyfikacja enzymu Rubisco w celu zwiększenia wiązania węgla i wprowadzenie szlaków metabolicznych produkcji biopaliw . Nie jest jeszcze jasne, czy biopaliwa z cyjanobakterii będą w przyszłości realną alternatywą dla nieodnawialnych paliw kopalnych.

Bazy danych

  • SynechoNET : zintegrowana baza danych interakcji białko-białko modelowej cyjanobakterii Synechocystis sp. PCC 6803. SynechoNET to wyspecjalizowana baza danych interakcji białko-białko cyjanobakterii. Pokazuje możliwe interakcje domena-domena cyjanobakterii, jak również ich interakcje na poziomie białka przy użyciu modelu cyjanobakterii, Synechocystis sp. PCC 6803. Dodatkowo SynechoNET udostępnia topologię transbłonową i informacje o domenach, a także sieci interakcji w graficznych interfejsach sieciowych.
  • CyanoBase : Cyjanobakterie posiadają pełny zestaw genów do fotosyntezy tlenowej, która jest najbardziej podstawowym procesem życiowym na Ziemi. Organizm ten jest również interesujący z ewolucyjnego punktu widzenia, ponieważ powstał w bardzo starożytnym wieku i przetrwał w różnych środowiskach. Chloroplast glonów i roślin lądowych wyewoluował z przodków cyjanobakterii, którzy rozwinęli endosymbiotyczny związek z organizmem eukariotycznym komórka gospodarza. CyanoBase zapewnia łatwy dostęp do sekwencji i pełnych adnotacji danych dotyczących struktur genomów cyjanobakterii. Ta baza danych została pierwotnie opracowana przez Makoto Hirosawę, Takakazu Kaneko i Satoshi Tabata, a obecna wersja CyanoBase została opracowana i utrzymywana przez Yasukazu Nakamurę, Takakazu Kaneko i Satoshi Tabata z Kazusa DNA Research Institute.
  • STRING : STRING to baza danych znanych i przewidywanych interakcji białko-białko. Interakcje obejmują powiązania bezpośrednie (fizyczne) i pośrednie (funkcjonalne); pochodzą z czterech źródeł: kontekstu genomowego, eksperymentów o dużej przepustowości, (konserwowanej) koekspresji i wcześniejszej wiedzy. Baza danych zawiera obecnie 1 513 782 białek z 373 gatunków. W szczególności baza danych zapewnia interakcje dla Synechocystis sp. PCK 6803.
  • cTFbase : cTFbase zawiera 1288 przypuszczalnych czynników transkrypcyjnych (TF) zidentyfikowanych z 21 w pełni zsekwencjonowanych genomów cyjanobakterii. Dzięki przyjaznemu dla użytkownika interaktywnemu interfejsowi użytkownicy mogą zastosować różne kryteria, aby pobrać wszystkie sekwencje TF i ich szczegółowe informacje o adnotacjach, w tym cechy sekwencji, architekturę domen i podobieństwo sekwencji do połączonych baz danych. Ponadto cTFbase zapewnia również drzewa filogenetyczne poszczególnych rodzin TF, wiele dopasowań sekwencji domeny wiążącej DNA i identyfikację ortologów z dowolnych wybranych genomów .

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Synechocystis_sp._PCC_6803&oldid=1085721918 ”