Toolkit כדי לאפשר גיור פחמימן בסביבות מימיות
Summary
אוטומטי קיימא ויסות מערכת חיידקים לטיפול של זיהומי נפט תוכנן באמצעות חלקי DNA החלפה סטנדרטיים (BioBricks). מהונדס<em> א coli</em> מתח שמש לבזות אלקאנים באמצעות β-חמצון בסביבות מימיות רעילות. את האנזימים המתאימים ממינים שונים הראו פעילות alkane שפלה. בנוסף, סובלנות מוגברת ל<em> N</em>-הקסאן הושג על ידי החדרת גנים מחיידקי alkane סובלניים.
Abstract
עבודה זו מעבירה קדימה ערכת כלים המאפשרת את ההמרה של אלקאנים ידי חיידקי Escherichia ומציג הוכחה לעיקרון תחולתו. ערכת הכלים מורכבים ממספר חלקים סטנדרטיים להחלפה (BioBricks) 9 העוסקים בהמרות של אלקאנים, הוויסות של ביטוי גנים וההישרדות בסביבה רעילה פחמימנים עשירות.
מסלול בן שלושת שלבים לפירוק alkane יושם בE. coli כדי לאפשר המרה של טווח הבינוניים וארוך שרשרת אלקאנים לalkanols בהתאמה, alkanals וחומצות alkanoic-סופו של דבר. האחרון היו מפורק דרך מסלול יליד β-חמצון. כדי להקל את החמצון של אלקאנים בינוני שרשרת (C5-C13) וcycloalkanes (C5-C8), ארבעה גנים (alkB2, rubA3, rubA4 וrubB) של מערכת hydroxylase alkane מגורדוניה SP. TF6 8,21 נהפכו E. coli. להמרה שלאלקאנים ארוכי שרשרת (C15-C36), גן LADA מthermodenitrificans Geobacillus יושמו. לצעדים הנוספים הנדרשים בתהליך ההידרדרות, ADH וALDH (שמקורם thermodenitrificans ג') הוכנסו 10,11. הפעילות נמדדה על ידי מבחני תא מנוחה. לכל שלב חמצונים, פעילות אנזים נצפתה.
כדי לייעל את יעילות התהליך, הביטוי היה מושרה רק בתנאי הגלוקוז נמוכים: אמרגן מצע מוסדר, pCaiF, היה בשימוש. pCaiF נוכח בE. coli K12 ומסדיר את הביטוי של הגנים הקשורים בפירוק של מקורות הפחם שאינה גלוקוז.
חלקיו האחרונים של ערכת הכלים – מיקוד הישרדות – יושם באמצעות גני ממס סובלנות, PhPFDα וβ, שני מ furiosus horikoshii הארכת זמן 3. ממסים אורגניים יכולים לגרום למתח תא וירידה בשרידות על ידי שלילי affectinקיפול חלבונים גרם. כמלווים, PhPFDα וβ לשפר את התהליך למשל החלבון מתקפל תחת הנוכחות של אלקאנים. הביטוי של גנים אלה הובילו לסובלנות פחמימנים משופרות שמוצגת על ידי עלייה בשיעור צמיחה (עד 50%) בנוכחות של 10% n-הקסאן במדיום התרבות נצפה.
בסיכום, התוצאות מצביעות על כך שארגז הכלים מאפשר E. coli כדי להמיר ולסבול פחמימנים בסביבות מימיות. ככזה, הוא מהווה צעד ראשון לקראת פתרון בר קיימא ל- משיקום שמן בעזרת גישת ביולוגיה סינטתית.
Introduction
Oil pollution is among the most serious causes of environmental contamination, and greatly affects ecosystems, businesses and communities 3. Solutions are for example required to battle the continuous oil pollution originating from the oil sands tailing waters in Alberta, Canada. During the process of oil extraction from oil sands, bitumen, a semi-solid oxidized form of oil, is removed using thermal recovery techniques that consume about 3.1 barrels of water per single barrel of oil 1. Oil contaminated process water, mainly originating from a local river, is stored in tailing ponds after bitumen extraction. A more effective recycling of process water in order to reduce the need for freshwater uptake is needed. To facilitate the bitumen extraction and to ensure that downstream sites meet water quality guidelines for the protection of aquatic ecosystems, process water treatments are rapidly evolving 3.
To treat pollution of organic compounds, bioremediation technologies employing microorganisms are presently encouraged 1. Alkanes are the most abundant family of hydrocarbons in crude oil, containing 5 to 40 carbon atoms per molecule 7, 21. Many bacteria are known to degrade alkanes of various lengths via sequential oxidation of the terminal methyl group forming first alcohols, then aldehydes and finally fatty acids 8. Within this iGEM project several enzymes from different organisms were expressed and characterized, and made available via the BioBrick standard and Registry of Standard Biological Parts.
The well-studied alkane hydroxylase system of Gordonia sp. TF6 facilitates the initial oxidation step of C5-C13 alkanes along with that of C5-C8 cycloalkanes using a minimum of four components: alkB2 (alkane 1-monooxygenase), rubA3, rubA4 (two rubredoxins) and RubB (rubredoxin reductase) 8, 21. Oxidation of long-chain alkanes (ranging from C15 up to C36) is reported to be performed by ladA, a flavoprotein alkane monooxygenase from Geobacillus thermodinitrificans NG-80-2 7, 15, 18, 22. LadA forms a catalytic complex with flavin mononucleotide (FMN) that utilizes atomic oxygen for oxidation. This results in the conversion of alkanes into the corresponding primary alkanol. The alcohols are further oxidized by alcohol and aldehyde dehydrogenases to fatty acids, which readily enter the β-oxidation pathway 7, 21. A zinc-independent alcohol dehydrogenase from the thermophillic bacterium Geobacillus thermoleovorans B23 oxidizes medium-chain alkanols into their respective alkanals, using NAD+ as a cofactor 10. Aldehyde dehydrogenase from the same bacterium is able to catalyze the NAD+-dependent final step in the medium-chain oxidation 11.
In order to reduce induction costs and to maintain optimal proliferation of the bacterial system, the promoter pCaiF from E.coli was characterized. This promoter can regulate expression of the hydrocarbon degradation pathway components, and is regulated by cAMP-Crp levels, which in turn depend on glucose levels 6. At high extracellular glucose concentrations in the environment the cellular cAMP (cyclic Adenosine Mononucleotide Phosphate) level was low through the inhibition of adenylyl cyclase as a side effect of PTS mediated glucose transport. Conversely, during limitation (low glucose concentrations) the cAMP level increased and Crp bound to cAMP forming the complex, cAMP-Crp, which bound pCaiF and activated transcription of the downstream components 6, 14.
Wildtype E. coli can only tolerate moderate concentrations of hydrocarbons. To complete the toolkit, tolerance to hydrocarbons had to be addressed. Several organic solvent-tolerant bacteria are known to survive in water-solvent two-phase systems 12. Molecular components known to increase tolerance are chaperones that facilitate the correct folding of proteins. The prefoldin system from Pyrococcus horikoshii OT3, consisting of the proteins phPFDα and phPFDβ, was shown to increase hydrocarbon-tolerance 17.
The alkane conversion toolkit was constructed following the BioBrick principle, which is documented at the Registry of Standard Biological Parts 9. BioBricks are plasmids containing a specific functional insert that is flanked by 4 predefined restriction sites. The BioBrick inserts can be extended flexibly, allowing the construction of biological systems with new functions.
Protocol
Representative Results
Discussion
עיקרון BioBrick משמש לבניית מארז להשפלה של אלקאנים והוכחת עיקרון של הרכיבים הבודדים של ערכת הכלים הושגה. כמה מבחנים מוצעים למדידת in vivo ו במבחנת פעילות של אנזימי מסלול משפיל alkane. העבודה הוצגה מדגימה מספר השיטות שיכולים לשמש כדי לקבוע פעילויות וביטוי אנזים באורג…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הניסויים שבוצעו בוידאו מאמר זה פותחו לתחרות המהונדסת גנטי המכונית הבינלאומית 9. המחברים מבקשים להודות לחברי צוות iGEM לוק Bergwerff, פיטר ואן TM Boheemen, Jelmer Cnossen, הוגו פ Cueto רוחאס ורמון ואן דר וולק ל הסיוע במחקר. אנו מודים האן דה Winde, סטפן דה קוק וEsengül ילדרים לדיונים מועילים ואירוח מחקר זה. עבודה זו נתמכה על ידי TU Delft אוניברסיטת המחלקה לביוטכנולוגיה, ביואינפורמטיקה דלפט המעבדה, TU Delft מחלקת Bionanoscience, שמן חולות מנהיגות היוזמה (OSLI), Stud studentenuitzendbureau, יוזמת ג'נומיקס הולנד, Kluyver המרכז, Nederlandse Biotechnologische Vereniging (Stichting ביוטכנולוגיה Nederland) , ה-DSM, Geneart, גריינר ביו האחד וGenencor.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| E. coli K12 | New England Biolabs | C2523H | |
| Octane | Fluka | 74822 | |
| Hexadecane | Fluka | 52209 | |
| octanol-1 | Fluka | 95446 | |
| dodecanol-1 | Sigma-Aldrich | 126799 | |
| Hexane | Sigma-Aldrich | 296090 | |
| NADH | Sigma | N4505 | |
| FMN | Sigma | F2253 | |
| MgSO4 | J.T. Baker Casno | 7487 889 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| T4 ligase | New England Biolabs | M0202L | |
| Gas chromatograph | |||
| Cell disrupter | LA Biosystems | CD-019 | |
| Spectrophotometer | Amersham pharmacia | spec 2000 | |
| Plate reader | Tecan | Magellan v7.0 | |
| Incubator | Innova, 44 | ||
| BioBrick K398014: BBa_J23100-BBa_J61100-alkB2-BBa_J61100-rubA3-BBa_J61100-rubA4– BBa_J61100-rubB |
Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398014 | Alkane Hydroxylase System Resistance: Chloramphenicol |
| BioBrick K398027: BBa_R0040-BBa_B0034-ladA | Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398027 | ladA Protein Generator Resistance: Chloramphenicol |
| BioBrick K398018: BBa_J23100-BBa_J61101-ADH | Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398018 | ADH generator Resistance: Chloramphenicol |
| BioBrick K398030: BBa_R0040-BBa_B0034-ALDH | Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398030 | ALDH generator Resistance: Chloramphenicol |
| BioBrick K398326: pCaiF | Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398326 | pCaiF promoter Resistance: Chloramphenicol |
| BioBrick K398331: pCaiF-BBa_B0032-BBa_I13401 | Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398331 | pCaiF measurement device Resistance: Chloramphenicol |
| BioBrick K398406: BBa_J23002-BBa_J61107-phPFDα-BBa_J61107- | Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts | BBa_K398406 | Solvent tolerance cluster Resistance: Chloramphenicol |
Referências
- Allen, E. W. Process water treatment in Canada’s oil sands industry: I: Target pollutants and treatment objectives. J. Environ. Eng. Sci. 7, 123-138 (2008).
- Alon, U. . An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits. , (2007).
- Center, O. P. . Understanding Oil Spills and Oil Spill Response. , (1999).
- Eichler, K., Buchet, A., Lemke, R., Kleber, H. P., Mandrand-Berthelot, M. A. Identification and characterization of the caiF gene encoding a potential transcriptional activator of carnitine metabolism in Escherichia coli. J. Bacteriol. 178, 1248-1257 (1995).
- Feng, L., Wang, W., Cheng, J., Ren, Y., Zhao, G., Gao, C., Tang, Y., Liu, X., Han, W., Peng, X., et al. Genome and proteome of long-chain alkane degrading Geobacillus thermodenitrificans NG80-2 isolated from a deep-subsurface oil reservoir. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104 (13), 5602-5607 (2007).
- Fujii, T., Narikawa, T., Takeda, K., Kato, J. Biotransformation of various alkanes using the Escherichia coli expressing an alkane hydroxylase system from Gordonia sp. TF6. Biosci. Biotechnol. Biochem. 68 (10), 2171-2177 (2004).
- Kato, T., Miyanaga, A., Haruki, M., Imanaka, T., Morikawa, M., Gene Kanaya, S. cloning of an alcohol dehydrogenase from thermophilic alkane-degrading Bacillus thermoleovorans B23. J. Biosci. Bioeng. 91 (1), 100-102 (2001).
- Kato, T., Miyanaga, A., Kanaya, S., Morikawa, M. Gene cloning and characterization of an aldehyde dehydrogenase from long-chain alkane-degrading Geobacillus thermoleovorans B23. Extremophiles. 14, 33-39 (2010).
- Kieboom, J., De Bont, J. a. M. . Bacterial Stress Responses. , (2000).
- Kotte, O., Zaugg, J. B., Heinemann, M. Bacterial adaptation through distributed sensing of metabolic fluxes. Mol Syst Biol. 6, 355 (2010).
- Kremling, A., Bettenbrock, K., Gilles, E. D. Analysis of global control of Escherichia coli carbohydrate uptake. BMC Syst. Biol. 1, (2007).
- Li, L., Liu, X., Yang, W., Xu, F., Wang, W., Feng, L., Bartlam, M., Wang, L., Rao, Z. Crystal structure of long-chain alkane monooxygenase (LadA) in complex with coenzyme FMN: unveiling the long-chain alkane hydroxylase. J. Mol. Biol. 376 (2), 453-465 (2008).
- Lin, H. Y., Mathiszik, B., Xu, B., Enfors, S. O., Neubauer, P. Determination of the maximum specific uptake capacities for glucose and oxygen in glucose-limited fed-batch cultivations of Escherichia coli. Biotechnol. Bioeng. 73 (5), 347-357 (2001).
- Okochi, M., Kanie, K., Kurimoto, M., Yohda, M., Honda, H. Overexpression of prefoldin from the hyperthermophilic archaeum Pyrococcus horikoshii OT3 endowed Escherichia coli with organic solvent tolerance. Appl. Microbiol. Biotechnol. 79 (3), 443-449 (2008).
- Rehm, H. J., Reiff, I. Mechanisms and occurrence of microbial oxidation of long-chain alkanes. Adv. Biochem. Eng. / Biotechnol. 19, 175-215 (1981).
- Rojo, F. Degradation of alkanes by bacteria. Environ. Microbiol. 11 (10), 2477-2490 (2009).
- Van Beilen, J. B., Panke, S., Lucchini, S., Franchini, A. G., Rothlisberger, M., Witholt, B. Analysis of Pseudomonas putida alkane-degradation gene clusters and flanking insertion sequences: evolution and regulation of the alk genes. Microbiology. 147, 1621-1630 (2001).
- Wang, L., Tang, Y., Wang, S., Liu, R. L., Liu, M. Z., Zhang, Y., Liang, F. L., Feng, L. Isolation and characterization of a novel thermophilic Bacillus strain degrading long-chain n-alkanes. Extremophiles. 10 (4), 347-356 (2006).
