Geri Dön

Molecular characterization of sulfur dioxide resistance in Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae'de sülfür dioksit direncinin moleküler karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 1019494
  2. Yazar: HALİL İBRAHİM KISAKESEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyoteknoloji, Genetik, Mikrobiyoloji, Biotechnology, Genetics, Microbiology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Sülfür dioksit (SO2) ve ilgili sülfitler, özellikle gıda ve içecek endüstrilerinde yaygın olarak bulunan koruyucu maddelerdir. Gıdaların bozulmasına sebep olan mikroorganizmaların gelişmesini engelledikleri için, önem arz ederler. Ancak aynı toksisite, fermantasyonlarda yaygın olarak kullanılan bir mikroorganizma olan Saccharomyces cerevisiae mayası için önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Yüksek sülfit konsantrasyonları, fermantasyon süreçlerinin durmasına veya yavaşlamasına neden olabilir. Aynı zamanda tüketicilerin, yüksek düzeyde sülfit içeren gıda ve içeceklerin sağlık üzerindeki etkilerine yönelik endişeleri de artmaktadır. Bu nedenle, mayanın sülfit stresine uyum sağlama ve direnme mekanizmalarını anlamak endüstriyel ve bilimsel öneme sahiptir. Bu tez, çalışmasının amacı, yüksek düzeyde SO2 stresine dirençli bir S. cerevisiae F3 suşunun kapsamlı bir moleküler karakterizasyonunun gerçekleştirilmesidir. Bu suş, daha önce S. cerevisiae CEN.PK 113-7D referans suşundan, giderek artan sülfit stresi varlığında, evrimsel mühendislik yaklaşımı kullanılarak geliştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, F3 suşunun dirençli fenotipinden sorumlu spesifik genetik ve transkripsiyonel adaptasyonları belirlemek için tersine metabolik mühendislik yaklaşımından yararlanılmıştır. Tez calışması, daha önce bu suş ile gerçekleştirilmiş olan tüm genom dizileme calışmalarını tamamlayan, kapsamlı bir karşılaştırmalı transkriptomik analiz ve fizyolojik analizleri içermektedir. F3 suşu SO2 stresine karşı anlamlı düzeyde yüksek bir direnç göstermektedir. Referans suşun hayatta kalamadığı (1,1 mM K2S2O5'e kadar) konsantrasyonlarda büyüme kapasitesine sahiptir. F3 suşu, sülfit stresine direnç özelliğine ek olarak, oksidatif stres (H2O2), ısı stresi (50°C) ve donma-çözme döngüleri dahil olmak üzere diğer yaygın endüstriyel ve çevresel stres faktörlerine karşı da önemli düzeyde çapraz direnç geliştirmiştir. Bu durum, F3 suşunun tek bir stres faktörine adaptasyondan ziyade, geniş ve genel bir stres tepki mekanizmasına sahip olduğunu göstermektedir. F3 suşu, tuz stresine (0,75 M NaCl) karşı ise belirgin bir hassasiyet geliştirmiştir. Bu durum, bir stres faktörine direnç kazanırken başka bir stres faktörüne olan direncin azaldığı, beklenen bir evrimsel süreç örneğidir. Daha önce gerçekleştirilmiş olan litikaz duyarlılık testi, F3 suşunun referans suşa göre önemli ölçüde daha sağlam bir hücre duvarına sahip olduğunu göstermiştir. Bu sonuç, fiziksel ve yapısal güçlendirmenin, hücresel stres savunma stratejisinin önemli bir bileşeni olduğunu ve dış stres faktörlerine karşı daha güçlü bir birinci basamak bariyer oluşturduğunu göstermektedir. Genomik ve transkriptomik analiz sonuçları, birincil ve doğrudan etkili SO2 direnç mekanizmasının, FZF1-SSU1 genleri ile ilişkili olduğunu göstermektedir. Tüm genom dizileme sonuçları, sülfit tepkisinin merkezinde yer alan bu iki gende iki adet yanlış anlamlı (missense) mutasyon tespit etmiştir: Bunlardan ilki, bir transkripsiyon faktörü olan FZF1'deki (His175Tyr) bir mutastondur. İkincisi ise, FZF1'ın düzenlediği plazma membran sülfit çıkış pompasını kodlayan SSU1 genindeki (Met191) bir mutasyonudur. Bu calışmadaki mikrodizin analizi, genomik veriler ile uyumlu kanıtlar içermektedir. SSU1 geninin ifadesi, stres yokluğunda bile F3 suşunda yüksek ve anlamlı düzeyde artmıştır. Geçirdiği mutasyon nedeniyle muhtemelen sürekli olarak aktif olmuş bir transkripsiyon faktörünün (FZF1) sülfit pompasının (SSU1) aşırı ekspresyonunu yönlendirdiği bu kombinasyonun, F3 suşunun birincil detoksifikasyon stratejisini oluşturarak, hücrelerden sülfit iyonlarının aktif olarak dışarı atmak için sürekli olarak hazır durumda olduğu öngörülmektedir. Transkriptomik analiz sonuçları, F3 suşunun SO2 direnç fenotipini yalnızca SSU1 pompası mutasyonuna değil, aynı zamanda hücresel süreçlerini,“savunma ve hayatta kalma”yönünde yeniden programladığı çok katmanlı bir savunma sistemine dayandırmakta olduğunu göstermektedir. F3 suşunda geniş spektrumlu stres genlerinin yüksek düzeyde ifade edildiği görülmüştür. Isı şoku proteinleri (HSP12, HSP26, HSP82, HSP104) ve DNA hasarı tepki genleri (DDR2, DDR48) de bu genlere dahildir. Bu veriler F3 suşunun kalıcı şekilde, yüksek bir hücresel alarm durumunda olduğunu göstermektedir. Sülfit stresinin ikincil bir oksidatif strese neden olduğu da bilinmektedir. F3 suşu, oksidatif strese karşı da güçlü bir savunma mekanizması geliştirmiştir. Katalaz (CTT1), sülfiredoksin (SRX1), peroksoredoksin (PRX1, TSA2) ve glutatyon transferaz (ECM4) genlerinin tümü F3 suşunda yüksek düzeyde ifade edilmiştir. F3 suşu ile yapılan transkriptomik analizler, hücre metabolizmasının strese karşı koruyucu bileşiklerin üretilmesine yönelmiş olduğunu ortaya koymuştur. Trehaloz sentez yolağındaki genlerin (TPS1, TPS2, TSL1), ifadesi artmıştır. Kararlı trehaloz seviyesinin oksidatif strese karşı koruyucu olduğu bilinmektedir. F3 suşunda, Pentoz Fosfat Yolağı'ndaki (PPP) GND2 ve SOL4 gibi genler de yüksek düzeyde ifade edilmiştir. PPP'nin birincil rolü, genel antioksidan tepkisi (örneğin glutatyon redüktaz) için gerekli indirgeyici olan NADPH üretimidir. Litikaz duyarlılık test sonuçlarını, doğrulayan bir şekilde, F3 suşunda hücre duvarı protein genlerinin ifadesinin (YPS5, YPS6, CWP1, SED1) anlamlı ölçüde arttığı görülmüştür. Bu sonuç, F3 suşunun daha güçlü ve daha dayanıklı bir hücre duvarı oluşturmak için gerekli hücresel kaynaklarını aktif olarak kullandığını göstermektedir. Kararlı bir stres direnç mekanizması için gerekli enerji ve kaynakları sağlamak amacıyla, F3 suşunun gereksiz ve yüksek enerji maliyetli hücresel süreçlerini baskıladığı gözlemlenmiştir. İfadesi aşırı derecede azalan genler ile ilgili, en önemli bulgu, neredeyse büyüme veya gelişmeyle ilgili tüm mekanizmaların koordineli bir şekilde baskılanmasıdır. Bunlar arasında Nükleolar Proteinler (NOP'ler), rRNA işleme proteinleri, UTP'ler, RNA polimeraz I ve III alt birimleri gibi genler mevcuttur. Ribozom biyogenezi, gelişen bir hücrede en fazla enerji gerektiren süreçtir. Bu tez çalışması kapsamında elde edilen transkriptomik veriler, F3 suşunun, bu süreci durdurarak, geniş bir amino asit, nükleotit ve ATP havuzunu serbest bıraktığını göstermektedir. F3 suşu ayrıca, yeni maddelerin hücre içine alınmasını da sınırlamıştır: Sterol sentezi genleri, fosfat alımı geni (PHO84) ve yüksek afiniteli sülfat permeaz geninin (SUL1) ifadesi azalmıştır. F3 suşu, aktif olarak sülfür bileşiklerini hücre dışına atmaya çalıştığı için, SUL1 yoluyla hücre içine sülfür bileşiklerinin alımını sınırlamaktadır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, SO2 stresine dirençli F3 suşunun, evrimsel mühendislik stratejisiyle elde edilmiş SO2 stres direncinin, fenotipi, tek bir gen mutasyonundan kaynaklı olmayıp, birden fazla gen mutasyonu içeren, karmaşık ve kararlı bir yapıda olduğunu göstermiştir. F3 suşunda gözlenen SO2 stres direnci, aşağıdaki hücresel stratejilerle açıklanabilir: 1. Spesifik savunma: Sürekli aktif olan FZF1-SSU1 eksenli, SO2'yi hücreden dışarı pompalayan doğrudan etkin bir direnç mekanizması söz konusudur. 2. Genel stres savunması: Global programlama ile hücre kalıcı bir“çevresel stres tepki”modunda bulunmaktadır. Etkin bir antioksidan tepkisi, yüksek seviyelerde koruyucu trehaloz ve güçlendirilmiş hücre duvarı da dahil olmak üzere çok katmanlı ve genel bir hücresel stres savunma sistemi oluşturmuştur. Bu yapısal savunma sistemini sürdürmek için gereken enerji ve kaynakları sağlayabilmek amacıyla hücresel büyüme veya gelişme de yavaşlatılmıştır. FZF1, ATG14 ve diğer düzenleyici genlerdeki mutasyonlar da muhtemelen, transkriptomik profili sabitleyerek, hücreyi aktif savunma durumunda tutmaktadır. Bu tez çalışmasında elde edilen sonuçlar, F3 suşunun sülfit direncinin kapsamlı bir moleküler altyapısını ortaya koyarak, genomik mutasyon ve genel transkripsiyonel programlama arasında birbirini destekleyen güçlü bir etkileşim olduğunu göstermektedir. Proteomik ve metabolomik analizler gibi diğer omik analizler ve tespit edilmiş olan herbir mutasyonun sulfit direncindeki rolünü doğrulamaya yönelik tersine mühendislik ve genom düzenleme çalışmaları da yapılırsa, S. cerevisiae'nin sulfit direncinin karmaşık moleküler mekanizmaları daha iyi anlaşılabilecektir.

Özet (Çeviri)

Sulfiting agents, including sulfur dioxide (SO2), are common preservatives in the food and beverage industry, where they inhibit spoilage microorganisms. This creates a significant selective pressure for the fermentative yeast Saccharomyces cerevisiae. Thus, sulfite resistance is a highly desirable trait for industrial strains, and understanding its molecular basis is of great industrial and scientific importance. This thesis provides a detailed molecular characterization of a highly SO2-stress-resistant S. cerevisiae strain (F3) previously developed using evolutionary engineering. The F3 strain demonstrated robust resistance to SO2 and exhibited cross-resistance to oxidative, heat, and cold stresses, as well as enhanced cell wall integrity. To elucidate the mechanisms behind this robust phenotype, an inverse metabolic engineering approach was used, combining comparative genomic and transcriptomic analyses previous whole-genome sequencing results revealed key missense mutations in genes central to sulfite response, including the efflux pump SSU1 and its transcription factor FZF1, as well as genes related to autophagy (ATG14) and vacuolar protein sorting. Comparative transcriptomic analysis performed in this study confirmed these findings, revealing a profound and comprehensive transcriptional reprogramming. A key finding was the significant upregulation of the SSU1 sulfite pump, consistent with the FZF1 mutation. Furthermore, the F3 strain showed a massive upregulation of general stress response genes (e.g., HSPs, DDRs), oxidative stress pathways (SRX1, CTT1), and carbohydrate storage pathways (trehalose and glycogen synthesis). This was coupled with a strong, coordinated downregulation of energy-intensive processes, including ribosome biogenesis, rRNA processing, and nucleotide synthesis. This reallocation of resources simultaneously funds the heightened state of defense and prevents the synthesis of new, vulnerable cellular components during stress. These findings shed light on the complex, multi-layered molecular strategy of SO2 resistance, which involves a constitutive shift from a“growth-focused”to a“defense-and-survival”metabolic posture. Further omic studies, including proteomic and metabolomic analysis, along with the reverse engineering and genome editing studies to verify the individual roles of each mutation in sulfite resistance could help better understand the complex molecular mechanisms of sulfite resistance in S. cerevisiae.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    352302

    Physiological investigation of Rhodobacter sphaeroides

    Rhodobacter sphaeroides in fizyolojik incelenmesi

    ÖZGE ÖZMERAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

  2. Tez No

    805873

    Benzotiyazol türevi kalkonların sentezi, biyolojik aktivite, teorik hesaplama ve moleküler yerleştirme çalışmaları

    Synthesis, biological activity, theoretical calculation, and molecular docking studies of benzothiazole derivative chalcones

    AHMAD BADREDDIN MUSATAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    KimyaSakarya Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ZENGİN

    DOÇ. DR. ALPARSLAN ATAHAN

  3. Tez No

    14091

    Polisülfonların dielektrik davranışlarının incelenmesi

    Investigation of dielectric behaviours of polysulfones

    CANDAN ERBİL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1989

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. BAHATTİN BAYSAL

  4. Tez No

    507715

    Kentsel atıksu arıtma tesisi anaerobik çamur çürütücülerinin dinamik proses modelleme yaklaşımı ile analizi

    Analysis with dynamic process modeling approach of anaerobic sludge digesters of the urban wastewater treatment plant

    KERİM EKİCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL

  5. Tez No

    832265

    Preparation of polybenzoxazine-EPDM rubber based hydrophobic nanocomposite materials

    Polibenzokzazin-EPDM kauçuk esaslı hidrofobik nanokomozit malzemelerin hazırlanması

    EBRU KURTARAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEFER CEM OKUMUŞ

    PROF. DR. UĞURSOY OLGUN

Geri Dön