Geri Dön

Omic analyses of stress-resistant Saccharomyces cerevisiae

Strese dirençli Saccharomyces cerevisiae'nin omik analizleri

PDF İndir

  1. Tez No: 874307
  2. Yazar: ENES FAHRİ TEZCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR, PROF. DR. ŞEFİKA KUTLU ÜLGEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Genetik, Bioengineering, Biotechnology, Genetics
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 88

Özet

Saccharomyces cerevisiae, insanoğlu tarafından antik zamanlardan itibaren gıda üretiminde kullanılan, günümüzde ise çeşitli endüstriyel üretim uygulamalarında kullanılan bir maya türüdür. Bununla birlikte, ökaryot bir organizma olması ve 1996 yılından beri genomu üzerinde yapılan yoğun çalışmalar nedeniyle, ökaryotik organizmaların karmaşık biyolojik süreçlerinin anlaşılmasında model organizma olarak da kullanılmaktadır. Model organizma olmasının en önemli sebepleri ise insan genomu ile önemli düzeyde homolojiye sahip olması, iyi karakterize edilmiş genomu, yüksek organizmalarla olan genetik benzerliği ve kolay manipüle edilebilmesidir. S. cerevisiae değerli ürünlerin endüstriyel üretimi sırasında besin açlığı, sıcaklık, ozmotik ve toksik kimyasallar gibi çeşitli fizyolojik stres koşullarına maruz kalmaktadır. S. cerevisiae bahsedilen stres koşullarına karşı uyum sağlayabilmek ve hücre içi dengesini koruyabilmek amacıyla iç metabolizmasında birçok değişiklikler yapmaktadır. Bu değişiklikler 1000'e yakın genin ifadesinde gerçekleşen farklılaşma sonucu meydana gelmektedir. Stres tepkisinde bu kadar çok genin yer alması stres tepkisi ile stres direncinin moleküler altyapısının son derece karmaşık olduğunu göstermektedir. Model organizma olarak çalışılan S. cerevisiae'nin çoklu stres tepkisi ve moleküler mekanizmalarının aydınlatılması, ileri ökaryotların daha iyi anlaşılması ve de endüstriyel olarak elde edilen ürünlerde verim artışının gerçekleştirilmesi için oldukça önemli bir konudur. Bor bitkiler için esansiyel bir mikro besindir ve eser miktarda hayvanlarda da bulunmaktadır. Borun hücredeki ana işlevi, çeşitli şekerler, glikoproteinler, glikolipidler ve fosfonoidler ile reaksiyona girerek biyolojik olarak fonksiyonel kompleksler oluşturabilen borik asit ve borat anyonun oluşumudur. Ancak bor; ATP, NADH ve RNA gibi moleküllere bağlanarak hücre için önemli metabolik fonksiyonları engellediği için, yüksek hücre içi ve dışı bor konsantrasyonu, mikroorganizmalar üzerinde toksik etkiye sahiptir. S. cerevisiae mayasında bor stres tepkisi ve direncinin kesin moleküler mekanizmaları henüz anlaşılamamıştır. Bir tersine metabolik mühendislik yaklaşımı olan evrimsel mühendislik, endüstriyel olarak önemli ve istenen mikrobiyal fenotipleri elde etmek için güçlü bir stratejidir. Evrimsel mühendislik, istenen fenotipleri elde etmek için sistematik olarak tekrarlanan rastgele mutasyon ve seçilim döngülerinden ve ardından istenen fenotiplerin fizyolojik ve omik düzeyde (genomik, transkriptomik, proteomik, vb.) analizlerinden oluşur. Bir organizmanın istenen fenotipini elde etmek, böylece istenilen stres direncini oluşturmak ve direnç mekanizmasını aydınlatabilmek disiplinler arası araştırma gerektirmekte ve yüksek miktarda genomik veri içermektedir. Metabolik modelleme ve akı analizi çalışmaları ile organizmaların yolaklarında meydanana gelen değişiklikler hızlı ve kapsamlı şekilde simüle edilebilmektedir. Bu durum önemli ölçüde zaman kazandırmakta ve deneysel çalışmalarla elde edilmesi güç verilerin in silico ortamda yorumlanabilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada, omik analizler ve genom ölçekli metabolik modelleme ile, S. cerevisiae mayasının stres direnç mekanizmaları araştırılmıştır. İlk olarak, bir tersine metabolik mühendislik yaklaşımı olan evrimsel mühendislik ile elde edilmiş bor stresine dayanıklı S. cerevisiae suşunun kazanmış olduğu bu özelliğin kalıcı olup olmadığı genetik kararlılık testi ile incelendi ve suş genetik olarak kararlı bulundu. Ardından bor ve oksidatif stres koşullarına direnç kazandırılmış S. cerevisiae suşlarının ekspresyon profilleri ve enzim kinetiği, evrimleşmiş suşların davranışlarını simule etmek için, stres dirençli mayalar için geliştirikmiş bir genom ölçekli metabolik model ile bütünleştirildi. Suşlar arasındaki ortak ve farklılaşmış metabolik noktaları belirleyebilmek için birçok çalışmada kullanılan akı denge ve değişkenlik, hassasiyet, dayanıklılık ve duyarlılık analizleri gibi gelenekselleşmiş yöntemler bu modellere uygulandı. Elde edilen sonuçlar önceki çalışmalarda evrimsel mühendislik ile elde edilmiş ve simulasyon analizleri yapılmış olan etanol, kafein, koniferil aldehit, demir, nikel, feniletanol ve gümüş stresine dirençli suşların sonuçları ile karşılaştırıldı. Simülasyon sonuçlarından elde edilen adaptasyon mekaniği ile ilişkili reaksiyonlar, metabolitler ve genler tanımlanmış ve detaylı olarak araştırılmıştır. Sonuç olarak bu çalışmada, evrimsel mühendislik yöntemi kullanılarak elde edilen suşlar üzerinde genom ölçekli metabolik modelleme teknikleri başarılı bir şekilde uygulanıp ve omik veriler ile genom ölçekli metabolik modelleri birleştirerek sistematik bir bakış açısıyla genel maya metabolizması ve stres direnci hakkında önemli bilgiler elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Saccharomyces cerevisiae is a yeast species that has been used in food production by humankind since ancient times, and is now used in diverse industrial applications as a production host. However, being a eukaryotic organism and having intensive studies on its genome since 1996, it is also used as a model organism for understanding the complex biological processes of eukaryotic organisms. The most important reasons for being a model organism are that it has considerable homology with the human genome, has a well-characterized genome, and genetic similarity with higher organisms. During industrial production of valuable products, S. cerevisiae is exposed to various physiological stress conditions such as nutrient starvation, temperature, osmotic and toxic chemicals. S. cerevisiae makes many changes in its internal metabolism in order to adapt to these stress conditions and to maintain its intracellular balance. These changes occur as a result of differentiation in the expression of nearly 1000 genes. The fact that many genes are involved in stress response shows that the molecular infrastructure of the stress response and stress resistance is extremely complex. The elucidation of the multiple stress resistance and mechanisms of S. cerevisiae, a model organism, is very important issue to understand the higher eukaryotes and for increasing the yield of industrial products, produced by S. cerevisiae. Boron is an essential micronutrient for plants and is found in trace amounts in animals. The main function of boron in the cell is the formation of boric acid and borate anion, which can form biologically functional complexes by reacting with various sugars, glycoproteins, glycolipids and phosphonoids. However, since boron binds to molecules such as ATP, NADH and RNA, it inhibits important metabolic functions for the cell, and its high intracellular and extracellular concentration has a toxic effect on microorganisms. The precise molecular mechanisms of boron stress response and resistance in S. cerevisiae are not yet understood. Evolutionary engineering, an inverse metabolic engineering approach, is a powerful strategy to achieve industrially important, desirable microbial phenotypes. Evolutionary engineering consists of systematically repeated cycles of random mutation and selection to obtain desired phenotypes, followed by physiological and omic level (genomic, transcriptomic, proteomic, etc.) analyses of desired phenotypes. Obtaining the desired phenotype of an organism, thus developing the desired stress resistance and elucidating the resistance mechanism requires interdisciplinary research and involves a large amounts of genomic data. With metabolic modeling and flux analysis studies, changes in the pathways of organisms can be simulated quickly and comprehensively. This saves a significant amount of time and enables data that are difficult to obtain experimentally to be interpreted under in silico environment. In this study, the stress resistance mechanisms of S. cerevisiae was investigated by omic analyses and constraint-based genome-scale metabolic modeling. Firstly, a S. cerevisiae strains resistant to boron stress, previously obtained by evolutionary engineering, which is an inverse metabolic engineering approach, was tested for its genetic stability and it was verified that the strain was genetically stable. Comparative whole-genome sequencing of the boron-resistant strain revealed a missence mutation in CYR1 gene encoding adenylate cyclase, which may be important for boron stress resistance. The gene expression profiles and enzyme kinetics of S. cerevisiae strains evolved under boron and oxidative stress conditions were then integrated with an existing genome-scale metabolic model for stress-resistance yeasts to simulate the behavior of the evolved strains. Traditional methods such as flux balance and variability, sensitivity, resistance and susceptibility analyses used in many studies were applied to the models to determine the common and differentiated metabolic points between the strains. The results obtained were compared with the results of ethanol, caffeine, coniferyl aldehyde, iron, nickel, phenylethanol and silver- stress-resistant strains obtained by evolutionary engineering, and simulation analyses were reported in previously studies. The reactions, metabolites and genes related to the adaptation mechanics obtained from the simulation results were identified and investigated in detail. To conclude, genome-scale metabolic modelling techniques have been used successfully in this study on strains obtained by using the evolutionary engineering method, and important information has been obtained about general yeast metabolism and stress resistance from a systematic perspective, by containing omic data and genome-scale metabolic models.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    716985

    Genetik olarak değiştirilmiş soyada omik analizler

    Omic analyses on genetically modified soybean

    SİNAN MERİÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Biyoteknolojiİstanbul Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞULE ARI

  2. Tez No

    392851

    Targeted metabolomic analysis of central carbon metabolism on model plant Brachypodium distachyon to elucidate physiological response to drought stress

    Kuraklık stresine fizyolojik cevabın aydınlatılması için model bitki Brachypodium distachyon'da merkez karbon metabolizmasının hedefli metabolomik analizi

    ÖZGE TATLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    BiyolojiBahçeşehir Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BAHAR SOĞUTMAZ ÖZDEMİR

  3. Tez No

    488023

    Understanding alkaliphilic adaptation of Bacillus marmarensis sp. nov. using omic tools

    Bacillus marmarensis sp. nov.'un alkalafilik adaptasyon mekanizmasının omik teknolojiler ile anlamlandırılması

    FATMA ECE ALTINIŞIK KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyomühendislikMarmara Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. BERNA SARIYAR AKBULUT

  4. Tez No

    732950

    Identification of Signatures of Tissue-Specific Gene Expression in Bos Taurus

    Sığırda (Bos Taurus) Dokuya-Özgü Gen Ekspresyonlarinin Belirlenmesi

    NECATİ ESENER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Bilim ve TeknolojiAberystwyth University / Prifysgol Aberystwyth

    Yurtdışı Enstitü

    PROF. DR. CHRIS CREEVEY

  5. Tez No

    850798

    Cell subtype specific roles of glial cells in alzheimer's disease by network-based analysis of single-cell multi-omic data

    Tek hücreli çoklu omik verilerin ağ tabanlı analizi ile alzheimer hastalığında glial hücrelerin hücre alt tipine özgü rolleri

    ATILAY İLGÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyomühendislikGebze Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TUNAHAN ÇAKIR

Geri Dön