In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας
Η έρευνα για τη βιοαφομοίωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προς την παραγωγή βιομηχανικά χρήσιμων προϊόντων, τα τελευταία χρόνια είχε στο επίκεντρό της τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Το πράσινο φως για πιλοτικά συστήματα βιομηχανικής κλίμακας δεν έχει δοθεί ακόμη, λόγω των αποδόσεων κα...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/13954 |
| id |
nemertes-10889-13954 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Μεταβολική μηχανική Μη-φωτοσυνθετική αφομοίωση CO2 Ανακατασκευή δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων Βάση δεδομένων μικροβιακών γονιδιωμάτων Metabolic engineering Moorella thermoacetica Non-photosynthetic CO2 assimilation PPI network reconstruction Microbial genome database |
| spellingShingle |
Μεταβολική μηχανική Μη-φωτοσυνθετική αφομοίωση CO2 Ανακατασκευή δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων Βάση δεδομένων μικροβιακών γονιδιωμάτων Metabolic engineering Moorella thermoacetica Non-photosynthetic CO2 assimilation PPI network reconstruction Microbial genome database Σαββοπούλου, Βασιλική In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| description |
Η έρευνα για τη βιοαφομοίωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προς την παραγωγή βιομηχανικά χρήσιμων προϊόντων, τα τελευταία χρόνια είχε στο επίκεντρό της τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Το πράσινο φως για πιλοτικά συστήματα βιομηχανικής κλίμακας δεν έχει δοθεί ακόμη, λόγω των αποδόσεων και του κόστους συντήρησης της όλης διεργασίας. Έτσι, το ενδιαφέρον έχει μετατοπιστεί στους ακραιόφιλους μικροοργανισμούς, όπως είναι η Moorella thermoacetica και το Clostridium ljungdahlii, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα αφομοίωσης του CO2. Η επιλογή των δύο μικροοργανισμών έγκειται στην υψηλή μεταβολική ευελιξία που εμφανίζουν, σε σχέση με τους άλλους ακραιόφιλους μικροοργανισμούς με το μονοπάτι της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2, αλλά κυρίως λόγω των ανακατασκευασμένων μεταβολικών μοντέλων και την πληθώρα δεδομένων μοριακής ανάλυσης.
Η παρούσα εργασία αποτελεί εισαγωγικό κομμάτι του προγράμματος, πάνω στη μελέτη της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης εκπομπών CO2 από λιγνιτικές μονάδες της Ελληνικής Δημόσιας Επιχείρησης Ηλεκτρισμού, ΔΕΗ, προς την παραγωγή υψηλής αξίας χημικών (BIOMEK – T1ΕΔΚ00279). Ο μικροοργανισμός που επιλέχθηκε είναι η M. thermoacetica, ένα υποχρεωτικά αναερόβιο, πλήρως αλληλουχημένο, θερμόφιλο, θετικό κατά Gram ακετογόνο, με μικρό γονιδίωμα, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές συνθετικής βιολογίας. Η ανακατασκευή γονιδιωματικής κλίμακας του μεταβολικού δικτύου της, δημοσιεύθηκε το 2015, ωστόσο μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν εργασίες πάνω στην ανακατασκευή του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων (protein-protein interaction network, PPI), ένα σημαντικό εργαλείο γνώσης στην καλύτερη κατανόηση της φυσιολογίας του μικροοργανισμού και τη βελτίωση της αναλυτικής του ικανότητας, σε συνδυαστικές ομικές αναλύσεις (multi-omic) κάτω από διάφορες συνθήκες διαθεσιμότητας CO2. Στην παρούσα εργασία, ο βασικός τρόπος ανακατασκευής επιλέχθηκε να είναι η συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση, με μικροοργανισμούς των οποίων το δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων έχει ήδη μελετηθεί και ανακατασκευαστεί. Σε αυτό το εγχείρημα καταλυτικό ρόλο έχουν οι βάσεις δεδομένων που περιέχουν εκτεταμένη πληροφορία πάνω στο μικροβιακό γονιδίωμα, και τα εργαλεία που προσφέρουν για περαιτέρω ανάλυση. Έτσι, η εξόρυξη δεδομένων πραγματοποιήθηκε κυρίως από τη βάση δεδομένων μικροβιακών γονιδιωμάτων «Integrated Microbial Genomes» (IMG), έτσι ώστε να προσδιοριστούν οι εξελικτικά γειτονικοί στη M. thermoacetica μικροοργανισμοί με πειραματικά αποδεδειγμένο δίκτυο PPI, και μέσω της εύρεσης των ορθόλογων πρωτεϊνών να προσδιοριστούν οι πιθανώς ενεργές πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις στον μικροοργανισμό ενδιαφέροντος. Για να διευρύνουμε το δίκτυο PPI, στη συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση προσθέτουμε και το καλύτερα μελετημένο στη βιβλιογραφία βακτήριο, το Escherichia coli, του οποίου το PPI δίκτυο έχει μελετηθεί και ανακατασκευαστεί. Έτσι, τα δεδομένα της παρούσης εργασίας προέρχονται από τη σύγκριση σε επίπεδο γονιδιώματος μεταξύ της M. thermoacetica, και του Bacillus subtilis και του E. coli. Μέσα από την παρούσα εργασία καταφέραμε να προσδιορίσουμε 12,910 πιθανά ενεργές πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ 2,114 πρωτεϊνών στη M. thermoacetica. Οι μελλοντικοί στόχοι αυτής της μελέτης περιλαμβάνουν τη διεύρυνση του ανακατασκευασμένου δικτύου, μέσω σύγκρισης και με άλλους μικροοργανισμούς αλλά και την ενσωμάτωση του PPΙ δικτύου με το μεταβολικό, έτσι ώστε να ενισχύσουμε την κατανόησή μας για τη μοριακή φυσιολογία του μικροοργανισμού, η οποία αποτελεί παράγοντα κλειδί για την αξιοποίησή του στη βιομηχανική βιοτεχνολογία. |
| author2 |
Κλάπα, Μαρία |
| author_facet |
Κλάπα, Μαρία Σαββοπούλου, Βασιλική |
| format |
Thesis |
| author |
Σαββοπούλου, Βασιλική |
| author_sort |
Σαββοπούλου, Βασιλική |
| title |
In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| title_short |
In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| title_full |
In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| title_fullStr |
In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| title_full_unstemmed |
In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| title_sort |
in silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης co2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας |
| publishDate |
2020 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/13954 |
| work_keys_str_mv |
AT sabbopouloubasilikē insilicomeletētouprōteïnikoudiktyoutēsmēphōtosynthetikēsaphomoiōsēsco2semikroorganismousgiatēnparagōgēchēmikōnypsēlēsbiomēchanikēssēmasias AT sabbopouloubasilikē insilicoreconstructionoftheproteinproteininteractionnetworkofmthermoaceticausedforthenonphotosyntheticco2bioconversionintousefulchemocals |
| _version_ |
1771297333374353408 |
| spelling |
nemertes-10889-139542022-09-05T20:48:11Z In silico μελέτη του πρωτεϊνικού δικτύου της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2 σε μικροοργανισμούς, για την παραγωγή χημικών υψηλής βιομηχανικής σημασίας In silico reconstruction of the protein-protein interaction network of M. thermoacetica, used for the non-photosynthetic CO2 bioconversion into useful chemocals Σαββοπούλου, Βασιλική Κλάπα, Μαρία Βλάμης, Αλέξιος Κλάπα, Μαρία Βλάμης, Αλέξιος Μοσχονάς, Νικόλαος Savvopoulou, Vasiliki Μεταβολική μηχανική Μη-φωτοσυνθετική αφομοίωση CO2 Ανακατασκευή δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων Βάση δεδομένων μικροβιακών γονιδιωμάτων Metabolic engineering Moorella thermoacetica Non-photosynthetic CO2 assimilation PPI network reconstruction Microbial genome database Η έρευνα για τη βιοαφομοίωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προς την παραγωγή βιομηχανικά χρήσιμων προϊόντων, τα τελευταία χρόνια είχε στο επίκεντρό της τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Το πράσινο φως για πιλοτικά συστήματα βιομηχανικής κλίμακας δεν έχει δοθεί ακόμη, λόγω των αποδόσεων και του κόστους συντήρησης της όλης διεργασίας. Έτσι, το ενδιαφέρον έχει μετατοπιστεί στους ακραιόφιλους μικροοργανισμούς, όπως είναι η Moorella thermoacetica και το Clostridium ljungdahlii, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα αφομοίωσης του CO2. Η επιλογή των δύο μικροοργανισμών έγκειται στην υψηλή μεταβολική ευελιξία που εμφανίζουν, σε σχέση με τους άλλους ακραιόφιλους μικροοργανισμούς με το μονοπάτι της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO2, αλλά κυρίως λόγω των ανακατασκευασμένων μεταβολικών μοντέλων και την πληθώρα δεδομένων μοριακής ανάλυσης. Η παρούσα εργασία αποτελεί εισαγωγικό κομμάτι του προγράμματος, πάνω στη μελέτη της μη-φωτοσυνθετικής αφομοίωσης εκπομπών CO2 από λιγνιτικές μονάδες της Ελληνικής Δημόσιας Επιχείρησης Ηλεκτρισμού, ΔΕΗ, προς την παραγωγή υψηλής αξίας χημικών (BIOMEK – T1ΕΔΚ00279). Ο μικροοργανισμός που επιλέχθηκε είναι η M. thermoacetica, ένα υποχρεωτικά αναερόβιο, πλήρως αλληλουχημένο, θερμόφιλο, θετικό κατά Gram ακετογόνο, με μικρό γονιδίωμα, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές συνθετικής βιολογίας. Η ανακατασκευή γονιδιωματικής κλίμακας του μεταβολικού δικτύου της, δημοσιεύθηκε το 2015, ωστόσο μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν εργασίες πάνω στην ανακατασκευή του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων (protein-protein interaction network, PPI), ένα σημαντικό εργαλείο γνώσης στην καλύτερη κατανόηση της φυσιολογίας του μικροοργανισμού και τη βελτίωση της αναλυτικής του ικανότητας, σε συνδυαστικές ομικές αναλύσεις (multi-omic) κάτω από διάφορες συνθήκες διαθεσιμότητας CO2. Στην παρούσα εργασία, ο βασικός τρόπος ανακατασκευής επιλέχθηκε να είναι η συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση, με μικροοργανισμούς των οποίων το δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων έχει ήδη μελετηθεί και ανακατασκευαστεί. Σε αυτό το εγχείρημα καταλυτικό ρόλο έχουν οι βάσεις δεδομένων που περιέχουν εκτεταμένη πληροφορία πάνω στο μικροβιακό γονιδίωμα, και τα εργαλεία που προσφέρουν για περαιτέρω ανάλυση. Έτσι, η εξόρυξη δεδομένων πραγματοποιήθηκε κυρίως από τη βάση δεδομένων μικροβιακών γονιδιωμάτων «Integrated Microbial Genomes» (IMG), έτσι ώστε να προσδιοριστούν οι εξελικτικά γειτονικοί στη M. thermoacetica μικροοργανισμοί με πειραματικά αποδεδειγμένο δίκτυο PPI, και μέσω της εύρεσης των ορθόλογων πρωτεϊνών να προσδιοριστούν οι πιθανώς ενεργές πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις στον μικροοργανισμό ενδιαφέροντος. Για να διευρύνουμε το δίκτυο PPI, στη συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση προσθέτουμε και το καλύτερα μελετημένο στη βιβλιογραφία βακτήριο, το Escherichia coli, του οποίου το PPI δίκτυο έχει μελετηθεί και ανακατασκευαστεί. Έτσι, τα δεδομένα της παρούσης εργασίας προέρχονται από τη σύγκριση σε επίπεδο γονιδιώματος μεταξύ της M. thermoacetica, και του Bacillus subtilis και του E. coli. Μέσα από την παρούσα εργασία καταφέραμε να προσδιορίσουμε 12,910 πιθανά ενεργές πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ 2,114 πρωτεϊνών στη M. thermoacetica. Οι μελλοντικοί στόχοι αυτής της μελέτης περιλαμβάνουν τη διεύρυνση του ανακατασκευασμένου δικτύου, μέσω σύγκρισης και με άλλους μικροοργανισμούς αλλά και την ενσωμάτωση του PPΙ δικτύου με το μεταβολικό, έτσι ώστε να ενισχύσουμε την κατανόησή μας για τη μοριακή φυσιολογία του μικροοργανισμού, η οποία αποτελεί παράγοντα κλειδί για την αξιοποίησή του στη βιομηχανική βιοτεχνολογία. For many years, metabolic engineering research has focused on the study and evolution of photosynthetic microorganisms and algae for the bioconversion of CO2 emissions into products of industrial interest. As the yield of these processes and the cost of their maintenance did not prove positive for their use in pilot studies at industrial-scale, there has been in the recent years an increased interest in the use of extremophiles, such as, Moorella thermoacetica and Clostridium ljungdahlii, as the CO2 assimilation organisms, for the non-photosynthetic CO2 assimilation into high-value chemicals and biologics. The selection of these two microorganisms was based on their higher metabolic flexibility compared to other extremophiles possessing the non-photosynthetic CO2 assimilation pathway, and mainly on the availability of reconstructed metabolic models and extensive molecular physiology datasets. In the context of a project investigating the usefulness of the non-photosynthetic bioconversion of CO2 emissions in lignite units of the Greek electricity producing company PPC SA-ΔΕΗ into high-value chemicals (BIOMEK – T1ΕΔΚ00279), we focused our studies on M. thermoacetica as it is an obligate anaerobic, fully sequenced, thermophilic and Gram-positive acetogen with a small sized genome, thus flexible for laboratory studies and synthetic biology applications. Its genome-scale metabolic network was reconstructed in 2015 however there has been no study focusing on the reconstruction of its protein-protein interaction (PPI) network, which could enhance our understanding about the physiology of this microorganism and improve the analytical capability of multi-omic studies investigating its physiological boundaries under particular CO2 availability conditions. In light of the availability of extensive and systematic microbial genome databases enabling large comparative genomic analyses, in the present study we aimed at reconstructing the PPI network of this microorganism from available experimental PPI data of evolutionary adjacent microorganisms. To achieve this goal, we mined mainly the microbial genome database “Integrated Microbial Genomes” database to identify the neighboring organisms with experimentally reconstructed PPI networks and then the homologous protein interactions in these microorganisms that could be potentially active in M. thermoacetica too. To extend the recovered PPI network, we repeated the process comparing M. thermoacetica with the most studied and modeled bacterium Escherichia coli. We identified 12,910 PPIs as potentially active in M. thermoacetica. Ongoing work focuses on further enriching the existing data with genome comparisons with other microorganisms with experimental PPI networks and integrating the reconstructed PPI with the metabolic network of M. thermoacetica to further our understanding on its molecular physiology underlining its potential in industrial biotechnology. 2020-10-08T08:08:28Z 2020-10-08T08:08:28Z 2019-07-18 Thesis http://hdl.handle.net/10889/13954 gr 12 application/pdf |
