Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions

Nitrogen fixation is employed by diazotrophic bacteria to alleviate the lack of fixed nitrogen compounds in their environment. Excess fixed nitrogen is released in their surroundings, in a form that can be used by plants. This makes free living diazotrophic bacteria potential candidates for biosynth...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Γκουβέλης, Μιχαλάκης
Άλλοι συγγραφείς: Gkouvelis, Michalakis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25198
id nemertes-10889-25198
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Bioinformatics
Nitrogen fixation
Νext generation sequencing data analysis
Βιοπληροφορική
Αζωτοδέσμευση
Ανάλυση δεδομένων αλληλούχησης νέας γενιάς
spellingShingle Bioinformatics
Nitrogen fixation
Νext generation sequencing data analysis
Βιοπληροφορική
Αζωτοδέσμευση
Ανάλυση δεδομένων αλληλούχησης νέας γενιάς
Γκουβέλης, Μιχαλάκης
Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions
description Nitrogen fixation is employed by diazotrophic bacteria to alleviate the lack of fixed nitrogen compounds in their environment. Excess fixed nitrogen is released in their surroundings, in a form that can be used by plants. This makes free living diazotrophic bacteria potential candidates for biosynthetic strains that would provide nitrogen to crops instead of chemical fertilizers, which cause significant environmental pollution. For this to happen, the metabolic regulation that allows the bacteria to invest high amounts of energy, translational machinery, and space in the proteome for the nitrogenase, which is used for nitrogen fixation, must be fully understood. Klebsiella oxytoca is a model organism for the study of nitrogen fixation, and its nitrogen fixation mechanism has been successfully used by non-diazotrophic biosynthetic strains for the conduction of nitrogen fixation. In this project we used next generation sequencing data by K. oxytoca wild-type and gene knockout samples that were grown in low and high nitrogen conditions, to examine how its genes and pathways are regulated during nitrogen stress. The data consisted of transcriptomic reads and the analysis performed included quality control, preprocessing, alignment, creation of count tables, differential gene expression, and enrichment pathway analysis. The findings of this study show a significant upregulation of nitrogen fixation and nitrogen metabolism related genes during diazotrophic conditions, and at the same time downregulation of carbon metabolism energy consumption related genes. To a lesser extent, there was a down regulation of genes related to translation and growth of the cell. These phenomena were also evident in the enrichment of pathways, where activation of nitrogen compensation processes, and deactivation of energy consumption and growth processes were observed in diazotrophic conditions. In the gene knockout samples that were not able to fix atmospheric nitrogen and were grown in a low nitrogen environment, an increase in stress related process was observed. From these findings we conclude that during nitrogen stress the cells activate their nitrogen fixation machinery, and to accommodate it they decrease their translation and energy consumption, so the nitrogenase will have plenty of energy and space to act as long as it is needed. When there is no nitrogen fixation, and the nitrogen stress accumulates over time, the cells activate stress related processes that help them adapt in extreme conditions as a last line of defense.
author2 Gkouvelis, Michalakis
author_facet Gkouvelis, Michalakis
Γκουβέλης, Μιχαλάκης
author Γκουβέλης, Μιχαλάκης
author_sort Γκουβέλης, Μιχαλάκης
title Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions
title_short Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions
title_full Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions
title_fullStr Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions
title_full_unstemmed Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions
title_sort analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium klebsiella oxytoca under different environmental conditions
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25198
work_keys_str_mv AT nkoubelēsmichalakēs analysisandinterpretationofnextgenerationsequencingdatafromthenitrogenfixingbacteriumklebsiellaoxytocaunderdifferentenvironmentalconditions
AT nkoubelēsmichalakēs analysēkaiermēneiadedomenōnallēlouchisēsneasgeniasnextgenerationsequencingtouazōtodesmeutikoubaktēriouklebsiellaoxytocakatōapodiaphoretikesperiballontikessynthēkes
_version_ 1771297210066010112
spelling nemertes-10889-251982023-06-28T03:55:31Z Analysis and interpretation of next generation sequencing data from the nitrogen fixing bacterium Klebsiella oxytoca under different environmental conditions Ανάλυση και ερμηνεία δεδομένων αλληλούχισης νέας γενιάς (next generation sequencing) του αζωτοδεσμευτικού βακτηρίου Klebsiella oxytoca κάτω από διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες Γκουβέλης, Μιχαλάκης Gkouvelis, Michalakis Bioinformatics Nitrogen fixation Νext generation sequencing data analysis Βιοπληροφορική Αζωτοδέσμευση Ανάλυση δεδομένων αλληλούχησης νέας γενιάς Nitrogen fixation is employed by diazotrophic bacteria to alleviate the lack of fixed nitrogen compounds in their environment. Excess fixed nitrogen is released in their surroundings, in a form that can be used by plants. This makes free living diazotrophic bacteria potential candidates for biosynthetic strains that would provide nitrogen to crops instead of chemical fertilizers, which cause significant environmental pollution. For this to happen, the metabolic regulation that allows the bacteria to invest high amounts of energy, translational machinery, and space in the proteome for the nitrogenase, which is used for nitrogen fixation, must be fully understood. Klebsiella oxytoca is a model organism for the study of nitrogen fixation, and its nitrogen fixation mechanism has been successfully used by non-diazotrophic biosynthetic strains for the conduction of nitrogen fixation. In this project we used next generation sequencing data by K. oxytoca wild-type and gene knockout samples that were grown in low and high nitrogen conditions, to examine how its genes and pathways are regulated during nitrogen stress. The data consisted of transcriptomic reads and the analysis performed included quality control, preprocessing, alignment, creation of count tables, differential gene expression, and enrichment pathway analysis. The findings of this study show a significant upregulation of nitrogen fixation and nitrogen metabolism related genes during diazotrophic conditions, and at the same time downregulation of carbon metabolism energy consumption related genes. To a lesser extent, there was a down regulation of genes related to translation and growth of the cell. These phenomena were also evident in the enrichment of pathways, where activation of nitrogen compensation processes, and deactivation of energy consumption and growth processes were observed in diazotrophic conditions. In the gene knockout samples that were not able to fix atmospheric nitrogen and were grown in a low nitrogen environment, an increase in stress related process was observed. From these findings we conclude that during nitrogen stress the cells activate their nitrogen fixation machinery, and to accommodate it they decrease their translation and energy consumption, so the nitrogenase will have plenty of energy and space to act as long as it is needed. When there is no nitrogen fixation, and the nitrogen stress accumulates over time, the cells activate stress related processes that help them adapt in extreme conditions as a last line of defense. Η αζωτοδέσμευση χρησιμοποιείται από τα διαζωτροφικά βακτήρια για να αντισταθμίσουν την έλλειψη ενώσεων δεσμευμένου άζωτου στο περιβάλλον τους. Η περίσσεια δεσμευμένου αζώτου απελευθερώνεται σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα φυτά. Αυτό καθιστά τα μη συμβιωτικά βακτήρια υποψήφια για βιοσυνθετικά στελέχη που θα παρέχουν δεσμευμένο άζωτο σε καλλιέργειες, και θα λειτουργούν σαν αντικαταστάτες των εξαιρετικά ρυπογόνων χημικών λιπασμάτων. Για να κατασκευαστούν τα βιοσυνθετικά στελέχη πρέπει πρώτα να κατανοηθεί πλήρως πως τα διαζωτροφικά βακτήρια ρυθμίζουν τον μεταβολισμό τους έτσι ώστε να μπορούν να επενδύσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, μεταφραστικού μηχανισμού, και πρωτεόματος για την λειτουργία της νιτρογενάσης, που είναι το ένζυμο που επιτελεί την αζωτοδέσμευση. Το βακτήριο Klebsiella oxytoca χρησιμοποιείται σαν μοντέλο για την μελέτη της αζωτοδέσμευσης, και ο αζωτοδεσμευτικός του μηχανισμός έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε μη διαζωτροφικά βιοσυνθετικά στελέχη. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα αλληλούχισης νέας γενιάς (next generation sequencing) από δείγματα K. oxytoca άγριου τύπου και μεταλλαγμένα, που είχαν αναπτυχθεί σε συνθήκες χαμηλού και υψηλού αζώτου, έτσι ώστε να εξεταστεί η ρύθμιση γονιδίων και μοριακών μονοπατιών κάτω από στρες έλλειψης αζώτου. Τα δεδομένα που αναλύθηκαν αποτελούνταν από αλληλουχίες μεταγραφώματος (reads) και η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε περιλάμβανε έλεγχο ποιότητας, προ επεξεργασία, alignment, δημιουργία count tables, διαφορική ανάλυση έκφρασης γονιδίων, και βιολογική ερμηνεία των δεδομένων (pathway enrichment analysis). Τα ευρήματα αυτής της εργασίας δείχνουν ότι κάτω από διαζωτροφικές συνθήκες υπάρχει ενεργοποίηση γονιδίων που σχετίζονται με την αζωτοδέσμευση και τον μεταβολισμό του αζώτου, και απενεργοποίηση γονιδίων που σχετίζονται με τον μεταβολισμό του άνθρακα και την κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, παρατηρήθηκε σε μικρότερο βαθμό, απενεργοποίηση γονιδίων που σχετίζονται με την μεταγραφή και την ανάπτυξη του κυττάρου. Τα ίδια φαινόμενα παρατηρήθηκαν και στην βιολογική ερμηνεία των δεδομένων (pathway enrichment analysis), όπου σε διαζωτροφικές συνθήκες υπήρξε ενεργοποίηση βιολογικών διεργασιών που σχετίζονται με μηχανισμούς αναπλήρωσης του αζώτου, και απενεργοποίηση διεργασιών που σχετίζονται με την ανάπτυξη του κυττάρου και την κατανάλωση ενέργειας. Στα μεταλλαγμένα δείγματα, τα οποία δεν είχαν την δυνατότητα αζωτοδέσμευσης, και τα οποία αναπτύχθηκαν σε συνθήκες χαμηλού αζώτου, παρατηρήθηκε αύξηση σε κυτταρικές λειτουργίες που σχετίζονται με την αντιμετώπιση του στρες. Τα συμπεράσματα είναι ότι κατά τη διάρκεια του στρες που προκαλείται από την έλλειψη αζώτου τα κύτταρα ενεργοποιούν τον μηχανισμό της αζωτοδεύσμευσης, ενώ ταυτόχρονα προσπαθούν να διευκολύνουν την λειτουργία του, μειώνοντας την μεταφραστική τους δραστηριότητα και την κατανάλωση ενέργειας, έτσι ώστε να μπορεί η νιτρογενάση να χρησιμοποιήσει μεγάλες ποσότητες ενέργειας και μεταφραστικού μηχανισμού για όσο χρειαστεί. Τα μεταλλαγμένα κύτταρα που δεν μπορούσαν να δεσμεύσουν ατμοσφαιρικό άζωτο, και ως εκ τούτου το στρες συσσωρευόταν, ενεργοποίησαν σαν τελευταία γραμμή άμυνας κυτταρικές λειτουργίες απόκρισης στο στρες για να προσαρμοστούν στις ακραίες συνθήκες. 2023-06-27T06:16:14Z 2023-06-27T06:16:14Z 2023-06-26 https://hdl.handle.net/10889/25198 en application/pdf application/pdf