Over the years, cyanobacteria have been regarded as ideal model systems for studying fundamental biochemical processes like oxygenic photosynthesis and carbon and nitrogen assimilation. Additionally, they have been used as human foods, sources for vitamins, proteins, fine chemicals, and bioactive compounds. Aiming to increase plant productivity as well as nutritional values, cyanobacterial genes involved in carbon metabolism, fatty acid biosynthesis, and pigment biosynthesis have been intensively exploited as alternatives to homologous gene sources. In this short review, transgenic plants with cyanobacterial genes generated over the last two decades are examined, and the future prospects for transgenic crops using cyanobacterial genes obtained from functional genomics studies of numerous cyanobacterial genomes information are discussed.
Blasi, Barbara;Peca, Loredana;Vass, Imre;Kos, Peter B.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제22권2호
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pp.166-169
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2012
In several biotechnological applications of living bacterial cells with inducible gene expression systems, the extent of overexpression and the specificity to the inducer are key elements. In the present study, we established the concentration ranges of $Zn^{2+}$, $Ni^{2+}$, $Co^{2+}$, ${AsO_2}^-$, and $Cd^{2+}$ ions that caused significant activation of the respective promoters of Synechocystis sp. without concomitant unspecific stress responses. The low expression levels can be increased up to 10-100-fold upon treatments with $Cd^{2+}$, ${AsO_2}^-$, $Zn^{2+}$, and $Co^{2+}$ ions and up to 800-fold upon $Ni^{2+}$ treatment. These results facilitate the development of conditional gene expression systems in cyanobacteria.
The opd gene, encoding organophosphorus hydrolase (OPH) from Flavobacterium sp. capable of degrading a wide range of organophosphate pesticides, was surface- and intracellular-expressed in Synechococcus PCC7942, a prime example of photoautotrophic cyanobacteria. OPH was displayed on the cyanobacterial cell surface using the truncated ice nucleation protein as an anchoring motif. A minor fraction of OPH was displayed onto the outermost surface of cyanobacterial cells, as verified by immunostaining visualized under confocal laser scanning microscopy and OPH activity analysis; however, a substantial fraction of OPH was buried in the cell wall, as demonstrated by proteinase K and lysozyme treatments. The cyanobacterial outer membrane acts as a substrate (paraoxon) diffusion barrier affecting whole-cell biodegradation efficiency. After freeze-thaw treatment, permeabilized whole cells with intracellular-expressed OPH exhibited 14-fold higher bioconversion efficiency ($V_{max}/K_m$) than that of cells with surface-expressed OPH. As cyanobacteria have simple growth requirements and are inexpensive to maintain, expression of OPH in cyanobacteria may lead to the development of a low-cost and low-maintenance biocatalyst that is useful for detoxification of organophosphate pesticides.
Expression of the genes for carotenoid bio-synthesis (crt) is dependent on light, but little is known about the underlying mechanism of light sensing and signalling in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (hereafter, Synechocystis). In the present study, we investigated the light-induced increase in the transcript levels of Synechocystis crt genes, including phytoene synthase (crtB), phytoene desaturase (crtP), ${\zeta}$-carotene desaturase (crtQ), and ${\beta}$-carotene hydroxylase (crtR), during a darkto-light transition period. During the dark-to-light shift, the increase in the crt transcript levels was not affected by mutations in cyanobacterial photoreceptors, such as phytochromes (cph1, cph2 and cph3) and a cryptochrome-type photoreceptor (ccry), or respiratory electron transport components NDH and Cyd/CtaI. However, treatment with photosynthetic electron transport inhibitors significantly diminished the accumulation of crt gene transcripts. Therefore, the light induction of the Synechocystis crt gene expression is most likely mediated by photosynthetic electron transport rather than by cyanobacterial photoreceptors during the dark-to-light transition.
Photosynthetic conversion through cyanobacteria and microalgae is an increasingly serious concern in the global warming crisis. Many value-added substances are produced through strain improvement, and much research and development is being conducted to determine its potential as an actual industrial strain. Economic barriers throughout processing production can be overcome to produce value-added chemicals by microalgal strains. In this study, we engineered cyanobacteria strains for the photosynthetic production of squalene and confirmed the continuous cultivation of CO2 and light conditions. The free-inducer system of gene expression was developed at the cyanobacterial strains. Then, the squalene production level and growth of the recombinant cyanobacteria were analyzed and discussed. For bio solar-cell factories, the ability to regulate genes based on the free-inducer gene expression system promotes metabolic engineering research and construction to produce value-added chemicals.
Sang-Kyu Lee;Soo-Jung Lee;Na-Yeon Ryoo;Jang-Wook Lee;Seok-Yoon Yoon;Woon-Chul Shin;Se-Ho Ko;Deok Chun Yang;Youn-Hyung Lee
한국자원식물학회:학술대회논문집
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한국자원식물학회 2003년도 춘계 학술발표대회
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pp.126-126
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2003
Sucrose-phosphate synthase (SPS) is a key regulatory enzyme in sucrose synthesis. To investigate the role of SPS in carbon partitioning, we produced transgenic rice plants overexpressing a cyanobacterial SPS from Synechocystis sp. PCC 6803. The gene was expressed under the control of the maize Ubil promoter in transgenic plants. Southern and Northern blot analyses confirmed the integration and the expression of the transgene in four transgenic rice lines. All of the four transgenic! lines analyzed showed abnormal vegetative and reproductive developments. Analysis of SPS activities and primary metabolites in the transgenic rice plants will be presented.
시아노박테리아 같은 수중 미생물에 대한 2차대사물질에 대한 연구는 육상식물이나 미생물에 관련된 연구방법을 응용하고 있으며 아직까지 체계화 되어있지 않아 시아노박테리아를 보다 효율적으로 조사하기 위한 새로운 연구기술의 모색이 절실히 필요하다. 이 연구에서는 의학적인 관점에서 시아노박테리아를 조사하기 위한 유용한 접근 방법을 모색하였고 체계화시켰다. 균주마다 특성화된 최적 배양을 하였고 PCR 증폭을 이용한 분자생물학적인 방법과 HPLC를 통한 정성분석으로 의학적으로 의미있는 NPs를 생산하는 유망 균주를 선별하였다. 선별된 균주에서 나온 추출액은 SPE와 preparative HPLC를 거쳐 분리 정제되어지고, 정제된 물질들은 질량분석기에 의해 분자량과 구조가 결정되어 졌으며, 생활성 테스트에 의해서 그 생물학적인 활성을 정함으로써 의학적인 가능성이나 활용성에 대해서 고찰하였다. 이번 시험에서 98개의 실험균주 중 46개의 균주가 NRPS 또는 PKS 관련 gene을 함유하고 있었으나 HPLC를 이용한 정성분석에서 단지 5개의 균주가 상당히 의미있는 관련 단백질을 생산하고 있음이 알려졌다. 즉, 41 균주에서 관련 gene은 존재하였지만 그 발현이 미약하였고 또는 프로모터의 활성이 이루어지지 않았다. 이와같은 휴먼 gene의 활성화는 자외선 조사 또는 건조를 이용한 자극과 배양액의 성분 조절로 이루어질 수 있고 이를 통해 흥미있는 결과를 이끌어낼 수 있다(13, 14). 이번 연구에서는 HPLC를 통한 정성분석은 Biomass에 대해서 이루어졌다. 그러므로 배양액으로 유출되는 extracellular substances에 대한 분석은 행해지지 않았다. 시아노박테리아가 NRPS/PKS 관련 유전자를 함유하고 있을 때, 특히 biomass에서 NPs 이 검출되지 않을 경우 배양액 안에서의 존재 가능성 대해서 조사할 필요성이 요구되어진다. 시아노박테리아는 대표적인 photoautotroph 미생물로써 $CO_2$를 탄소성분과 에너지원으로 사용한다. 그러므로 E. coli 같은 미생물보다 배양시 경제적이고 또한 다른 종류의 미생물이 탄소영양분의 부족과 cyanobacterial NPs의 생물학적 환성에 의해서 공생하기 어려워 옥외배양을 통한 대량생산이 가능하다. 그러나, 생산되는 cyanobacterial NPs의 높은 구조적 안정성까지 포함하여 시아노박테리아는 미래의학산업의 중요한 천연소스임에 틀림이 없지만 개체 분화의 시간이 4$\sim$10시간 정도로 다른 미생물에 비해 길고 배양시 광원의 필요성 등 한계 요소를 지니고 있다(15). 그러므로 최근에는 개체 분화가 빠른 시아노박테리아나 또는 다른 미생물에 대해서 cyanobacterial NRPS/PKS gene의 heterologous expression 이 연구되어지고 있다(16).
Fusaricidin analogs, produced by Paenibacillus polymyxa, were tested for selective control of a major bloom-forming cyanobacterium, Microcystis sp. Fusaricidin (A and B mixtures) and four analogs were isolated from P. polymyxa E681 and investigated for their inhibition of cyanobacterial cell growth. Among the four fusaricidin analogs, fraction 915 Da (designated as Fus901) showed growth inhibition activity for Microcystis aeruginosa but not for Anabaena variabilis and Scenedesmus acutus. Microcystin concentration decreased up to 70% and its content per cell also decreased over 50% after 3 days. Fusaricidin exhibited growth inhibition against Gram-positive bacteria but Fus901 did not. Molecular weights of fusaricidin A and B were 883 Da and 897 Da, whereas that of Fus901 was 915 Da. Structure analysis by a ring-opening method revealed a linear form for Fus901. Expression of the pod gene related to oxidative stress was increased 2.1-fold by Fus901 and that of mcyD decreased up to 40%. These results indicate that Fus901 exerts oxidative stress against M. aeruginosa. Thus, Fus901 can be used as a selective cyanobactericide without disturbing the ecological system and could help in decreasing the microcystin concentration.
Succinic acid, a representative biomass-derived platform chemical, is a major fermentation product of Actinobacillus succinogenes. It is well known that carbon dioxide is consumed during the succinate fermentation, but the biochemical mechanism behind this phenomenon is not yet understood well. In this study, it was found that the addition of carbonic anhydrase (CA)s into media significantly enhances the succinic acid production by A. succinogenes during the fermentation supplied with carbon dioxide. It is likely that the (bi) carbonate produced by the CA activity from gaseous carbon dioxide is favoured by A. succinogenes for consumption and utilization. Therefore, the $MgCO_3$ requirement could be significantly reduced without compromising the succinate productivity. Furthermore, because of too high price of the commercial carbonic anhydrase, it was undertaken to economically overproduce a cyanobacterial carbonic anhydrase by the use of a recombinant Pichia pastoris. An expression vector system was constructed with the carbonic anhydrase gene PCR-cloned from Cyanobacterium Synechocystis sp., and introduced into P. pastoris for fermentation studies. About 95.9 g/L of succinic acid was produced in the production medium with 30 ppm of carbonic anhydrase, approximately 2 fold higher productivity compared to the parallel process with no supplementation of the enzyme. It is expected that this method can provide a valuable way of overcoming inefficiencies inherent in gas supply during $CO_2$-based bioprocesses like succinic acid fermentation.
자연생태계에서 환경유전자 (eDNA)는 세포의 내부(intracellular)와 외부(extracellular) 형태로 존재할 수 있다. 유해남조류를 대상으로 할 때, 세포 외부 eDNA는 남조류의 흔적, 세포 내부 eDNA는 남조류의 발생 잠재성을 의미한다. 하지만 기존의 퇴적물 eDNA 분석법인 silica bead를 이용한 파쇄법으로는 존재 형태를 구분할 수 없기 때문에 실질적인 유해남조류 발생 잠재성을 파악하기 어렵다. 본 연구는 기존의 파쇄법의 한계를 극복하고자 퇴적물 내 세포 내 eDNA를 선택적으로 분석할 수 있는 퇴적물 전처리 방법인 밀도구배 원심분리법(Ludox method)의 적용성을 분석하였다. 그 결과, 기존의 파쇄법은 퇴적물을 그대로 사용하여 eDNA를 추출하기 때문에 eDNA에서 증폭한 mic 유전자가 세포 내 존재하는지 혹은 세포 외 DNA로만 존재하는지 알 수 없었다. 하지만 Ludox method는 여과 및 밀도 구배를 통해 퇴적물의 세포 내 eDNA를 농축하므로 남조류 세포 내부에 존재하는 mic 유전자만을 증폭할 수 있었다. 결론적으로 Ludox method는 충분한 세포내부 유전자 농도를 확보하고 세포 내부와 외부의 eDNA를 명확히 구분함으로써 보다 정확하고 세밀한 잠재성 분석이 가능하였다. 이는 퇴적물 유해남조류의 유전자 활성을 확인할 수 있는 eRNA 분석과 차세대염기서열분석(next generation sequencing; NGS)을 이용한 meta-barcoding에 Ludox method를 활용함으로써 보다 현실적인 잠재성을 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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