El-Gendy, Mervat Morsy Abbas Ahmed;Al-Zahrani, Hind A.A.;El-Bondkly, Ahmed Mohamed Ahmed
Mycobiology
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제44권3호
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pp.171-179
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2016
In the screening of marine mangrove derived fungi for lovastatin productivity, endophytic Aspergillus luchuensis MERV10 exhibited the highest lovastatin productivity (9.5 mg/gds) in solid state fermentation (SSF) using rice bran. Aspergillus luchuensis MERV10 was used as the parental strain in which to induce genetic variabilities after application of different mixtures as well as doses of mutagens followed by three successive rounds of genome shuffling. Four potent mutants, UN6, UN28, NE11, and NE23, with lovastatin productivity equal to 2.0-, 2.11-, 1.95-, and 2.11-fold higher than the parental strain, respectively, were applied for three rounds of genome shuffling as the initial mutants. Four hereditarily stable recombinants (F3/3, F3/7, F3/9, and F3/13) were obtained with lovastatin productivity equal to 50.8, 57.0, 49.7, and 51.0 mg/gds, respectively. Recombinant strain F3/7 yielded 57.0 mg/gds of lovastatin, which is 6-fold and 2.85-fold higher, respectively, than the initial parental strain and the highest mutants UN28 and NE23. It was therefore selected for the optimization of lovastatin production through improvement of SSF parameters. Lovastatin productivity was increased 32-fold through strain improvement methods, including mutations and three successive rounds of genome shuffling followed by optimizing SSF factors.
Existing methods for optimization of sequences by random mutagenesis generate libraries with a small number of mostly deleterious mutations, resulting in libraries containing a large fraction of non-functional clones that explore only a small part of sequence space. Large numbers of clones need to be screened to find the rare mutants with improvements. Library display formats are useful to screen very large libraries but impose screening limitations that limit the value of this approach for most commercial applications. By contrast, in both classical breeding and in DNA shuffling, natural diversity is permutated by homologous recombination, generating libraries of very high quality, from which improved clones can be identified with a small number of complex screens. Given that this small number of screens can be performed under the conditions of actual use of the product, commercially relevant improvements can be reliably obtained.
Domains are the building blocks of proteins. Exon shuffling is an important mechanism accounting for combination of a limited repertoire of protein domains in the evolution of multicellular species. A relative excess of domains encoded by symmetric exons in metazoan phyla has been presented as evidence of exon shuffling, and symmetric domains can be divided into old and new domains by determining the ages of the domains. In this report, we compare the spread, versatility, and subcellular localization of old and new domains by analyzing eight metazoan genomes and their respective annotated proteomes. We found that new domains have been expanding as multicellular organisms evolved, and this expansion was principally because of increases in class 1-1 domains amongst several classes of domain families. We also found that younger domains have been expanding in membranes and secreted proteins along with multi-cellular organism evolution. In contrast, old domains are located mainly in nuclear and cytoplasmic proteins. We conclude that the increasing mobility and versatility of new domains, in contrast to old domains, plays a significant role in metazoan evolution, facilitating the creation of secreted and transmembrane multidomain proteins unique to metazoa.
바이오 에탄올 생산을 위한 최적 효모균주의 개량을 위해 효모 genome shuffling 법을 이용하여 에탄올내성, 내열성 및 ${\beta}$-1,3-glucanase 활성을 가진 효모균주의 육종을 계획하였다. 본 연구에서는 세포 외 ${\beta}$-1,3-glucanase 활성을 가진 Saccharomyces cerevisiae $BY4742{\Delta}exg1$/pAInu-exgA 균주와 에탄올내성 및 내열성을 가진 S. cerevisiae YKY020 균주를 효모 protoplast fusion을 통하여 융합시켰다. 세포융합에 의해 $40^{\circ}C$에서 내열성을 보이는 네 개의 후보 균주(No. 3, 9, 11, 12)를 선별한 다음, 7% 에탄올 농도에서의 에탄올내성 및 ${\beta}$-1,3-glucanase 활성을 조사하였다. 두 모균주의 모든 표현형을 보이는 하나의 균주(No. 11)가 선별되었고, 이 균주를 BYK-F11이라고 명명하였다. BYK-F11 융합균주는 $BY4742{\Delta}exg1$/pAInu-exgA와 YKY020균주에 비해서 증가된 세포성장속도, 에탄올 내성, ${\beta}$-1,3-glucanase 활성 및 에탄올 생산성을 보임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 다양한 특성을 가지지만 같은 접합형을 가진 효모균주들을 protoplast fusion법을 사용하여 손쉽게 새로운 산업용 효모균주로 육종시킬 수 있다는 것을 증명하였다.
본 연구는 에탄올내성, 내열성, ${\beta}-glucanase$ 활성 및 xylose 대사가 가능한 새로운 생물시스템을 육종하기 위해 원형질체융합(protoplast fusion)이라는 방법을 사용하여 S. cerevisiae BYK-F11 균주와 P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주와의 genome shuffling을 시도하였다. P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주는 URA3 유전자를 결실시켜 uracil 영양요구주로 구축되었다. Protoplast fusion을 통해 몇몇의 융합체가 선별되었고, 두 모균주인 BYK-F11 균주와 P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주의 핵형(karyotype)를 모두 가지는 BYKPS-F8 균주가 22개의 융합체중에서 최종 선정되었다. 이어 ${\beta}-glucanase$ 활성, xylose 이용능, 에탄올내성, 내열성 및 에탄올생산성에 대한 다양한 표현형이 조사되었다. BYKPS-F8 균주는 모균주인 BYK-F11 균주가 가지는 ${\beta}-glucanase$ 활성을 가지게 되었고, P. $stipitis{\Delta}ura$ 균주가 가지는 xylose 이용능도 모균주보다 1.2배 증가되었음을 확인할 수 있었다. BYKPS-F8 균주는 $40^{\circ}C$에서 내열성을 보였으며, 8% 에탄올이 첨가된 배지에서 모균주에 비해 에탄올 내성이 증가되었음을 확인 할 수 있었다. 20 g/l의 xylose가 함유된 배지에서 72시간 배양에 의해 약 7.5 g/l의 에탄올을 생산할 수 있었으며, 260시간의 장기간의 배양에도 BYKPS-F8균주에 도입한 다형질이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 사용된 균주 육종방법을 통해 다형질을 가진 다른 속간의 균주 융합 및 산업적으로 유용한 생물시스템의 육종이 가능함을 확인하였다.
The ethanol production of Trichoderma reesei was improved by genome shuffling in our previous work. Using RNA-Seq, the transcriptomes of T. reesei wild-type CICC40360 and recombinant strain HJ48 were compared under fermentation conditions. Based on this analysis, we defined a set of T. reesei genes involved in ethanol production. Further expression analysis identified a series of glycolysis enzymes, which are upregulated in the recombinant strain HJ48 under fermentation conditions. The differentially expressed genes were further validated by qPCR. The present study will be helpful for future studies on ethanol fermentation as well as the roles of the involved genes. This research reveals several major differences in metabolic pathways between recombinant strain HJ48 and wild-type CICC40360, which relates to the higher ethanol production on the former, and their further research could promote the development of techniques for increasing ethanol production.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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