نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، پژوهشکده بیوتکنولوژی محقق موسسه تحقیقات و آموزش توسعه نیشکر و صنایع جانبی خوزستان

2 عضو هیات علمی سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران پژوهشکده زیست فناوری

3 عضو هیات علمی سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران

4 عضو هیات علمی دانشگاه اصفهان، دانشکده علوم و فناوری‌های زیستی، گروه زیست‌فناوری

5 عضو هیات علمی دانشگاه قم،رئیس پژوهشکده سبز

6 محقق در آزمایشگاه زیست شناسی مولکولی ، هایدلبرگ

7 گروه بیوتکنولوژی درمانی اوماس

چکیده

در فرایند تولید بیواتانل، عوامل بسیار مهمی وجود دارد که کارایی تولید را تحت تاثیر قرار می‌دهد. تجمع اتانل در طول فرآیند تخمیر و اثر بازدارندگی بر رشد اجتناب‌ناپذیر است. افزایش تحمل به اتانل در سویه ساکارومایسس سرویزیه منجر به افزایش قدرت بقا و در نهایت افزایش تولید اتانل خواهد شد. رویکرد مهندسی تکاملی یک راهبرد مناسب برای بهبود صفت تحمل به اتانل در سویه ساکارومایسس سرویزیه است. سازوکار اثر سمیت الکل‌های کوتاه زنجیره بر مخمر مشابه است. در تحقیق حاضر، سویه آزمایشگاهی ساکارومایسس سرویزیه CEN PK 113-7D باراهبرد مهندسی تکاملی طی یک دوره کشت 144 روزه تحت تنش 1- بوتانل قرار گرفت و نرخ ویژه رشد (µ) سویه تکامل یافته از h-1 048/0بهh-1 084/0 ارتقا یافت. افزایش تحمل به تنش 1- بوتانل منجر به افزایش تحمل به اتانل و همچنین افزایش تولید اتانل در سویه تکامل یافته شد. میزان تولید اتانل از 50/68 گرم بر لیتردر سویه والد به 02/87 گرم بر لیتر در سویه تکامل یافته افزایش یافت. نتایج تعیین توالی کل ژنوم سویه‌‌های تکامل یافته و مقایسه آن با سویه والد تغییرات پلی‌مورفیسم تک نوکلئوتیدی ژن‌های درگیر در این صفت را آشکار نمود. تغییرات در ژن‌هایی مثل PGM2,MTH1, TCB1 YAP1801, UBP2, IAH1 CIA1, و FAB1 ایجاد شده بود که این ژن‌ها در ارتباط با انتقال مواد درون سلول و مسیرهای دخیل در ترکیب و ساختار غشاء سیتوپلاسمایی، ساختار دیواره سلولی، متابولیسم قند و لیپیدها بودند. در تحقیق حاضر، برای اولین بار اهمیت گروه جدیدی از ژن‌های دخیل در افزایش تحمل به اتانل گزارش شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Improving ethanol production and tolerance in Saccharomyces cerevisiae through evolutionary engineering strategy using 1-butanol stress

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Sheikhi 1
  • Khosrow Rostami 2
  • Mehrdad Azin 3
  • Mohammad ali Asadollahi 4
  • Mansour Ebrahimi 5
  • Payam Ghiaci 6
  • Amir Feizi 7

1 Ph.D.student in Department of Biotechnology, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran. Researcher at Sugarcane Training and Research Institute, Khuzestan, Iran

2 Department of Biotechnology, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran

3 Faculty Member, Iranian Research Organization for Science and Technology

4 Department of Biotechnology, Faculty of Biological Science and Technology, University of Isfahan, Isfahan 81746-73441, Iran

5 Alghadir BLVD, University of Qom, IRAN

6 The European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany

7 OMass Therapeutics, Biotechnology, Oxford, England

چکیده [English]

There are crucial factors in the bioethanol production process that affect production efficiency. Accumulation of ethanol during the fermentation process and the inhibitory effect on growth are inevitable. Increasing ethanol tolerance in Saccharomyces cerevisiae enhances survival and ultimately increases ethanol production. The evolutionary engineering approach is a promising strategy to improve the complex trait of ethanol tolerance in the Saccharomyces cerevisiae. The toxicity mechanism of short-chain alcohols on yeast are similar. In this study, the laboratory strain of Saccharomyces cerevisiae CEN PK113-7D was exposed to 1-butanol stress by evolutionary engineering strategy during a 144-days culture period, after which the specific growth rate (µ) of the evolved strain was boosted from 0.48 h-1 to 0.84 h-1. Increased stress tolerance of 1-butanol led to an increase in ethanol tolerance and also ethanol production in the evolved strain. Ethanol production improved from 68.50 g/L in the parent strain to 87.02 g/L in the evolved strain. The results of the whole genome sequencing of evolved strains and comparing it with the parent strain sequence revealed changes in the single nucleotide polymorphism (SNPs) of the genes involved in this trait. There were changes in genes such as PGM2, MTH1, TCB1, YAP1801, UBP2, FAB1, IAH1 and CIA1. These genes were related to intracellular transport and pathways involved in cytoplasmic membrane composition and structure, cell wall structure, glucose metabolism, and lipids metabolism. So, the significance of this set of genes in the enhancement of ethanol tolerance was reported for the first time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "
  • Ethanol tolerance"
  • Saccharomyces cerevisiae"
  • evolutionary engineering"
  • ,"
  • 1- butanol"
  • , "
  • whole genome sequencing"