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新的基因组序列靶向下一代酵母 具有改进的生物技术用途

酵母在物理上很难区分,很容易认为它们都是一样的。然而,代谢,遗传和生物化学,酵母是高度多样化的。到目前为止,工业只利用了生物技术应用的一小部分可用性,包括生物燃料生产。在美国国家科学院院刊中,由美国能源部联合基因组研究所领导的研究小组旨在帮助推广使用更广泛的酵母。

新的基因组序列靶向下一代酵母 具有改进的生物技术用途

在记录历史之前,酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是人类文明的一部分。它对于制作面包,啤酒和葡萄酒至关重要,而且无处不在。然而,它不是超过1,500 种酵母物种的典型特征在世界各地发现。酵母在物理上很难区分,很容易认为它们都是一样的。然而,代谢,遗传和生物化学,酵母是高度多样化的。它们的细胞壁厚度和压力变化的耐受性等特性可能会破坏其他细胞,这意味着酵母很容易按工业流程进行扩大。此外,它们易于生长和修饰,并且与许多人类疾病无关。虽然这些能力可用于广泛的生物技术应用,包括生物燃料生产,但迄今为止,工业只利用了酵母物种中可用多样性的一小部分。

为了帮助推广更广泛的酵母的使用,并探索在其基因组中编码的基因和途径的使用,由美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI),美国能源部科学用户办公室的研究人员领导的团队劳伦斯伯克利国家实验室的设施对29种酵母进行了比较基因组分析,其中16种酵母的基因组是新测序和注释的。在2016年8月15日发表在“ 美国国家科学院院刊”(PNAS)上的研究中,研究小组将各种代谢途径绘制成酵母生长谱。

“获得工业上重要的微生物的完整基因组极大地刺激了该地区的研究,”威斯康星大学麦迪逊分校名誉教授汤姆杰弗里斯说。“当基因组序列伴随着基因的高质量注释时,尤其如此,JGI注释管道是该领域最好的之一。我们可以预期未来几年对酵母生物学的兴趣会增加。”

酵母遗传多样性比预期更广泛

酵母(属于真菌的“王国”)可以使用各种碳和能源,范围从纤维素(6碳)和半纤维素(5-碳)糖到甲醇,甘油和乙酸。产品包括乙醇和其他醇类,酯类,有机酸,类胡萝卜素,脂类和维生素。事实上,维生素复合物和一些营养补充剂来自酵母。

“我们对这些不同的基因组进行了测序,以扩展在这些基因组中编码的基因,酶和途径的目录,用于生产我们在日常生活中使用的生物燃料和生物基产品,”JGI真菌项目负责人兼共同资深作者Igor Grigoriev说。手稿。

对这些鲜为人知的酵母进行测序并表征其代谢途径,DOE JGI的第一作者Robert Riley补充了有助于填补有助于将各种糖转化为生物燃料的真菌酶的知识空白。例如,众所周知的酵母酿酒酵母发酵葡萄糖,但不发酵植物生物聚合物中发现的其他糖。

其中一种新测序的酵母是Pachysolus tannophilus,它可以发酵木糖,也称为木糖,因为它来源于半纤维素,它与纤维素一起是木质生物质的主要成分之一。它与经过充分研究的木糖发酵罐(例如Scheffersomyces stipitis) -由DOE JGI测序的另一种酵母仅有很大关系。

这些距离很大。“我们可能会认为酵母是一种简单的单细胞,彼此相似的生物,但事实上它们的遗传多样性就像人类和无脊椎海鞘之间的差异,”莱利说。“我们对这些不同的基因组进行了测序,以发现和促进下一代生物技术的主力酵母生产我们日常生活中使用的燃料和产品。我们还发现了遗传密码的变化,如果不加以理解,将会阻碍酵母的生物技术用途。 “

遗传密码重新分配

在P. tannophilus中,研究小组发现三个字母密码子之一的变化代表了20种常用氨基酸中的一种。从CUG-Ser到CUG-Ala的这种变化仅是核基因组中第二个观察到的不间断密码子重新分配(从一个氨基酸到另一个氨基酸而不是从一个氨基酸到终止密码子的变化)的情况。“虽然我们不知道为什么以及如何发生这种情况,”格里戈里耶夫说。“具有CUG密码子的基因在具有不同遗传密码的生物体中表达时可能不会产生功能性蛋白质,因为它们会编码不同的氨基酸。”

“CUG-Ala的重新分配对于生物技术非常重要,因为为了将多种生物技术中有用的基因从多种酵母表达到像酿酒酵母这样的工作中,我们需要知道酵母的遗传密码是否相同,”莱利说。“如果不是这样,表达这些新基因将不起作用,因为蛋白质将被错误翻译。”

“随着可以快速操纵生物体DNA的新基因工具的出现,这些新的基因组酵母序列的出版将为生物工程开辟许多新的平台,用于生物纤维素降解,脂质生产,耐酸酵母,这些酵母使用多种底物并产生许多不同的一级和二级代谢产物,“杰弗里斯说。“ 酵母科学界非常感谢JGI的测序和注释团队。”

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