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微生物生长监测系统应用:酿酒酵母II号染色体合成及生长曲线图分析

来源:深圳华大基因 发布时间:2024-06-15 18:03:00 浏览:11 次

酵母是与人类生活关系最密切的一类单细胞真核微生物,在啤酒、面包的制作中不可或缺。自然界分布有超过1500种酵母,其中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是最早被广泛用于食品发酵、疫苗生产等现代工业的酵母菌,是名副其实的“细胞工厂”;同时因为其清晰的遗传背景,成为科学研究最常用的模式生物之一。早在1996年,完成了酿酒酵母全基因组测序,并发现酵母基因组总共约6000个基因中有5000个不是维持生命活动所必需的,可以进行删减和改写。随着合成DNA技术的快速发展,大尺度重编基因组与人工合成成为可能。近几年,科学家通过非生命的化学物质组装成染色体,研究导致细胞死亡、细胞失活、生长缺陷的各项关键要素,探索生命本质。2010年,Gibson等人合成了首个原核生命体(生殖道支原体,Mycoplasma mycoides),而更复杂的真核基因组的序列设计与合成,已成为国际上合成基因组领域亟待突破的技术瓶颈。为此,研究团队人工设计并再造了酿酒酵母II号染色体,并深入解析了合成染色体生物学功能。


实验步骤


BY4741、BY4742和synⅡ三种酵母菌加入培养基中进行培养,Biosense微生物动态监测系统测量各类细菌的OD值以便获取其生长曲线图,培养过程中摇晃15秒后然后隔20分钟测试一个OD(600nm)从而获得几种酵母菌的生长曲线图。


实验结果


本论文主要就酵母的染色体synⅡ进行研究。快速发展的DNA合成技术已经成为一种可以在基因组规模上进行重组的“构建-tounderstand”方法。本论文的研究中实现了对770-千碱基合成酵母染色体II(synII)的完成,并发现SynII的特点是具有广泛的跨组学,尽管SynII结构发生了相当大的变化,但synII与野生型几乎没有区别,并且通过恢复转移RNA(tRNA)基因拷贝数,可以观察到对转译机制的上调。

图1、synII和BY4741的细胞周期对比显示的百分比。带有分离的CEN2-GFP点、中期纺锤波和后期纺锤波的细胞。(B)复制配置synII(红色)和BY4741(black)通过深度基因测序显示的相对拷贝数。(C)RNA序列分析表明,synII中转译机械的显著上调是由synII中tRNA基因的缺失引起的。

图2、synII染色体的表型分析。图A表示的是synII在不同介质上的表型测试。图B表示的是synIIA-R,synIIR-Y的生长曲线图以及synII菌株与BY4741和BY4742菌株生长曲线对比图。图C表示的是synII与BY4741菌株的细胞周期比较图。图像显示了细胞在不同阶段的细胞形态。图D显示synII细胞与分离的CEN2-GFP点(中期)的百分比。在细胞周期中纺锤波和后期纺锤波。每一个时间点至少计算了200个细胞,表示的是synII和BY4741菌株中期到后期细胞的总比。图D表示的是SynII(红色)和BY4741(black)复制时间表示,所得的数据通过深度测序的相对拷贝数计算。

图3、synll染色体贯穿组学剖面分析(BY4741作为对比参照物)设计对细胞生理学的影响很小,只表现为适度的上调。其中trna采用的是去除触发的转译机制(A到D)。如图显示,图A表示的是synII细胞的转录组水平、(B)synII细胞的蛋白组水平、(C和D)synII细胞的代谢组与BY4741细胞对比。在转录组、蛋白质组和代谢组中,差异表达的总数量(P<0.001)也呈现出来,图中对应上调和下调的特征分别用红色和绿色标注。图(E)表示的是通过转录组和蛋白质组在酵母菌中表达的富集途径和表达剖面图,上调的特征用红色标注,下调的特征用绿色标注。图(F)表示的对synII的RNAseq分析和无tRNA序列的基因序列分析。通过添加synII染色体的tRNA阵列。对于(E)和(F)其显著性水平由热图颜色强度和符号大小表示。上调和下调的功能以红色和绿色标注。


总结:虽然过去几十年人们对于酵母的研究很多,但是我们对这种模式生物的理解仍然有限。本论文主要就酵母的synⅡ染色体进行了深度功能分析,首先就a-770的成酵母菌染色体的合成进行研究,同时完成了对该染色体的基因测序等相关工作。论文研究过程中我们有针对性调试的酵母的起源发展缺陷,通过使用Biosense微生物动态监测系统研究了含有synⅡ染色体的酵母和其他种类的酵母在甘油培养基37°C生长情况,通过对相关生长曲线分析,不同种类的酵母菌株尽管存在着细微的差别,这也说明了含有synII染色体的酵母菌株显示出高度一致的生物学过程,可与原生菌株相媲美,这也表明Biosense微生物动态监测系统是在基因编辑领域也存在着很大的应用前景。


综上,合成酿酒酵母II号染色体,是国际合成酿酒酵母基因组计划(Sc 2.0)中重要组成部分。开启“设计生命、再造生命和重塑生命”的进程,使我国成为继美国之后第二个掌握真核生物基因组设计构建能力的国家。合成型酿酒酵母菌株可实现在多种压力环境中超速进化,为合成酵母菌株的工业化应用方向注入新的动力,并有望在人类健康、生态、能源、工农业等领域产生重大影响(Yeast 2.0,Nature Communications专辑)。


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