油汚染の浄化のための持続可能な自動調整システムは、標準的な細菌DNAの交換部品(BioBricks)を使用して設計されました。エンジニアリング E大腸菌の株が有毒、水性環境中のβ-酸化を介しアルカンを分解するために使用されていました。異なる種からそれぞれの酵素は、アルカン分解活性を示した。また、に耐性の増加 N-ヘキサンをアルカントレラント細菌由来の遺伝子を導入することによって達成された。
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油汚染の浄化のための持続可能な自動調整システムは、標準的な細菌DNAの交換部品(BioBricks)を使用して設計されました。エンジニアリング E大腸菌の株が有毒、水性環境中のβ-酸化を介しアルカンを分解するために使用されていました。異なる種からそれぞれの酵素は、アルカン分解活性を示した。また、に耐性の増加 N-ヘキサンをアルカントレラント細菌由来の遺伝子を導入することによって達成された。
この作品は、前方の大腸菌によるアルカンの変換を可能にし、その適用性の原理の証明を提示するツールキットを置きます。このツールキットには、複数の標準交換部品(BioBricks)9アルカンの変換、有毒な炭化水素に富む環境における遺伝子発現と生存の調節をアドレッシングで構成されています。
アルカン分解の3段階経路を大腸菌で実装されました大腸菌それぞれアルカノール、カナール、最終的にアルカン-アミノ酸に、中長期鎖アルカンの変換を有効にする。後者はネイティブのβ-酸化経路を介して代謝された。中鎖アルカン(C5〜C13)とシクロアルカン(C5〜C8)、Gordonia spからアルカンヒドロキシラーゼシステムの4つの遺伝子(alkB2、rubA3、rubA4とrubB)の酸化を促進する。 TF6 8,21を 大腸菌に形質転換した大腸菌 。の変換のための長鎖アルカン(C15-C36)は、Geobacillus thermodenitrificansからLADA遺伝子が実装されました。分解プロセスの必要なさらなる手順については、ADHとALDHは(G. thermodenitrificans由来する)10,11を導入しました。活動は休止細胞アッセイにより測定した。各酸化ステップでは、酵素活性が観察された。
プロセス効率を最適化するために、式は唯一、低グルコース条件下で誘導されました:基板-調節プロモーター、pCaiF、使用されていました。 pCaiFは大腸菌に存在している大腸菌 K12と非グルコース炭素源の分解に関与する遺伝子の発現を調節する。
ツールキットの最後の部分-生存を標的に- PhPFDαとβ溶媒耐性遺伝子、 パイロコッカスホリコシ OT3からの両方を使用して実装されていました。有機溶媒としては、否定的にaffectinによって細胞ストレスを誘導し、生存性を低下させる可能性がGタンパク質の折り畳み。シャペロンとして、PhPFDαβはアルカンの存在下でタンパク質の折りたたみのプロセスなどを改善します 。培地で10%n-ヘキサンのプレゼンスの増加成長率(最大50%)で示される炭化水素の改善·トレランスにつながったこれらの遺伝子の発現が観察された。
要約すると、結果は、ツールキットは大腸菌を可能にすることを示す大腸菌水性環境中の炭化水素に変換して耐える。このように、それは合成生物学のアプローチを用いてオイル浄化のための持続的な解決に向けた第一歩を表しています。
石油汚染は環境汚染の最も深刻な原因の一つであり、生態系、企業、および地域社会に多大な影響を及ぼしています 3。例えば、カナダのアルバータ州にあるオイルサンドの尾鉱水から発生し続ける石油汚染に対処するための解決策が求められています。オイルサンドから石油を抽出する過程では、石油の半固体酸化形態であるビチューメンが熱回収技術を用いて除去されますが、この際、石油1バレルあたり約3.1バレルの水が消費されます 1。主に地元の河川から供給される、石油で汚染されたプロセス水は、ビチューメン抽出後に尾鉱池に蓄えられます。淡水利用の必要性を減らすため、プロセス水のより効果的なリサイクルが必要です。ビチューメン抽出を促進し、下流地点において水生生態系保護のための水質ガイドラインを満たすことを確実にするため、プロセス水処理技術が急速に進化しています 3。
有機化合物の汚染を処理するために、微生物を利用したバイオレメディエーション技術が現在推奨されています1。アルカンは原油の中で最も豊富な炭化水素群であり、1分子あたり5から40個の炭素原子を含んでいます7, 21。多くの細菌が、末端のメチル基を順次酸化して、まずアルコール、次にアルデヒド、最終的に脂肪酸を形成することで、様々な長さのアルカンを分解することが知られています8。このiGEMプロジェクトでは、異なる生物由来のいくつかの酵素を発現および特性解析し、BioBrick標準および標準生物学的パーツレジストリ(Registry of Standard Biological Parts)を通じて提供しました。
Gordonia sp. TF6の十分に研究されているアルカンヒドロキラーゼ系は、少なくとも4つの構成成分であるalkB2(アルカン-1-モノオキシゲナーゼ)、rubA3、rubA4(2種類のルブレドキシン)、およびRubB(ルブレドキシンレダクターゼ)を用いて、C5-C13アルカンおよびC5-C8シクロアルカンの初期酸化ステップを促進します 8, 21。長鎖アルカン(C15からC36まで)の酸化は、Geobacillus thermodinitrificans NG-80-2由来のフラボプロテイン・アルカンモノオキシゲナーゼであるladAによって行われることが報告されています 7, 15, 18, 22。LadAはフラビンモノヌクレオチド(FMN)と触媒複合体を形成し、原子状酸素を利用して酸化を行います。これにより、アルカンが対応する一次アルカノールに変換されます。これらのアルコールは、アルコール脱水素酵素およびアルデヒド脱水素酵素によってさらに酸化されて脂肪酸となり、容易にβ-酸化経路へと導入されます 7, 21。好熱性細菌Geobacillus thermoleovorans B23由来の亜鉛非依存性アルコール脱水素酵素は、NAD+をコファクターとして用い、中鎖アルカノールをそれぞれのアルカナルへと酸化します 10。同細菌由来のアルデヒド脱水素酵素は、中鎖酸化におけるNAD+依存的な最終ステップを触媒することができます 11
誘導コストを削減し、細菌系の最適な増殖を維持するために、E.coli由来のプロモーターpCaiFの特性評価が行われました。このプロモーターは炭化水素分解経路構成要素の発現を制御することができ、cAMP-Crpレベルによって調節されます。このレベルは、さらにグルコース濃度に依存します6。環境中の細胞外グルコース濃度が高い場合、PTSを介したグルコース輸送の副作用としてアデニリルシクラーゼが抑制されるため、細胞内のcAMP(環状アデノシン一リン酸)レベルは低くなります。対照的に、グルコース制限下(低濃度時)ではcAMPレベルが上昇し、CrpがcAMPと結合してcAMP-Crp複合体を形成します。これがpCaiFに結合し、下流構成要素の転写を活性化します6, 14。
野生型のE. coliは、中程度の濃度の炭化水素しか耐えられません。ツールキットを完成させるには、炭化水素への耐性を解決する必要がありました。いくつかの有機溶媒耐性菌は、水-溶媒二相系で生存することが知られています12。耐性を向上させることが知られている分子成分は、タンパク質の正しい折りたたみを促進するシャペロンです。Pyrococcus horikoshii OT3由来のphPFDαおよびphPFDβタンパク質からなるプレフォルディンシステムが、炭化水素耐性を向上させることが示されています17。
アルカン変換ツールキットは、Standard Biological Parts Registry 9に記載されているBioBrickの原理に従って構築されました。BioBrickとは、4つの事前定義された制限酵素部位に挟まれた特定の機能的インサートを含むプラスミドのことです。BioBrickインサートは柔軟に拡張可能であり、これにより新しい機能を持つ生物学的システムの構築が可能になります。
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1。 BioBrickアセンブリ
| 名前 | シーケンス | コメント |
| 接頭辞 | 5 'GAATTCGCGGCCGCTTCTAG3' | |
| 5 'GAATTCGCGGCCGCTTCTAGAG 3' | 次の部分は、コード配列または "ATG"で始まる任意の一部である場合 | |
| サフィックス | 5 'TACTAGTAGCGGCCGCTGCAG 3' |
このアッセイは、藤井ら (2004)によって記載された方法に基づいて行われた。
3。アルカン変換酵素アッセイでは 、ビトロ
このアッセイは、Li ら (2008)により記載された方法に本質的に従って行った。
4。酢酸エチルの炭化水素抽出と濃度測定
| 率 | 温度[°C] | 時間[分] |
| 0 | 50 | 7.5 |
| 50 | 90 | 1.0 |
| 50 | 110 | 2.0 |
| 50 | 130 | 2.0 |
| 50 | 145 | 2.0 |
| 50 | 160 | 2.0 |
| 50 | 170 | 2.0 |
| 50 | 185 | 2.0 |
| 50 | 210 | 2.0 |
| 50 | 250 | 2.0 |
| 50 | 320 | 2.0 |
5。アルコール/アルデヒド脱水素酵素活性アッセイ
このアッセイは、加藤らの方法によれば、基本的に行った。(2010)。
6。 pCaiFキャラクタリゼーション
7。許容アッセイ
8。同族体の相互作用のマッピング
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アルカンの変換
アルカンから対応する脂肪酸に至る3段階の酸化ステップの活性を、静止細胞アッセイおよび酵素活性測定を用いて評価した。結果は、経路反応である(1) アルカンヒドロキシラーゼ、(2) アルコール脱水素酵素、(3) アルデヒド脱水素酵素に沿って提示する。
最初のステップとして、中鎖および長鎖アルカン向けに異なるプラスミドを構築しました。このプラスミドは BBa_K398014 中鎖アルカン酸化のためのアルカンヒドロキシラーゼ(AH)系の4つの遺伝子を含有している: alkB2, rubA3, rubA4 および rubB 単一の構成的プロモーターの制御下で(BBa_J23100)。陰性対照として、 E. col...
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BioBrick原理は、アルカンの分解のために、シャーシを構築するために使われ、このツールキットの単一コンポーネントの原理の証明を得た。いくつかのアッセイは、in vivoおよびアルカン分解する経路酵素のin vitro活性を測定するために提案されている。提示された仕事は、正常宿主生物大腸菌の酵素活性と発現を決定するために使用できるメソッドの数を示しています適当BioBricksの実施後大腸菌 。さらに、それはBioBrick原理はアルカンの分解に必要なタンパク質を発現する生物を設計するために使用できることが示されている、唯一の必要なこれらの酵素を生産し、炭化水素の存在下で宿主生物の耐性を増強する規制システムを提供しています。一度さらに発展、このシャーシは、残油、水を尾行オイルサンドにおける例 、または治療のための生物学的分解を使用することができる石油産業からの排水。
アルカン劣化に関しては、アッセイは、アルカン分解(AH-システムとLADA)の最初のステップに関与する酵素のキャラクタリゼー...
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特別な利害関係は宣言されません。
このビデオの記事で行った実験国際遺伝子改変マシン競争9のために開発されました。著者はIGEMのチームメンバーにルークBergwerff、ピーテルTMバンBoheemen、Jelmerクノッセン、ヒューゴ·F Cuetoロハスとするためラモンファンデルファルクに感謝したいと思います研究の援助。我々は有用な議論ハン·デ·Winde、ステファンデコックとEsengülYILDIRIMに感謝し、この研究をホスティング。この作品は、バイオテクノロジーのデルフト工科大学部、デルフトインフォマティクス研究室、Bionanoscienceのデルフト工科大学学科、オイルサンドリーダーシップイニシアティブ(OSLI)、スタッドstudentenuitzendbureau、オランダゲノミクスイニシアティブ、Kluyverセンター、Nederlandse Vereniging Biotechnologische(開発元:Stichtingバイオオランダ)によってサポートされていました、DSM、GENEART、グライナーバイオ1とジェネンコア。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| E. coli K12 | New England Biolabs | C2523H | |
| オクタン | Fluka | 74822 | |
| ヘキサデカン | Fluka | 52209 | |
| 1-オクタノール | Fluka | 95446 | |
| ドデカノール-1 | Sigma-Aldrich | 126799 | |
| ヘキサン | Sigma-Aldrich | 296090 | |
| NADH | Sigma-Aldrich | N4505 | |
| FMN | Sigma-Aldrich | F2253 | |
| MgSO4 | J.T. Baker カスノ | 7487 889 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| T4リガーゼ | New England Biolabs | M0202L | |
| ガスクロマトグラフ | |||
| 細胞破砕機 | LA Biosystems | CD-019 | |
| 分光光度計 | Amersham Pharmacia | spec 2000 | |
| プレートリーダー | Tecan Group Ltd. | Magellan v7.0 | |
| インキュベーター | Innova, 44 | ||
| BioBrickTM K398014: BBa_J23100-BBa_J61100-alkB2-BBa_J61100-rubA3-BBa_J61100-rubA4- BBa_J61100-rubB | デルフト工科大学バイオテクノロジー学部、または標準生物学的パーツレジストリ(Registry of Standard Biological Parts) | BBa_K398014 | アルカンヒドロキシラーゼ系 耐性:クロラムフェニコール |
| BioBrickTM K398027: BBa_R0040-BBa_B0034-ladA | デルフト工科大学バイオテクノロジー部門または標準生物学的パーツレジストリ | BBa_K398027 | ladAタンパク質生成装置 耐性:クロラムフェニコール |
| BioBrick™ K398018: BBa_J23100-BBa_J61101-アルコール脱水素酵素(ADH) | デルフト工科大学バイオテクノロジー学部、または標準生物学的パーツレジストリ | BBa_K398018 | ADH ジェネレーター 耐性:クロラムフェニコール |
| BioBrickTM K398030: BBa_R0040-BBa_B0034-ALDH | デルフト工科大学バイオテクノロジー部門、または標準生物学的パーツ登録所(Registry of Standard Biological Parts) | BBa_K398030 | ALDH 発生装置 耐性:クロラムフェニコール |
| BioBrickTM K398326: pCaiF | デルフト工科大学バイオテクノロジー部門、または標準生物学的パーツレジストリ(Registry of Standard Biological Parts) | BBa_K398326 | pCaiFプロモーター 耐性:クロラムフェニコール |
| BioBrickTM K398331: pCaiF-BBa_B0032-BBa_I13401 | デルフト工科大学バイオテクノロジー学部または標準生物学的パーツレジストリ | BBa_K398331 | pCaiF測定装置 耐性:クロラムフェニコール |
| BioBrickTM K398406: BBa_J23002-BBa_J61107-phPFDα-BBa_J61107- | デルフト工科大学バイオテクノロジー部門、または標準生物学的パーツ登録所(Registry of Standard Biological Parts) | BBa_K398406 | 溶媒耐性クラスター 耐性:クロラムフェニコール |
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