Summary

En verktygslåda så att kolväteomvandling i vattenhaltiga miljöer

Published: October 02, 2012
doi:

Summary

En hållbar automatisk reglering bakteriell system för sanering av olja föroreningar ritades med vanliga utbytbara DNA delar (BioBricks). Konstruerad<em> E. E. coli</em> Stam användes för att bryta ned alkaner via β-oxidation i toxiska vattenhaltiga miljöer. De respektive enzymer från olika arter visade alkan nedbrytning aktivitet. Dessutom, en ökad tolerans för<em> N</em>-Hexan uppnåddes genom att införa gener från alkan-toleranta bakterier.

Abstract

Detta arbete lägger fram en verktygslåda som möjliggör omvandlingen av alkaner av Escherichia coli och presenterar ett bevis på principen för dess tillämplighet. Verktygslådan består av flera vanliga utbytbara delar (BioBricks) 9 behandlar omvandlingen av alkaner, reglering av genuttryck och överlevnad i giftiga kolväterika miljöer.

Ett tre steg väg för alkan nedbrytning genomfördes i E. E. coli för att möjliggöra omvandlingen av medellång och lång kedja alkaner till deras respektive alkanoler, alkanals och i slutändan alkansyra-syror. De sistnämnda metaboliseras via nativa β-oxidation vägen. För att underlätta oxidationen av medellånga kedja alkaner (C5-C13) och cykloalkaner (C5-C8), fyra gener (alkB2, rubA3, rubA4 och Rubb) i alkan hydroxylas systemet från Gordonia sp. TF6 8,21 transformerades in i E. coli. För omvandling avlångkedjiga alkaner (C15-C36), fick lada genen från Geobacillus thermodenitrificans genomförts. För de nödvändiga ytterligare steg i nedbrytningsprocessen fick ADH och ALDH (ursprung från G. thermodenitrificans) infördes 10,11. Aktiviteten mättes genom vilande cellanalyser. För varje oxidativa steget, var enzymaktiviteten observerades.

För att optimera processens effektivitet, var uttrycket endast induceras under låga glukos betingelser: ett substrat-reglerad promotor, pCaiF, användes. pCaiF finns i E. coli K12 och reglerar uttrycket av gener som är involverade i nedbrytningen av icke-glukos kolkällor.

Den sista delen av verktygslådan – inriktning överlevnad – genomfördes med användning av lösningsmedel tolerans gener, PhPFDα och β, båda från Pyrococcus horikoshii OT3. Organiska lösningsmedel kan inducera cell-stress och minskad överlevnad med negativt affecting. proteinveckning. Som chaperones, PhPFDα och β förbättra proteinveckning processen t.ex. under närvaron av alkaner. Uttrycket av dessa gener ledde till en förbättrad kolväte tolerans visas genom en ökad tillväxthastighet (upp till 50%) i närvaro av 10% n-hexan i odlingsmediet observerades.

Sammanfatta, tyder resultaten på att det verktygslådan gör E. E. coli att konvertera och tolerera kolväten i vattenbaserade miljöer. Som sådan utgör den ett första steg mot en hållbar lösning för olje-sanering med hjälp av en syntetisk biologi strategi.

Introduction

Oil pollution is among the most serious causes of environmental contamination, and greatly affects ecosystems, businesses and communities 3. Solutions are for example required to battle the continuous oil pollution originating from the oil sands tailing waters in Alberta, Canada. During the process of oil extraction from oil sands, bitumen, a semi-solid oxidized form of oil, is removed using thermal recovery techniques that consume about 3.1 barrels of water per single barrel of oil 1. Oil contaminated process water, mainly originating from a local river, is stored in tailing ponds after bitumen extraction. A more effective recycling of process water in order to reduce the need for freshwater uptake is needed. To facilitate the bitumen extraction and to ensure that downstream sites meet water quality guidelines for the protection of aquatic ecosystems, process water treatments are rapidly evolving 3.

To treat pollution of organic compounds, bioremediation technologies employing microorganisms are presently encouraged 1. Alkanes are the most abundant family of hydrocarbons in crude oil, containing 5 to 40 carbon atoms per molecule 7, 21. Many bacteria are known to degrade alkanes of various lengths via sequential oxidation of the terminal methyl group forming first alcohols, then aldehydes and finally fatty acids 8. Within this iGEM project several enzymes from different organisms were expressed and characterized, and made available via the BioBrick standard and Registry of Standard Biological Parts.

The well-studied alkane hydroxylase system of Gordonia sp. TF6 facilitates the initial oxidation step of C5-C13 alkanes along with that of C5-C8 cycloalkanes using a minimum of four components: alkB2 (alkane 1-monooxygenase), rubA3, rubA4 (two rubredoxins) and RubB (rubredoxin reductase) 8, 21. Oxidation of long-chain alkanes (ranging from C15 up to C36) is reported to be performed by ladA, a flavoprotein alkane monooxygenase from Geobacillus thermodinitrificans NG-80-2 7, 15, 18, 22. LadA forms a catalytic complex with flavin mononucleotide (FMN) that utilizes atomic oxygen for oxidation. This results in the conversion of alkanes into the corresponding primary alkanol. The alcohols are further oxidized by alcohol and aldehyde dehydrogenases to fatty acids, which readily enter the β-oxidation pathway 7, 21. A zinc-independent alcohol dehydrogenase from the thermophillic bacterium Geobacillus thermoleovorans B23 oxidizes medium-chain alkanols into their respective alkanals, using NAD+ as a cofactor 10. Aldehyde dehydrogenase from the same bacterium is able to catalyze the NAD+-dependent final step in the medium-chain oxidation 11.

In order to reduce induction costs and to maintain optimal proliferation of the bacterial system, the promoter pCaiF from E.coli was characterized. This promoter can regulate expression of the hydrocarbon degradation pathway components, and is regulated by cAMP-Crp levels, which in turn depend on glucose levels 6. At high extracellular glucose concentrations in the environment the cellular cAMP (cyclic Adenosine Mononucleotide Phosphate) level was low through the inhibition of adenylyl cyclase as a side effect of PTS mediated glucose transport. Conversely, during limitation (low glucose concentrations) the cAMP level increased and Crp bound to cAMP forming the complex, cAMP-Crp, which bound pCaiF and activated transcription of the downstream components 6, 14.

Wildtype E. coli can only tolerate moderate concentrations of hydrocarbons. To complete the toolkit, tolerance to hydrocarbons had to be addressed. Several organic solvent-tolerant bacteria are known to survive in water-solvent two-phase systems 12. Molecular components known to increase tolerance are chaperones that facilitate the correct folding of proteins. The prefoldin system from Pyrococcus horikoshii OT3, consisting of the proteins phPFDα and phPFDβ, was shown to increase hydrocarbon-tolerance 17.

The alkane conversion toolkit was constructed following the BioBrick principle, which is documented at the Registry of Standard Biological Parts 9. BioBricks are plasmids containing a specific functional insert that is flanked by 4 predefined restriction sites. The BioBrick inserts can be extended flexibly, allowing the construction of biological systems with new functions.

Protocol

1. BioBrick församling BioBricks från registret av Standard biologiska delar från iGEM högkvarter. För att konstruera en ny BioBrick från befintliga BioBricks, smälta givaren BioBrick (upp till 1,0 g) med EcoRI och Spel för placering nedströms givare del av acceptor delen. Digerering med Xbal och PstI för att positionera givaren delen uppströms acceptor delen. Lägg tredjedel lämplig restriktionsenzym som klipper i ryggraden hos givaren. Utför spjälkningar i en total volym av 20-25 ml med lämpl…

Representative Results

Alkane conversion The activity of the three oxidation steps from the alkane to the respective fatty acid was evaluated using resting cell assays and enzyme activity measurements. The results are presented following the pathway reactions (1) alkane hydroxylase, (2) alcohol dehydrogenase and (3) aldehyde dehydrogenase. For the first step, different plasmids were constructed for medium and long-chain alkanes. The plasmid BBa_…

Discussion

Den BioBrick Principen används för att konstruera ett chassi för nedbrytning av alkaner och ett bevis på principen för de enskilda komponenterna i verktygslådan erhölls. Flera analyser föreslås att mäta in vivo-och in vitro-aktivitet av alkan nedbrytande enzymer pathway. Den presenterade arbete visar framgångsrikt ett antal metoder som kan användas för att bestämma enzymaktiviteter och uttryck i värdorganismen E. E. coli efter genomförandet av lämpliga BioBricks. Vidare visas det att B…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De experiment som utförts i denna video-artikeln har utvecklats för den internationella Genmanipulerade Maskin tävling 9. Vill tacka iGEM gruppmedlemmar Luke Bergwerff, Pieter TM van Boheemen, Jelmer Cnossen, Hugo F. Cueto Rojas och Ramon van der Valk för författarna stödet i forskningen. Vi tackar Han de Winde, Stefan de Kok och Esengül Yıldırım för hjälp diskussioner och hosting denna forskning. Detta arbete stöddes av TU Delft University Institutionen för bioteknik, Delft Bioinformatics lab, TU Delft Institutionen för Bionanoscience, Oil Sands Ledarskap Initiative (OSLI), Stud studentenuitzendbureau, Nederländerna Genomics Initiative, Kluyver Centre Nederlandse Biotechnologische Vereniging (Stichting Biotechnology Nederland) , DSM, Geneart, Greiner Bio-One och Genencor.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number Comments (optional)
E. coli K12 New England Biolabs C2523H  
Octane Fluka 74822  
Hexadecane Fluka 52209  
octanol-1 Fluka 95446  
dodecanol-1 Sigma-Aldrich 126799  
Hexane Sigma-Aldrich 296090  
NADH Sigma N4505  
FMN Sigma F2253  
MgSO4 J.T. Baker Casno 7487 889  
Triton X-100 Sigma-Aldrich T8787  
T4 ligase New England Biolabs M0202L  
Gas chromatograph      
Cell disrupter LA Biosystems CD-019  
Spectrophotometer Amersham pharmacia spec 2000  
Plate reader Tecan Magellan v7.0  
Incubator Innova, 44    
BioBrick K398014:
BBa_J23100-BBa_J61100-alkB2-BBa_J61100-rubA3-BBa_J61100-rubA4– BBa_J61100-rubB
Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398014 Alkane Hydroxylase System
Resistance: Chloramphenicol
BioBrick K398027: BBa_R0040-BBa_B0034-ladA Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398027 ladA Protein Generator
Resistance: Chloramphenicol
BioBrick K398018: BBa_J23100-BBa_J61101-ADH Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398018 ADH generator
Resistance: Chloramphenicol
BioBrick K398030: BBa_R0040-BBa_B0034-ALDH Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398030 ALDH generator
Resistance: Chloramphenicol
BioBrick K398326: pCaiF Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398326 pCaiF promoter
Resistance: Chloramphenicol
BioBrick K398331: pCaiF-BBa_B0032-BBa_I13401 Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398331 pCaiF measurement device
Resistance: Chloramphenicol
BioBrick K398406: BBa_J23002-BBa_J61107-phPFDα-BBa_J61107- Delft University of Technology at the department of Biotechnology or Registry of Standard Biological Parts BBa_K398406 Solvent tolerance cluster
Resistance: Chloramphenicol

References

  1. Allen, E. W. Process water treatment in Canada’s oil sands industry: I: Target pollutants and treatment objectives. J. Environ. Eng. Sci. 7, 123-138 (2008).
  2. Alon, U. . An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits. , (2007).
  3. Center, O. P. . Understanding Oil Spills and Oil Spill Response. , (1999).
  4. Eichler, K., Buchet, A., Lemke, R., Kleber, H. P., Mandrand-Berthelot, M. A. Identification and characterization of the caiF gene encoding a potential transcriptional activator of carnitine metabolism in Escherichia coli. J. Bacteriol. 178, 1248-1257 (1995).
  5. Feng, L., Wang, W., Cheng, J., Ren, Y., Zhao, G., Gao, C., Tang, Y., Liu, X., Han, W., Peng, X., et al. Genome and proteome of long-chain alkane degrading Geobacillus thermodenitrificans NG80-2 isolated from a deep-subsurface oil reservoir. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104 (13), 5602-5607 (2007).
  6. Fujii, T., Narikawa, T., Takeda, K., Kato, J. Biotransformation of various alkanes using the Escherichia coli expressing an alkane hydroxylase system from Gordonia sp. TF6. Biosci. Biotechnol. Biochem. 68 (10), 2171-2177 (2004).
  7. Kato, T., Miyanaga, A., Haruki, M., Imanaka, T., Morikawa, M., Gene Kanaya, S. cloning of an alcohol dehydrogenase from thermophilic alkane-degrading Bacillus thermoleovorans B23. J. Biosci. Bioeng. 91 (1), 100-102 (2001).
  8. Kato, T., Miyanaga, A., Kanaya, S., Morikawa, M. Gene cloning and characterization of an aldehyde dehydrogenase from long-chain alkane-degrading Geobacillus thermoleovorans B23. Extremophiles. 14, 33-39 (2010).
  9. Kieboom, J., De Bont, J. a. M. . Bacterial Stress Responses. , (2000).
  10. Kotte, O., Zaugg, J. B., Heinemann, M. Bacterial adaptation through distributed sensing of metabolic fluxes. Mol Syst Biol. 6, 355 (2010).
  11. Kremling, A., Bettenbrock, K., Gilles, E. D. Analysis of global control of Escherichia coli carbohydrate uptake. BMC Syst. Biol. 1, (2007).
  12. Li, L., Liu, X., Yang, W., Xu, F., Wang, W., Feng, L., Bartlam, M., Wang, L., Rao, Z. Crystal structure of long-chain alkane monooxygenase (LadA) in complex with coenzyme FMN: unveiling the long-chain alkane hydroxylase. J. Mol. Biol. 376 (2), 453-465 (2008).
  13. Lin, H. Y., Mathiszik, B., Xu, B., Enfors, S. O., Neubauer, P. Determination of the maximum specific uptake capacities for glucose and oxygen in glucose-limited fed-batch cultivations of Escherichia coli. Biotechnol. Bioeng. 73 (5), 347-357 (2001).
  14. Okochi, M., Kanie, K., Kurimoto, M., Yohda, M., Honda, H. Overexpression of prefoldin from the hyperthermophilic archaeum Pyrococcus horikoshii OT3 endowed Escherichia coli with organic solvent tolerance. Appl. Microbiol. Biotechnol. 79 (3), 443-449 (2008).
  15. Rehm, H. J., Reiff, I. Mechanisms and occurrence of microbial oxidation of long-chain alkanes. Adv. Biochem. Eng. / Biotechnol. 19, 175-215 (1981).
  16. Rojo, F. Degradation of alkanes by bacteria. Environ. Microbiol. 11 (10), 2477-2490 (2009).
  17. Van Beilen, J. B., Panke, S., Lucchini, S., Franchini, A. G., Rothlisberger, M., Witholt, B. Analysis of Pseudomonas putida alkane-degradation gene clusters and flanking insertion sequences: evolution and regulation of the alk genes. Microbiology. 147, 1621-1630 (2001).
  18. Wang, L., Tang, Y., Wang, S., Liu, R. L., Liu, M. Z., Zhang, Y., Liang, F. L., Feng, L. Isolation and characterization of a novel thermophilic Bacillus strain degrading long-chain n-alkanes. Extremophiles. 10 (4), 347-356 (2006).

Play Video

Cite This Article
Brinkman, E. K., Schipper, K., Bongaerts, N., Voges, M. J., Abate, A., Wahl, S. A. A Toolkit to Enable Hydrocarbon Conversion in Aqueous Environments. J. Vis. Exp. (68), e4182, doi:10.3791/4182 (2012).

View Video