معلومة

9.6: أدوات لدراسة التطور - علم الأحياء

9.6: أدوات لدراسة التطور - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أساطير حول الأرض

هذه الصورة الممتعة هي تمثيل للأرض يعود للقرن التاسع عشر مبني على أسطورة هندوسية قديمة. وفقًا للأسطورة ، تقع الأرض على ظهور الأفيال ، والتي بدورها تقف على ظهر سلحفاة عملاقة. لقد طورت جميع الثقافات والأديان البشرية تقريبًا أساطير حول الأرض وأصولها. على سبيل المثال ، حتى وقت قريب جدًا ، اعتقد العديد من الغربيين أن الأرض نشأت في يوم واحد وأن هذا حدث قبل بضعة آلاف من السنين فقط. ومع ذلك ، فقد أقنعت مجموعة متنوعة من الأدلة المجتمع العلمي منذ ذلك الحين بأن الأرض تشكلت بالفعل من خلال عمليات طبيعية من غبار النجوم ، وهو أمر مذهل منذ 4.5 إلى 4.6 مليار سنة. تشير الدلائل أيضًا إلى أن الحياة ظهرت لأول مرة على الأرض منذ ما يصل إلى 4 مليارات سنة وتطورت منذ ذلك الحين.

الأرض في يوم

قد يكون من الصعب أن تلف ذهنك حول فترات زمنية طويلة مثل عمر الأرض وأشكال حياتها المبكرة. من الطرق المفيدة لتصور الكميات النسبية للوقت المنقضي بين أصل الأرض والأحداث المهمة في التطور البيولوجي هي اختصار الفترة الزمنية الإجمالية إلى 24 ساعة في اليوم ، كما هو موضح في الشكل ( PageIndex {2} ). على هذا المقياس ، تكون الأرض قد تشكلت في منتصف الليل ، وستظهر الحياة الأولى في حوالي الساعة 3:00 صباحًا.كان البشر قد ظهروا فقط خلال الدقيقة الأخيرة من اليوم. إذا كنا مثل هؤلاء القادمين الجدد على كوكب الأرض ، فكيف لنا أن نعرف عن الفترة الزمنية الهائلة التي مرت قبلنا؟ كيف تعلمنا عن الماضي البعيد؟

سجل الحفريات

يعتمد الكثير مما نعرفه عن تاريخ الحياة على الأرض على السجل الأحفوري ، لذا فهذه أداة مهمة للغاية في دراسة التطور. ال سجل الحفريات هو سجل الحياة التي تكشفت على مدى أربعة مليارات سنة على الأرض كما أعيد بناؤها من اكتشاف وتحليل الحفريات. الحفريات هي البقايا المحفوظة أو آثار الكائنات الحية التي عاشت في الماضي. غالبًا ما تتحلل الأجزاء اللينة من الكائنات الحية بسرعة بعد الموت. في بعض الأحيان ، تظل الأجزاء الصلبة - بشكل أساسي العظام أو الأسنان أو الأصداف - طويلة بما يكفي لتكوين أحافير وتمعدن. تم تصوير مثال على هيكل عظمي أحفوري كامل في الشكل ( PageIndex {3} ).

لكي يتم الحفاظ عليها كأحفوريات ، يجب تغطية البقايا بسرعة بواسطة الرواسب أو حفظها بطريقة أخرى. على سبيل المثال ، قد يتم تجميدها في الأنهار الجليدية أو محاصرة في راتنج الأشجار أو الصخور ، مثل الضفدع الموضح في الشكل ( PageIndex {4} ). في بعض الأحيان يتم الحفاظ على آثار الكائنات الحية - مثل آثار الأقدام أو الجحور -. نادرا ما تحدث الشروط المطلوبة لتكوين الأحافير. لذلك ، فإن فرصة الحفاظ على أي كائن حي على أنه أحفورة منخفضة للغاية.

لكي "تخبرنا" الحفريات قصة الحياة ، يجب تحديد التسلسل الزمني الخاص بهم. هذا يعني أنه يجب تأريخ الحفريات. عندها فقط يمكنهم مساعدة العلماء في إعادة بناء كيف تغيرت الحياة بمرور الوقت. يمكن تأريخ الحفريات بطريقتين مختلفتين ، تسمى التأريخ النسبي والتاريخ المطلق.

  • المواعدة النسبية يحدد أي من الأحفوريتين أقدم أو أصغر من الآخر ، ولكن ليس عمره بالسنوات. يعتمد التأريخ النسبي على مواقع الحفريات في طبقات الصخور. تم وضع الطبقات السفلية في وقت سابق ، لذلك من المفترض أنها تحتوي على أحافير قديمة. ويتضح هذا في الشكل أدناه.
  • المواعدة المطلقة تحدد المدة التي عاشها الكائن الأحفوري منذ فترة طويلة ، مع إعطاء العمر الأحفوري بالسنوات. قد يعتمد التأريخ المطلق على كمية الكربون 14 أو العناصر المشعة الأخرى التي تبقى في الحفرية.

الساعات الجزيئية

الساعات الجزيئية هي أيضًا أدوات قيمة لدراسة التطور. أ جزيئي ساعة يستخدم تسلسل الحمض النووي (أو تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات التي يشفرها الحمض النووي) لتقدير المدة التي مرت منذ أن تباعدت الأنواع ذات الصلة عن سلف مشترك. تعتمد الساعات الجزيئية على افتراض أن الطفرات تتراكم عبر الزمن بمعدل متوسط ​​ثابت لمنطقة معينة من الحمض النووي. يُفترض أن الأنواع التي تراكمت لديها اختلافات أكبر في تسلسل الحمض النووي الخاص بها قد تباعدت عن سلفها المشترك في الماضي البعيد. يمكن استخدام الساعات الجزيئية القائمة على مناطق مختلفة من الحمض النووي معًا لمزيد من الدقة. انظر إلى مقارنات الحمض النووي في الجدول أدناه. بناءً على هذه البيانات ، ما الكائن الحي الذي تعتقد أنه شارك أحدث سلف مشترك مع البشر؟

الجدول ( PageIndex {1} ): تشابه الحمض النووي لأنواع الشمبانزي والفأر والدجاج وذبابة الفاكهة مع الحمض النووي البشري.
الكائن الحيالتشابه مع الحمض النووي البشري (نسبة مئوية)
شمبانزي98
الفأر85
فرخة60
ذبابة الفاكهة44

ميزة: أسطورة مقابل حقيقة

خرافة: الثغرات في سجل الحفريات تدحض التطور.

الواقع: من المتوقع وجود ثغرات في السجل الأحفوري ، حيث لم يتم العثور على الحفريات الانتقالية بين مجموعات الأجداد والمتحدرين. فرص تحجر الكائنات الحية منخفضة. لا تحافظ بعض الكائنات الحية بشكل جيد ، ونادرًا ما تكون الظروف اللازمة للتحجر موجودة. إذا كان التطور يحدث بسرعة ، فإن فرص تكوين الحفريات الانتقالية تكون أقل. حتى لو تشكلت أحافير كائنات انتقالية ، فيجب اكتشافها من قبل الباحثين لإضافتها إلى السجل الأحفوري. لم يتم العثور على الغالبية العظمى من الحفريات. يدرس الباحثون عملية التحجر لإلقاء الضوء على مقدار السجل الأحفوري الذي لم يتم اكتشافه بعد.

لحسن الحظ ، مثل بصمات الأصابع في مسرح جريمة قتل ، فإن سجل الحفريات هو مجرد نوع واحد من أدلة التطور. بالإضافة إلى الأحافير ، تُستخدم التسلسلات الجزيئية وأنواع أخرى من الأدلة معًا للكشف عن كيفية تطور الحياة على الأرض.

إعادة النظر

  1. بناءً على 24 ساعة في اليوم ، في أي وقت تطورت الثدييات؟ ما مقدار ما حدث من ماضي الأرض بالفعل بحلول ذلك الوقت؟ متى تطورت الكائنات الحية الأولى؟
  2. ما هو سجل الحفريات؟
  3. لماذا سجل الحفريات غير مكتمل؟
  4. قارن وقارن بين التأريخ النسبي والمطلق للحفريات.
  5. اشرح ما يمكن أن تكشفه الساعات الجزيئية عن تطور الحياة.
  6. لماذا من المهم لدراسة التطور معرفة العمر النسبي لحفرية مقارنة بحفرية أخرى؟
  7. إذا كانت الحفرية A تقع فوق الحفرية B وكانت الحفرية B موجودة فوق الحفرية C في طبقات صخرية مختلفة ، فقم بترتيب الحفريات الثلاثة حسب العمر المحتمل ، من الأكبر إلى الأصغر.
  8. ما الأداة التي يمكنك استخدامها لدراسة العلاقات التطورية بين الأنواع التي لا تزال على قيد الحياة؟
    1. تأريخ الكربون 14
    2. الساعات الجزيئية
    3. الموقع النسبي في سجل الحفريات
    4. لا شيء مما بالأعلى
  9. استخدم ال تاريخ الأرض في يوم النموذج أعلاه للإجابة على الأسئلة التالية.
    1. أيهما أتى أولاً ، الأكسجين الحر على الأرض أم تطور الحيوانات؟
    2. في أي فترة جيولوجية تطورت الحياة متعددة الخلايا؟
    3. حول مقدار ما انقضى من تاريخ الأرض قبل أن تتطور حقيقيات النوى؟
    4. ما هو اسم عصرنا الحالي؟
  10. صحيحة أو خاطئة. تتكون الأحافير دائمًا من أنسجة فعلية من كائنات منقرضة.
  11. صحيحة أو خاطئة. عادة ما يتم التأريخ المطلق للحفريات باستخدام ساعة جزيئية.

استكشاف المزيد

كيف سيبدو الأمر إذا أخذنا تاريخ الأرض البالغ 4.5 مليار سنة وقمنا بحشوها في إطار زمني عادي يبلغ 24 ساعة في اليوم؟ تحقق من ذلك هنا:

يسمح لنا التأريخ الكربوني بتقدير أعمار

مواد. تعلم المزيد هنا:


التوزيع العالمي الخفي لشبكات التخليق الحيوي للأحماض الأمينية: منظور جينومي حول أصولها وتطورها

يشكل عشرين من الأحماض الأمينية اللبنات الأساسية للبروتينات. ومع ذلك ، لا يبدو أن مسارات التخليق الحيوي الخاصة بهم عالمية من الإشريكية القولونية- منظور مركزي. ومع ذلك ، من الضروري فهم أصلها وتطورها في سياق عالمي ، أي تضمين المزيد من الأنواع "النموذجية" والطرق البديلة من أجل القيام بذلك. نحن نستخدم نهج علم الجينوم المقارن لتقييم أصول وتطور فروع شبكة التخليق الحيوي للأحماض الأمينية البديلة.

نتائج

من خلال تتبع التوزيع التصنيفي لأنزيمات التخليق الحيوي للأحماض الأمينية ، توقعنا أن نواة من فروع الشبكة الموزعة على نطاق واسع تصنع ما لا يقل عن 16 من أصل 20 من الأحماض الأمينية القياسية ، مما يشير إلى أن هذا اللب حدث في الخلايا القديمة ، قبل فصل المجالات الخلوية الثلاثة. الحياة. بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بالتفصيل توزيع نوعين من الفروع البديلة لهذا النواة: النظير ، والإنزيمات التي تحفز نفس التفاعل (باستخدام نفس المستقلبات) وتنتمي إلى عائلات فائقة مختلفة و "مناوبون" ، مُعرَّفة هنا على أنها فروع ، تتقدم عبر مستقلبات مختلفة ، تتلاقى مع نفس المنتج النهائي. نقترح أن أصل الفروع البديلة يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمصادر المستقلبات البيئية المختلفة وأنماط الحياة بين الأنواع.

استنتاج

تعمل إستراتيجية البذور متعددة الكائنات الحية المستخدمة في هذا العمل على تحسين دقة المواعدة وتحديد العلاقات التطورية بين فروع التخليق الحيوي للأحماض الأمينية. يمكن أن تمتد هذه الاستراتيجية إلى طرق التمثيل الغذائي المتنوعة وحتى العمليات البيولوجية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، نقدم مفهوم "التناوب" ، الذي لا يلعب فقط دورًا مهمًا في العلاقات بين البنية والوظيفة في الشبكات البيولوجية ، ولكن أيضًا ، كما هو موضح هنا ، له آثار قوية على تطورها ، تكاد تكون مساوية للتماثل والتماثل.


9.6: أدوات لدراسة التطور - علم الأحياء

بالنسبة للأمراض المعدية ، يعد التحديد السريع والدقيق للعوامل الممرضة أمرًا بالغ الأهمية للإدارة والعلاج الفعالين ، لكن التشخيص لا يزال يمثل تحديًا ، لا سيما في المناطق محدودة الموارد. يمكن للطرق التي تكشف بدقة عن الأحماض النووية المسببة للأمراض أن توفر تقنيات قوية ودقيقة وسريعة وفائقة الحساسية لتشخيص مسببات الأمراض في نقاط الرعاية ، وبالتالي تقديم معلومات لا تقدر بثمن لإدارة المرض وعلاجه. تم استخدام العديد من التقنيات ، معظمها تعتمد على تفاعل البوليميراز المتسلسل ، للكشف عن العوامل الممرضة ، ولكنها تتطلب كواشف ومعدات باهظة الثمن ، وموظفين مهرة. تم استخدام أنظمة CRISPR / Cas لتحرير الجينوم ، بناءً على قدرتها على التعرف بدقة على تسلسلات DNA و RNA وربطها. علاوة على ذلك ، بعد التعرف على التسلسل المستهدف ، تعرض بعض أنظمة CRISPR / Cas بما في ذلك تقويم العظام من Cas13 و Cas12a و Cas14 أنشطة تحفيزية غير محددة يمكن استخدامها في اكتشاف الحمض النووي ، على سبيل المثال عن طريق تحلل الحمض النووي المسمى لإنتاج الفلورسنت الإشارة. أنظمة CRISPR / Cas قابلة للتعدد ، وبالتالي تمكين اختبار تشخيصي واحد لتحديد أهداف متعددة وصولاً إلى تركيزات أتومولار (10-18 مول / لتر) للجزيئات المستهدفة. قد يتيح تطوير الأجهزة التي تجمع بين CRISPR / Cas وأنظمة التدفق الجانبي إجراء تشخيصات غير مكلفة ودقيقة وحساسة للغاية وقابلة للنشر في الميدان. هذه المستشعرات لها تطبيقات لا تعد ولا تحصى ، من صحة الإنسان إلى الزراعة. في هذه المراجعة ، نناقش التطورات الأخيرة في مجال تقنيات الاستشعار البيولوجي القائمة على كريسبر ونبرز رؤى لاستخدامها المحتمل في عدد لا يحصى من التطبيقات.

حروف
تجمع الخلايا الميكروبية الذكية بين التحفيز والاستشعار لتوفير اختيار عالي الإنتاجية من هيدرولاز الفوسفات العضوي

تتطلب هندسة الإنزيم لاكتساب الوظيفة التنقل في مساحة تسلسل اندماجي كبيرة بكفاءة. عادة ، هناك حاجة إلى العديد من الطفرات للحصول على تحسينات كبيرة ، في حين أن طفرة واحدة "سيئة" يمكن أن تعطل الإنزيم. لإنشاء فحص عالي الإنتاجية وتحقيق دقة محسّنة بين متغيرين ، تم فحص المكتبات الجينية لإنزيم هيدرولاز العضوي الفوسفاتي 1 (PON1) بسرعة عبر دائرة ردود فعل إيجابية هندسية: عامل نسخ محدد p-nitrophenol (PNP) (TF ) التعبير المنظم عن PON1 ، الذي حفز تكسير الباروكسون وإنتاج PNP. تم تمييز مستعمرات متحولة نشطة نادرة ، تم التقاطها بواسطة مضان بصري بسيط لانصهار البروتين الفلوري الأخضر PON1 (GFP). في جولة فحص واحدة ، مكنت الإنتاجية العالية (على نطاق المكتبة) من اكتشاف نشاط تدهور الباروكسون المحسن في PON1 ، بما في ذلك الطفرات الهيكلية غير المتوقعة.

التوليف الميكروبي لهرمون الإنسان الميلاتونين في مقاييس الجرام
  • هاو لو* ,
  • كونستانتين شنايدر ،
  • أولا كريستنسن ،
  • يانغ لي ،
  • ماركوس هيرجارد ، و
  • برنارد أو. بالسون

الميلاتونين هو هرمون مشتق من التربتوفان جذاب تجاريا. نحن هنا نصف عملية حيوية لإنتاج الميلاتونين باستخدام الإشريكية القولونية إلى التتر العالي. أنتجت السلالة الأولى المصممة هندسيًا 0.13 جم / لتر من الميلاتونين من التربتوفان تحت ظروف التخمير المغذي. تم تحقيق تحسن إضافي بمقدار 4 أضعاف على عيار الميلاتونين من خلال (1) هندسة البروتين لتريبتوفان هيدروكسيلاز المحدد للمعدل لتحسين التخليق الحيوي 5 هيدروكسي تريبتوفان و (2) تكامل الكروموسومات لنزع الكربوكسيل من الأحماض الأمينية العطرية للحد من تكوين المنتج الثانوي وتقليل الجين. سمية للخلية المضيفة. أدى تحسين التخمير إلى تحسين عيار الميلاتونين بمقدار ضعفين إضافيين. أظهر حذف yddG ، أحد مصدري التربتوفان ، تأثيرًا مفيدًا مضافًا. أنتجت السلالة الهندسية النهائية ∼2.0 جم / لتر من الميلاتونين مع التربتوفان المكمل خارجيًا و 1.0 جم / لتر بالجلوكوز كمصدر وحيد للكربون لإمداد التربتوفان. تضع هذه الدراسة الأساس لمزيد من التطوير التجاري لسلالة الإشريكية القولونية المنتجة للميلاتونين.

التعريف الوظيفي لنوعين من هيدروكسيلاز الكاروتين من الطحالب الخضراء دناليلا بردويل غني باللوتين
  • مينج هوا ليانغ ،
  • هونغ شيه ،
  • هاو هونغ تشين
  • زي كونغ ليانغ و
  • جيان جو جيانغ*

يمكن أن تتراكم الطحالب أحادية الخلية Dunaliella bardawil FACHB-847 التي تتحمل الملح كميات كبيرة من اللوتين ، لكن السبب الأساسي للتراكم الهائل للوتين لا يزال غير معروف. في هذه الدراسة ، تم استنساخ الجينات التي تشفر نوعين من هيدروكسيلاز الكاروتين ، أي β-carotene hydroxylase (DbBCH) و cytochrome P450 carotenoid hydroxylase (DbCYP97s DbCYP97A و DbCYP97B و DbCYP97C) ، من D. تم اختبار خصائص الركيزة وأنشطة الإنزيم من خلال فحوصات التكميلية الوظيفية في الإشريكية القولونية. تم إثبات أن DbBCH يمكن أن يحفز الهيدروكسيل في الحلقات β لكل من β- و α-carotene ، وعرض مستوى منخفض من ε- هيدروكسيلاز. على عكس CYP97A من النباتات العليا ، لا يمكن لـ DbCYP97A هيدروكسيلات كاروتين. أظهر DbCYP97A و DbCYP97C نشاطًا عاليًا للهيدروكسيلاز تجاه الحلقة والحلقة ε من α-carotene ، على التوالي. عرض DbCYP97B نشاطًا طفيفًا تجاه الحلقة من α-carotene. قد يكون سبب التراكم المرتفع للوتين في D. مجتمعة ، تقدم هذه الدراسة رؤى لفهم السبب الكامن وراء ارتفاع إنتاج اللوتين في الطحالب الخضراء المحبة للملوحة D. bardawil FACHB-847.

لف المسمار: هندسة مقاومة درجة الحموضة القصوى في الإشريكية القولونية من خلال العمليات التركيبية الاندماجية
  • Guilherme M. V. de Siqueira ،
  • رافائيل سيلفا روشا ، و
  • ماريا يوجينيا جوازاروني*

يتطلب تبني الكائنات الحية الدقيقة كمنصات للإنتاج الحيوي المستدام أن تكون الخلايا المضيفة قادرة على تحمل الظروف القاسية ، وعادة ما تكون بعيدة جدًا عن تلك التي تتكيف فيها هذه الكائنات بشكل طبيعي لتزدهر. ومع ذلك ، يمكن استغلال آليات البقاء الجديدة التي اكتشفتها دراسة الميكروبيومات من الموائل المتطرفة لتعزيز المتانة الميكروبية في ظل الظروف الصارمة اللازمة للتطبيقات الصناعية المختلفة. في هذا العمل ، تم استخدام مناهج البيولوجيا التركيبية لهندسة المقاومة الحمضية المحسنة في الإشريكية القولونية من خلال توصيف مجموعة من الأوبراونات الفريدة المكونة من مجموعات اندماجية لثلاثة جينات جديدة من بيئة قاسية وثلاثة مواقع ربط ريبوسوم اصطناعية. توضح النتائج المعروضة هنا فعالية الجمع بين الجينات الميتاجينومية المختلفة للمقاومة في الأوبرا الصناعية ، حيث أدى التعبير عن هذه المجموعات الجينية إلى زيادة نسبة بقاء الخلايا المعرضة لصدمة حمضية في أدنى مستوى من الوسائط عند درجة الحموضة 1.9 في ظل الظروف الهوائية مئات أضعاف.

تحليل شامل للمرافئ الجينومية الآمنة كمواقع مستهدفة للتعبير المستقر عن الجين غير المتغاير في خلايا HEK293
  • سيونغيون شين ،
  • سو هيون كيم ،
  • سونغ ووك شين ،
  • ليز ماري جراف
  • لاسي إبدروب بيدرسن ،
  • جاي سيونج لي* ، و
  • جيون مين لي*

يتم استخدام خطوط الخلايا البشرية بشكل متزايد كخلايا مضيفة لإنتاج البروتينات السكرية العلاجية ، بسبب آلية الارتباط بالجليكوزيل البشري. في محاولة لتطوير منصة لتوليد خطوط الخلايا البشرية متساوية المنشأ التي تنتج البروتينات العلاجية على أساس التكامل المستهدف ، تم تقييم ثلاثة مرافئ آمنة للجينوم البشري المعروف (GSHs) - AAVS1 و CCR5 ومواقع ROSA26 البشرية - فيما يتعلق بالتعبير الجيني. المستوى والثبات في خلايا الكلى الجنينية البشرية (HEK293). من بين GSHs الثلاثة ، أظهر موضع AAVS1 أعلى تعبير eGFP مع أعلى تجانس. استمر التعبير الجيني في موضع AAVS1 دون اختيار لمدة 3 أشهر تقريبًا. علاوة على ذلك ، أظهر مروج CMV أعلى تعبير ، متبوعًا بمروجين EF1α و SV40 و TK في موضع AAVS1. تم إنشاء خطوط الخلايا الرئيسية باستخدام تكامل CRISPR / Cas9 بوساطة لوحة الهبوط في موضع AAVS1 واستخدمت لتوليد أسرع لخطوط الخلايا المؤتلفة التي تنتج بروتينات علاجية مع تبادل كاسيت بوساطة إعادة التركيب.

التطور الآلي المستمر للبروتينات في فيفو
  • زيوي تشونغ ،
  • براندون جي وونغ ،
  • أرجون رافيكومار
  • غاري أ. أرزومانيان ،
  • احمد س. خليل* ، و
  • تشانغ سي ليو*

نقدم التطور الآلي المستمر (ACE) ، وهو منصة للتطور الموجه بدون استخدام اليدين للجزيئات الحيوية. ACE أزواج OrthoRep ، نظام وراثي للطفرات المستهدفة المستمرة للجينات المختارة من قبل المستخدم في الجسم الحي ، مع eVOLVER ، جهاز زراعة مستمر مؤتمت وقابل للتطوير من أجل تنظيم دقيق متعدد العوامل لظروف النمو. من خلال تنفيذ ضبط في الوقت الحقيقي للتحكم في ردود الفعل لصرامة الاختيار باستخدام eVOLVER ، اجتازت الجينات ذات الأهمية المشفرة على OrthoRep بشكل مستقل المسارات التكيفية متعددة التحولات للوصول إلى الوظائف المطلوبة ، بما في ذلك مقاومة الأدوية ونشاط الإنزيم المحسن. يجب أن تكون المتانة والقابلية للتوسع وسرعة التطور الجزيئي الحيوي باستخدام ACE قابلة للتطبيق على نطاق واسع في هندسة البروتين بالإضافة إلى الدراسات المستقبلية حول كيفية تشكيل معلمات الاختيار والجداول الزمنية للتكيف.

هندسة الأنماط للمستعمرات البكتيرية الحية باستخدام قنوات السوائل التي يحركها الغضروف المفصلي
  • فاسيلي كانتسلر* ,
  • إيلينا أونتونون ماكدونالد ،
  • كانسو كوي ،
  • منجاري ج.
  • ماريا كيارا روفين و
  • مونهيرو أصلي*

يعد إنشاء مواد حيوية قابلة للتكيف ومستدامة وديناميكية مهمة قادمة للبيولوجيا التركيبية. تمتلك المجتمعات البكتيرية المنظمة مكانيًا القدرة على تطوير مثل هذه المواد الحيوية الفوقية. ومع ذلك ، فإن إنشاء أنماط معيشية بدقة ومتانة وحاجز تقني منخفض لا يزال يمثل تحديًا. نقدم هنا تقنية قابلة للتنفيذ بسهولة لنمذجة مجموعات بكتيرية حية باستخدام نظام فلويديكس يحركه الغضروف المفصلي ، يُطلق عليه اسم MeniFluidics. نظهر نمذجة متعددة النطاقات لمستعمرات وأسراب بيوفيلم بدقة دون المليمتر. من خلال الاستفادة من الانتشار البكتيري الأسرع في القنوات السائلة ، يسمح MeniFluidics للمستعمرات البكتيرية الخاضعة للرقابة في كل من المكان والزمان بتنظيم سلالات Bacillus subtilis ذات العلامات الفلورية في نمط متقارب وتشكيل أنماط دوامة ديناميكية في أسراب بكتيرية محصورة. توفر المتانة والدقة والحاجز التقني المنخفض لـ MeniFluidics أداة لتطوير وابتكار مواد حية جديدة يمكن دمجها مع الأنظمة المعدلة وراثيًا ، وإضافة إلى الأبحاث الأساسية في التفاعلات البيئية والتطورية والفيزيائية بين الميكروبات.

برمجة الخلية الديناميكية مع دائرة CRISPRi التي تتحكم في استشعار النصاب
  • ييلان ليو
  • جينجين تشين ،
  • ديفيد كريسانتي ،
  • جوسلين ماريسول جاراميلو لوبيز ، و
  • راداكريشنان ماهاديفان*

تمكّن البيولوجيا التركيبية من تحقيق تقدم سريع في مجالات التصنيع الحيوي والعلاجات الحية. تمثل الدوائر الديناميكية التي يمكن استخدامها لتنظيم الموارد الخلوية وسلوك المجتمع الميكروبي محورًا محددًا للبيولوجيا التركيبية ، وقد اجتذبت اهتمامًا هائلاً. ومع ذلك ، فإن الدوائر الديناميكية الحالية تعتمد في الغالب على تحرير الجينات أو تعتمد على تحلل الخلية ، مما يحد من تطبيقها الواسع والمريح ، وفي بعض الحالات ، يمكن أن تعاني هذه الدوائر القائمة على التحلل من عدم الاستقرار الجيني بسبب التطور. هناك بحث محدود في تقنية CRISPRi بمساعدة استشعار النصاب ، والتي يمكن أن تعمل بطريقة مستقلة عن تحرير الجينات. هنا ، قمنا ببناء سلسلة من أنظمة CRISPRi التي يتم التحكم فيها باستشعار النصاب (Q-CRISPRi) ، والتي يمكنها برمجة البكتيريا ديناميكيًا باستخدام sgRNA المخصص دون إدخال تحلل الخلية. نجحنا في تطبيق دارات Q-CRISPRi لبرمجة التعبير الجيني ديناميكيًا ، والكثافة السكانية ، والنمط الظاهري ، والخصائص الفيزيائية ، والتكوين المجتمعي لاتحادات ميكروبية. تمثل الاستراتيجيات المذكورة هنا طرقًا لبرمجة الخلايا الديناميكية ويمكن أن تكون فعالة في برمجة الكائنات الدقيقة المهمة صناعياً وطبياً لتوفير تحكم أفضل في عملية التمثيل الغذائي والسلوك.

مقالات
المحول الريبي صغير الاستجابة للجزيء يتيح الحث الشرطي للتعبير الجيني الفيروسي بوساطة ناقلات الفيروس في الفئران
  • بنيامين ستروبل
  • ماتياس جيه.
  • دراجيكا بلازيفيتش ،
  • فيليب ريشتستينر
  • كليمنس براون ،
  • كاتيا س. بوم-كروكر ،
  • برنارد شميد ،
  • توماس سيوسيك ،
  • ديرك جوتشلينج
  • يورج إس هارتيج ، و
  • سيباستيان كروز*

يحمل العلاج الجيني بوساطة الناقلات الفيروسية المرتبطة بالغدة (AAV) إمكانات كبيرة للتطبيقات الطبية المستقبلية. ومع ذلك ، لتسهيل تطبيق أكثر أمانًا وأوسع نطاقًا ولتمكين الرعاية التي تتمحور حول المريض ، يجب أن يكون التعبير عن البروتين العلاجي قابلاً للتحكم ، بشكل مثالي عن طريق دواء يتم تناوله عن طريق الفم. يعتبر استخدام الأنظمة القائمة على البروتين غير مرغوب فيه إلى حد ما ، بسبب الاستمناع المحتمل ومساحة الترميز المحدودة لـ AAV. على النقيض من ذلك ، فإن المحولات الريبية المعتمدة على الترابط صغيرة وتتميز بنمط عمل جذاب يعتمد على الانقسام الذاتي للـ mRNA ، ومستقل عن البروتين الأجنبي المتزامن. في حين أنه نهج واعد ، فإن المفاتيح المتاحة حتى الآن أظهرت فاعلية معتدلة فقط في الحيوانات. على وجه الخصوص ، حققت مفاتيح التشغيل التي تحفز التعبير الجيني عند إدارة الترابط حتى الآن نتائج مخيبة للآمال. نقدم هنا استخدام الريبوزيم K19 المعتمد على التتراسيكلين الموصوف سابقًا للتحكم في التعبير الجيني بوساطة AAV في الفئران. باستخدام مفتاح الأداة هذا ، نقدم الدليل الأول على جدوى الميزات الرئيسية المرغوبة سريريًا ، بما في ذلك وظائف الأعضاء المتعددة ، والتنظيم الفعال (حتى 15 ضعفًا من الحث) ، وقابلية الانعكاس ، وإمكانية الضبط الدقيق للحث على التعبير بشكل متكرر. أتاح التقييم المنهجي للليجند ومستويات بلازما البروتين المراسل توصيف العلاقات بين الحرائك الدوائية والديناميكية الدوائية. وبالتالي ، فإن نتائجنا تدعم بقوة الجهود المستقبلية لتطوير محولات ريبوس هندسية للتطبيقات في العلاج الجيني السريري.

المنشطات المحصنة لأجهزة الاستشعار الحيوية للبروتين الخيفي الاصطناعي
  • سيلفاكومار إدواردراجا ،
  • Zhong Guo ،
  • جيسون ويتفيلد
  • إجناسيو ريتامال لانتاديلا ،
  • واين أ. جونستون ،
  • باتريشيا والدن ،
  • كلوديا إي فيكرز ، و
  • كيريل الكسندروف*

إن قدرة البروتينات على تحويل المدخلات والمخرجات البيوكيميائية غير ذات الصلة تدعم معظم معالجة الطاقة والمعلومات في علم الأحياء. تتضمن آلية التحويل الشائعة تغييرًا توافقيًا لمستقبلات البروتين استجابةً للرابط الرابط أو التعديل التساهمي ، مما يؤدي إلى تعديل النشاط الخيفي لمجال المستجيب. يعد تصميم مثل هذه الأنظمة بشكل منطقي هدفًا رئيسيًا للبيولوجيا التركيبية وهندسة البروتين. يعد النظام الحسي المكون من عنصرين والذي يعتمد على سقالات الوحدات في وجود مادة تحليلية أحد أكثر معماريات المستشعرات الحيوية قابلية للتعميم. مشكلة متأصلة في هذه الأنظمة هي اعتماد الاستجابة على التركيزات المطلقة والنسبية للمكونات. هنا نستخدم مثال الأنظمة الحسية المكونة من عنصرين على أساس مفاتيح التبديل الاصطناعية التي تعمل بالكالموديولين لتحليل هذه المشكلة ومعالجتها. قمنا ببناء إصدارات "محجوزة" من مجال التنشيط وبالتالي إنشاء حاجز ديناميكي حراري للتنشيط التلقائي للنظام. لقد أثبتنا أن أبنية المستشعر الحيوي المحصنة يمكن أن تعمل بتركيزات تمتد إلى 3 أوامر من حيث الحجم وقابلة للتطبيق على المستشعرات الحيوية الكهروكيميائية ، والإنارة ، والفلورية المكونة من عنصرين. قمنا بتحليل حركية التنشيط لأجهزة الاستشعار الحيوية المحصورة وقررنا أن المفتاح الخيفي الأساسي من المحتمل أن يكون مكون تحديد المعدل في النظام. توفر هذه النتائج إرشادات للهندسة التي يمكن التنبؤ بها لأنظمة حسية قوية مع مدخلات ومخرجات مختارة.

التغلب على تحديات البناء البلازميدي بحجم قاعدة ميغا في الإشريكية القولونية
  • تاكاهيتو موكاي* ,
  • تاتسويا يونجي
  • كايوكو يامادا ،
  • هيرونوبو فوجيتا
  • سيا نارا و
  • ماسايوكي سويتسوجو*

على الرغم من أن الإشريكية القولونية كانت أداة شائعة لبناء البلازميد ، إلا أنه يُعتقد أن هذه البكتيريا "غير مناسبة" لبناء بلازميد كبير يتجاوز حجمه 500 كيلو قاعدة. افترضنا أن نواقل البلازميد التقليدية قد تفتقر إلى بعض عناصر الحمض النووي التنظيمية المطلوبة للتكرار المستقر والفصل لمثل هذا البلازميد الكبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام عدد قليل من أنظمة إعادة التركيب الخاصة بالموقع قد يسهل استنساخ أجزاء كبيرة من الحمض النووي. نعرض هنا استراتيجيتين لبناء كروموسومات ثانوية بسعة 1 ميغا بايت (1 ميغا بايت) باستخدام نواقل جديدة للكروموسوم الاصطناعي البكتيري (BAC). أولاً ، تم تقسيم جينوم 3 ميجا بايت لسلالة الإشريكية القولونية المختزلة الجينوم إلى اثنين من الكروموسومات (2 ميجا بايت و 1 ميجا بايت) ، حيث يكون للكروموسوم الأصغر أصل النسخ المتماثل وموضع تقسيم Vibrio tubiashii الثانوي. كروموسوم. تعمل طريقة الانشطار الكروموسومي (استنساخ Flp-POP) عن طريق الاستئصال بوساطة flippase ، والذي يتزامن مع إعادة تجميع جين مقاومة الكلورامفينيكول المنفصل ، مما يسمح باختيار الكلورامفينيكول. بعد ذلك ، قمنا بتطوير طريقة استنساخ جديدة (استنساخ oriT-POP) وناقل BAC مجهز بالكامل (pMegaBAC1H) لتطوير بلازميد بسعة 1 ميجا بايت. تم نقل منطقتين جينوميتين بحجم 0.5 ميغا بايت بالتتابع من سلالتين مانحتين إلى سلالة متلقية عن طريق الاقتران وتم التقاطها بواسطة pMegaBAC1H في السلالة المتلقية لإنتاج بلازميد بسعة 1 ميجا بايت. كان هذا البلازميد 1 ميغا بايت ينتقل إلى سلالة أخرى من الإشريكية القولونية عن طريق الاقتران. علاوة على ذلك ، كانت هذه الكروموسومات الثانوية 1 ميجا بايت قابلة للتضخيم في المختبر باستخدام تفاعل دورة تكرار كروموسوم الإشريكية القولونية المعاد تشكيلها (RCR). ستجعل هذه الاستراتيجيات والتقنيات من خلايا الإشريكية القولونية مصنعًا منتجًا لهندسة الكروموسوم المصمم.

المستشعرات الحيوية المكونة من عنصرين: الكشف عن آليات التوليف الذي يمكن التنبؤ به

تم تخصيص العديد من الدراسات لهندسة المستشعرات الحيوية الخلوية من خلال استغلال المستشعرات الطبيعية الداخلية. ومع ذلك ، لا تعتمد أجهزة الاستشعار الحيوية على اكتشاف المدخلات فحسب ، بل تعتمد أيضًا على نطاق استجابة مناسب. لذلك من الضروري في كثير من الأحيان ضبط الأنظمة الطبيعية لتلبية متطلبات تطبيقات محددة بطريقة يمكن التنبؤ بها. في هذه الدراسة ، استكشفنا قابلية تخصيص أجهزة الاستشعار البكتيرية المكونة من عنصرين من خلال تعديل مكون المستشعر الحيوي الرئيسي ، أي بروتين المستقبل. لقد طورنا نموذجًا رياضيًا يصف العلاقة الوظيفية بين وفرة المستقبلات وعتبة التنشيط والحساسية والمدى الديناميكي ونطاق التشغيل. يسمح الإطار الرياضي المحدد بتصميم العمارة الجينية لجهاز استشعار حيوي مكون من عنصرين يمكن أن يعمل على النحو المطلوب مع الحد الأدنى من الهندسة الوراثية. للتحقق من صحة النموذج وتنبؤاته تجريبياً ، تم إنشاء مكتبة من أجهزة الاستشعار الحيوية. يشير التوافق الجيد بين التصميمات النظرية والنتائج التجريبية إلى أن تعديل وفرة بروتين المستقبل يسمح بتحسين تصميمات المستشعر الحيوي مع الحد الأدنى من الهندسة الوراثية.

إنتاج البروتين المؤتلف المستوحى من نمو البكتيريا في الإشريكية القولونية
  • باتريك ستارغاردت ،
  • لوكاس فوشتنهوفر ،
  • مونيكا سيرجان بوشمان ،
  • جيرالد ستريدنر و
  • يورجن مايرهوفر*

لا يزال تعديل تخصيص الموارد في البكتيريا لإعادة توجيه كتل البناء الأيضية إلى تكوين البروتينات المؤتلفة بدلاً من تكوين الكتلة الحيوية يمثل تحديًا كبيرًا في التكنولوجيا الحيوية. هنا ، نقدم نهجًا جديدًا لتحسين إنتاج البروتين المؤتلف (RPP) باستخدام الإشريكية القولونية (E. coli) عن طريق فصل تخليق البروتين المؤتلف عن نمو الخلية. لقد أظهرنا أن الانقسام الخلوي ونسخ mRNA للمضيف يمكن تثبيته بنجاح عن طريق تعايش الببتيد مثبط E. CDM). يربط الببتيد المثبط لـ RNAP بـ E.coli RNAP وبالتالي يمنع تشكيل σ-factor 70 بوساطة مجمعات المروج المفتوحة المؤهلة النسخية. وبالتالي ، يتم منع نسخ جينات المضيف المدفوعة بـ σ-factor 70 ، ويمكن استخدام موارد التمثيل الغذائي حصريًا لتخليق البروتين المطلوب (POI). هنا ، نحاكي المرحلة المتأخرة من عدوى العاثيات من خلال التعاون مع منظم أجنبي مشتق من الملتهمة يعيد برمجة الخلية المضيفة وبالتالي نكون قادرين على تحسين RPP بشكل كبير في ظل ظروف عملية التغذية ذات الصلة الصناعية على نطاق المفاعل الحيوي. لقد قمنا بتقييم إنتاج العديد من البروتينات المؤتلفة المختلفة بمقاييس مختلفة (من المقياس المجهري إلى 20 لترًا على مقياس دفعة واحدة) وتمكنا من تحسين إنتاجية البروتينات الكلية والقابلة للذوبان حتى 3.4 أضعاف مقارنة بنظام التعبير المرجعي E. coli BL21 (DE3). هذا النهج الجديد لـ RPP المنفصل عن النمو له آثار عميقة على التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية ويساعد على إنشاء عمليات تصنيع أكثر فعالية من حيث التكلفة وعامة للبيولوجيا والمواد الحيوية.

التركيب الحيوي المجهري متعدد المكونات لقلويدات الإندول الزرقاء غير الطبيعية
  • يوغان خاطري
  • روبرت إم هولمان ،
  • جوني ميندوزا
  • شاشا لي ،
  • أندرو إن لويل ،
  • Haruichi Asahara و
  • ديفيد هـ. شيرمان*

سهلت أدوات تسلسل الجينوم والمعلوماتية الحيوية تحديد والتعبير عن عدد متزايد من مجموعات الجينات الحيوية المشفرة (BGCs). ومع ذلك ، فإن التحليل الوظيفي لجميع مكونات المسار الأيضي لتحديد خصائص التحفيز الحيوي بدقة لا يزال مستهلكًا للوقت ويتطلب عمالة مكثفة. تتضمن إحدى طرق تسريع هذه العملية تخليق البروتين الخالي من الخلايا على نطاق مجهري (CFPS) لتحليل الجين المباشر للوظائف الكيميائية الحيوية ، والذي نادرًا ما تم تطبيقه لدراسة الأنظمة الأنزيمية متعددة المكونات في التمثيل الغذائي المتخصص. لقد سعينا إلى إنشاء اختبار نسخ / ترجمة في المختبر (TT) لتقييم تجميع المنتجات الطبيعية المشتقة من البكتيريا الزرقاء (cNPs) بسبب سمات النشاط الحيوي المتنوعة والتنوع الهيكلي المعقد. باستخدام نظام CFPS بما في ذلك فام D2 prenyltransferase الحامل للبلازميد من Fischerella ambigua UTEX 1903 ، أظهرنا إنتاج وسيط مركزي سابق التجهيز (3GC) في وجود جيرانيل بيروفوسفات خارجي (GPP) وإيزونيتريل cis-indole. Further addition of a plasmid bearing the famC1 Stig cyclase resulted in synthesis of both FamD2 and FamC1 enzymes, which was confirmed by proteomics analysis, and catalyzed assembly of 12-epi-hapalindole U. Further combinations of Stig cyclases (FamC1–C4) produced hapalindole U and hapalindole H, while FisC identified from Fischerella sp. SAG46.79 generated 12-epi-fischerindole U. The CFPS system was further employed to screen six unnatural halogenated cis-indole isonitrile substrates using FamC1 and FisC, and the reactions were scaled-up using chemoenzymatic synthesis and identified as 5- and 6-fluoro-12-epi-hapalindole U, and 5- and 6-fluoro-12-epi-fischerindole U, respectively. This approach represents an effective, high throughput strategy to determine the functional role of biosynthetic enzymes from diverse natural product BGCs.

Design and Experimental Evaluation of a Minimal, Innocuous Watermarking Strategy to Distinguish Near-Identical DNA and RNA Sequences
  • Francine J. Boonekamp ,
  • Sofia Dashko ,
  • Donna Duiker ,
  • Thies Gehrmann ,
  • Marcel van den Broek ,
  • Maxime den Ridder ,
  • Martin Pabst ,
  • Vincent Robert ,
  • Thomas Abeel ,
  • Eline D. Postma ,
  • Jean-Marc Daran , and
  • Pascale Daran-Lapujade*

The construction of powerful cell factories requires intensive and extensive remodelling of microbial genomes. Considering the rapidly increasing number of these synthetic biology endeavors, there is an increasing need for DNA watermarking strategies that enable the discrimination between synthetic and native gene copies. While it is well documented that codon usage can affect translation, and most likely mRNA stability in eukaryotes, remarkably few quantitative studies explore the impact of watermarking on transcription, protein expression, and physiology in the popular model and industrial yeast Saccharomyces cerevisiae. The present study, using S. cerevisiae as eukaryotic paradigm, designed, implemented, and experimentally validated a systematic strategy to watermark DNA with minimal alteration of yeast physiology. The 13 genes encoding proteins involved in the major pathway for sugar utilization (i.e., glycolysis and alcoholic fermentation) were simultaneously watermarked in a yeast strain using the previously published pathway swapping strategy. Carefully swapping codons of these naturally codon optimized, highly expressed genes, did not affect yeast physiology and did not alter transcript abundance, protein abundance, and protein activity besides a mild effect on Gpm1. The markerQuant bioinformatics method could reliably discriminate native from watermarked genes and transcripts. Furthermore, presence of watermarks enabled selective CRISPR/Cas genome editing, specifically targeting the native gene copy while leaving the synthetic, watermarked variant intact. This study offers a validated strategy to simply watermark genes in S. cerevisiae.

Cell-Free Bacteriophage Genome Synthesis Using Low-Cost Sequence-Verified Array-Synthesized Oligonucleotides
  • Huiran Yeom ,
  • Taehoon Ryu ,
  • Amos Chungwon Lee ,
  • Jinsung Noh ,
  • Hansaem Lee ,
  • Yeongjae Choi ,
  • Namphil Kim , and
  • Sunghoon Kwon*

Synthesizing engineered bacteriophages (phages) for human use has potential in various applications ranging from drug screening using a phage display to clinical use using phage therapy. However, the engineering of phages conventionally involves the use of an in vivo system that has low production efficiency because of high virulence against the host and low transformation efficiency. To circumvent these issues, de novo phage genome synthesis using chemically synthesized oligonucleotides (oligos) has increased the potential for engineering phages in a cell-free system. Here, we present a cell-free, low-cost, de novo gene synthesis technology called Sniper assembly for phage genome construction. With massively parallel sequencing of microarray-synthesized oligos, we generated and identified approximately 100 000 clonal DNA clusters in vitro and 5000 error-free ones in a cell-free environment. To demonstrate its practical application, we synthesized the Acinetobacter phage AP205 genome (4268 bp) using 65 sequence-verified DNA clones. Compared to previous reports, Sniper assembly lowered the genome synthesis cost (.0137/bp) by producing low-cost sequence-verified DNA.

SRNA-Based Screening Chromosomal Gene Targets and Modular Designing الإشريكية القولونية for High-Titer Production of Aglycosylated Immunoglobulin G
  • Jinhua Zhang ,
  • Yanshu Zhao ,
  • Yingxiu Cao ,
  • Zhenpeng Yu ,
  • Guoping Wang ,
  • Yiqun Li ,
  • Xiaoqiong Ye ,
  • Congfa Li ,
  • Xue Lin , and
  • Hao Song*

The production of the aglycosylated immunoglobulin G (IgG) in Escherichia coli has received wide interest for its analytical and therapeutic applications. To enhance the production titer of IgG, we first used synthetic sRNAs to perform a systematical analysis of the gene expression in the translational level in the glycolytic pathway (module 1) and the tricarboxylic acid (TCA) cycle (module 2) to reveal the critical genes for the efficient IgG production. Second, to provide sufficient amino acid precursors for the protein biosynthesis, amino acid biosynthesis pathways (module 3) were enhanced to facilitate the IgG production. Upon integrated engineering of these genes in the three modules (module 1, aceF module 2, gltA and acnA module 3, serB) and optimization of fermentation conditions, the recombinant E. coli enabled a titer of the full-assembled IgG of 4.5 ± 0.6 mg/L in flask cultures and 184 ± 9.2 mg/L in the 5 L high cell density fed-batch fermenter, which is, as far as we know, the highest reported titer of IgG production in recombinant E. coli.

Efficient Biosynthesis of Low-Molecular-Weight Poly-γ-glutamic Acid Based on Stereochemistry Regulation in عصية أميلوليكوفاسينس
  • Yuanyuan Sha ,
  • Yueyuan Huang ,
  • Yifan Zhu ,
  • Tao Sun ,
  • Zhengshan Luo ,
  • Yibin Qiu ,
  • Yijing Zhan ,
  • Peng Lei ,
  • Sha Li , and
  • Hong Xu*

Low-molecular-weight poly-γ-glutamic acid (LMW-γ-PGA) has attracted much attention because of its many potential applications in food, agriculture, medicine, and cosmetics. Enzymatic degradation is an efficient way for the synthesis of LMW-γ-PGA. However, the stereochemistry of γ-PGA limits the degradation of γ-PGA. This study identifies the role of γ-PGA synthase (pgsA) and glutamate racemase (racE) in the regulation of γ-PGA stereochemistry and demonstrates their combinational use for LMW-γ-PGA synthesis. First, the expression of pgsA and racE was enhanced, leading to improvements both in the molecular weight (Mw) and the d-glutamate proportion of γ-PGA. Then, an optimal combination of pgsA, racE, and γ-PGA hydrolase pgdS was constructed by exchanging the gene origins for the synthesis of LMW-γ-PGA. Finally, the Mw of γ-PGA was decreased to 6–8 kDa, which was much lower compared with the case without stereochemistry switching (20–30 kDa). This study provides a novel strategy to control the Mw of γ-PGA based on stereochemistry regulation and lays a solid foundation for synthesis of LMW-γ-PGA.

Development of Novel Riboswitches for Synthetic Biology in the Green Alga Chlamydomonas
  • Payam Mehrshahi ,
  • Ginnie Trinh D. T. Nguyen ,
  • Aleix Gorchs Rovira ,
  • Andrew Sayer ,
  • Marcel Llavero-Pasquina ,
  • Michelle Lim Huei Sin ,
  • Elliot J. Medcalf ,
  • Gonzalo I. Mendoza-Ochoa ,
  • Mark A. Scaife , and
  • Alison G. Smith*

Riboswitches are RNA regulatory elements that bind specific ligands to control gene expression. Because of their modular composition, where a ligand-sensing aptamer domain is combined with an expression platform, riboswitches offer unique tools for synthetic biology applications. Here we took a mutational approach to determine functionally important nucleotide residues in the thiamine pyrophosphate (TPP) riboswitch in the THI4 gene of the model alga Chlamydomonas reinhardtii, allowing us to carry out aptamer swap using THIC aptamers from Chlamydomonas and Arabidopsis thaliana. These chimeric riboswitches displayed a distinct specificity and dynamic range of responses to different ligands. Our studies demonstrate ease of assembly as 5′UTR DNA parts, predictability of output, and utility for controlled production of a high-value compound in Chlamydomonas. The simplicity of riboswitch incorporation in current design platforms will facilitate the generation of genetic circuits to advance synthetic biology and metabolic engineering of microalgae.

Improved Production of Malic Acid in الرشاشيات النيجر by Abolishing Citric Acid Accumulation and Enhancing Glycolytic Flux

Microbial fermentation was widely explored to produce malic acid. Previously, Aspergillus niger has been successfully engineered, and a high titer of malic acid was achieved with strain S575, but it also produced a high level of byproduct citric acid. Here, the capability of A. niger in malic acid biosynthesis was further improved by eliminating the accumulation of citric acid and enhancing glycolytic flux. Characterization of variant mutants suggested that disruption of cexA, a gene encoding citric acid transporter located on cell membrane, abolished citric acid accumulation. However, cexA-deficient strain S895 showed significantly decreased malic acid production. Further analysis of S895 indicated that the transcription level of genes involved in glucose transportation and glycolytic pathway was significantly reduced, and the corresponding enzyme activity was also lower than those of S575. Individual overexpression of genes encoding glucose transporter MstC and key enzymes (hexokinase HxkA, 6-phosphofructo-2-kinase PfkA, and pyruvate kinase PkiA) involved in irreversible reactions of glycolic pathway increased malic acid production. Accordingly, genes of mstC, hxkA, pfkA, and pkiA were overexpressed altogether in S895, and the resultant strain S1149 was constructed. The titer of malic acid in fed-batch fermentation with S1149 reached 201.13 g/L. Compared with S575, the byproduct of citric acid was completely abolished in S1149, and the ratio of malic acid/glucose was increased from 1.27 to 1.64 mol/mol, the highest yield reported so far, and the fermentation period was shortened from 9 to 8 days. Thus, a strain with great industrial application potential was developed by engineering nine genes in A. niger, and a pilot fermentation technology was exploited.

Genetic Engineering of Oligotropha carboxidovorans Strain OM5—A Promising Candidate for the Aerobic Utilization of Synthesis Gas
  • Daniel Siebert* ,
  • Tobias Busche ,
  • Aline Y. Metz ,
  • Medina Smaili ,
  • Bastian A. W. Queck ,
  • Jörn Kalinowski , and
  • Bernhard J. Eikmanns

Due to climate change and worldwide pollution, development of highly sustainable routes for industrial production of basic and specialty chemicals is critical nowadays. One possible approach is the use of CO2- and CO-utilizing microorganisms in biotechnological processes to produce value-added compounds from synthesis gas (mixtures of CO2, CO, and H2) or from C1-containing industrial waste gases. Such syngas fermentation processes have already been established, e.g., biofuel production using strictly anaerobic acetogenic bacteria. However, aerobic processes may be favorable for the formation of more costly (ATP-intensive) products. Oligotropha carboxidovorans strain OM5 is an aerobic carboxidotrophic bacterium and potentially a promising candidate for such processes. We here performed RNA-Seq analysis comparing cells of this organism grown heterotrophically with acetate or autotrophically with CO2, CO, and H2 as carbon and energy source and found a variety of chromosomally and of native plasmid-encoded genes to be highly differentially expressed. In particular, genes and gene clusters encoding proteins required for autotrophic growth (CO2 fixation via Calvin–Benson–Bassham cycle), for CO metabolism (CO dehydrogenase), and for H2 utilization (hydrogenase), all located on megaplasmid pHCG3, were much higher expressed during autotrophic growth with synthesis gas. Furthermore, we successfully established reproducible transformation of O. carboxidovorans via electroporation and developed gene deletion and gene exchange protocols via two-step recombination, enabling inducible and stable expression of heterologous genes as well as construction of defined mutants of this organism. Thus, this study marks an important step toward metabolic engineering of O. carboxidovorans and effective utilization of C1-containing gases with this organism.

A Reversibly Induced CRISPRi System Targeting Photosystem II in the Cyanobacterium متزامن ص. PCC 6803

The cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 is used as a model organism to study photosynthesis, as it can utilize glucose as the sole carbon source to support its growth under heterotrophic conditions. CRISPR interference (CRISPRi) has been widely applied to repress the transcription of genes in a targeted manner in cyanobacteria. However, a robust and reversible induced CRISPRi system has not been explored in Synechocystis 6803 to knock down and recover the expression of a targeted gene. In this study, we built a tightly controlled chimeric promoter, PrhaBAD-RSW, in which a theophylline responsive riboswitch was integrated into a rhamnose-inducible promoter system. We applied this promoter to drive the expression of ddCpf1 (DNase-dead Cpf1 nuclease) in a CRISPRi system and chose the PSII reaction center gene psbD (D2 protein) to target for repression. psbD was specifically knocked down by over 95% of its native expression, leading to severely inhibited photosystem II activity and growth of Synechocystis 6803 under photoautotrophic conditions. Significantly, removal of the inducers rhamnose and theophylline reversed repression by CRISPRi. Expression of PsbD recovered following release of repression, coupled with increased photosystem II content and activity. This reversibly induced CRISPRi system in Synechocystis 6803 represents a new strategy for study of the biogenesis of photosynthetic complexes in cyanobacteria.

Bottom-Up Construction of a Minimal System for Cellular Respiration and Energy Regeneration
  • Olivier Biner* ,
  • Justin G. Fedor ,
  • Zhan Yin , and
  • Judy Hirst*

Adenosine triphosphate (ATP), the cellular energy currency, is essential for life. The ability to provide a constant supply of ATP is therefore crucial for the construction of artificial cells in synthetic biology. Here, we describe the bottom-up assembly and characterization of a minimal respiratory system that uses NADH as a fuel to produce ATP from ADP and inorganic phosphate, and is thus capable of sustaining both upstream metabolic processes that rely on NAD+, and downstream energy-demanding processes that are powered by ATP hydrolysis. A detergent-mediated approach was used to co-reconstitute respiratory mitochondrial complex I and an F-type ATP synthase into nanosized liposomes. Addition of the alternative oxidase to the resulting proteoliposomes produced a minimal artificial “organelle” that reproduces the energy-converting catalytic reactions of the mitochondrial respiratory chain: NADH oxidation, ubiquinone cycling, oxygen reduction, proton pumping, and ATP synthesis. As a proof-of-principle, we demonstrate that our nanovesicles are capable of using an NAD+-linked substrate to drive cell-free protein expression. Our nanovesicles are both efficient and durable and may be applied to sustain artificial cells in future work.

Construction of Inducible Genetic Switch for the Global Regulator WblA To Sustain Both Overproduction of Tiancimycins and On-Demand Sporulation in ستربتوميسيس ص. CB03234
  • Fan Zhang ,
  • Die Gao ,
  • Jing Lin ,
  • Manxiang Zhu ,
  • Zhoukang Zhuang ,
  • Yanwen Duan* ، و
  • Xiangcheng Zhu*

The complex life cycle of streptomycetes is closely related to their secondary metabolisms, all controlled by cascade regulations. Tiancimycins (TNMs) are ten-membered enediynes possessing great potential for antitumor drug development. However, their low yields in Streptomyces sp. CB03234 have greatly limited subsequent studies. Through transcriptome analysis and genetic characterization, we proved that WblA is one pivotal global regulator to repress the biosynthesis of TNMs. The deletion of wblA could significantly enhance the production of TNMs, but also abolish the sporulation in CB03234. By constructing the NitR-ε-caprolactam inducible genetic switch, the expression of wblA was governed in CB03234-NRW, thereby sustaining the overproduction of TNMs and recovering the normal sporulation upon induction, which were practical for the scaled-up production of TNMs. Considering the prevalence and conserved regulatory roles of WblA in streptomycetes, our developed strategy shall provide an effective and practical approach to facilitate titer improvement and discovery of natural products.

High-Throughput Screening for Substrate Specificity-Adapted Mutants of the Nisin Dehydratase NisB
  • Xinghong Zhao ,
  • Rubén Cebrián ,
  • Yuxin Fu ,
  • Rick Rink ,
  • Tjibbe Bosma ,
  • Gert N. Moll , and
  • Oscar P. Kuipers*

Microbial lanthipeptides are formed by a two-step enzymatic introduction of (methyl)lanthionine rings. A dehydratase catalyzes the dehydration of serine and threonine residues, yielding dehydroalanine and dehydrobutyrine, respectively. Cyclase-catalyzed coupling of the formed dehydroresidues to cysteines forms (methyl)lanthionine rings in a peptide. Lanthipeptide biosynthetic systems allow discovery of target-specific, lanthionine-stabilized therapeutic peptides. However, the substrate specificity of existing modification enzymes impose limitations on installing lanthionines in non-natural substrates. The goal of the present study was to obtain a lanthipeptide dehydratase with the capacity to dehydrate substrates that are unsuitable for the nisin dehydratase NisB. We report high-throughput screening for tailored specificity of intracellular, genetically encoded NisB dehydratases. The principle is based on the screening of bacterially displayed lanthionine-constrained streptavidin ligands, which have a much higher affinity for streptavidin than linear ligands. The designed NisC-cyclizable high-affinity ligands can be formed via mutant NisB-catalyzed dehydration but less effectively via wild-type NisB activity. In Lactococcus lactis, a cell surface display precursor was designed comprising DSHPQFC. The Asp residue preceding the serine in this sequence disfavors its dehydration by wild-type NisB. The cell surface display vector was coexpressed with a mutant NisB library and NisTC. Subsequently, mutant NisB-containing bacteria that display cyclized strep ligands on the cell surface were selected via panning rounds with streptavidin-coupled magnetic beads. In this way, a NisB variant with a tailored capacity of dehydration was obtained, which was further evaluated with respect to its capacity to dehydrate nisin mutants. These results demonstrate a powerful method for selecting lanthipeptide modification enzymes with adapted substrate specificity.


Studying human and nonhuman primate evolutionary biology with powerful in vitro and in vivo functional genomics tools

In recent years, tools for functional genomic studies have become increasingly feasible for use by evolutionary anthropologists. In this review, we provide brief overviews of several exciting in vitro techniques that can be paired with "-omics" approaches (e.g., genomics, epigenomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics) for potentially powerful evolutionary insights. These in vitro techniques include ancestral protein resurrection, cell line experiments using primary, immortalized, and induced pluripotent stem cells, and CRISPR-Cas9 genetic manipulation. We also discuss how several of these methods can be used in vivo, for transgenic organism studies of human and nonhuman primate evolution. Throughout this review, we highlight example studies in which these approaches have already been used to inform our understanding of the evolutionary biology of modern and archaic humans and other primates while simultaneously identifying future opportunities for anthropologists to use this toolkit to help answer additional outstanding questions in evolutionary anthropology.

الكلمات الدالة: CRISPR-Cas9 ancestral protein reconstruction cell lines evolutionary genomics iPSCs in vitro assays transgenic organisms.


Techniques used in Molecular Biology

Some of the most important techniques used in molecular biology are as follows:

Molecular Biology techniques include characterization, isolation and manipulation of the molecular components of cells and organisms.

These components include DNA, the repository of genetic information RNA, functional and structural part of the translational apparatus and proteins, the major structural and enzymatic type of molecule in cells.

One of the most basic techniques of molecular biology to study protein function is expression cloning.

In this technique, DNA coding for a protein of interest is cloned (using PGR and/or restriction enzymes) into a plasmid (known as an expression vector).

This plasmid may have special promoter elements to drive production of the protein of interest, and may also have antibiotic resistance markers to help follow the plasmid.

( ثانيا ) Polymerase chain reaction:

The polymerase chain reaction is an extremely versatile technique for copying DNA. PCR allows a single DNA sequence to be copied (millions of times), or altered in predetermined ways. PGR has many variations, like reverse transcription PGR (RT-PGR) for amplification of RNA, and, more recently, real-time PGR (QPGR) which allow for quantitative measurement of j DNA or RNA molecules.

(iii) Gel electrophoresis:

Gel electrophoresis is one of the principal tools of molecular biology. The basic principle is that DNA, RNA, and proteins can all be separated by means of an electric field. In agarose gel electrophoresis, DNA and RNA can be separated on the basis of size by running the DNA through an agarose gel. Proteins can be separated on the basis of size by using SDS-PAGE (polyacrylamide ) gel.

(iv) Macromolecule blotting and probing Southern Blots:

The Southern blot is a method for probing for the presence of a specific DNA sequence within a DNA sample. These tools are widely used in forensic laboratories to identify individuals who have left blood or other DNA-containing material at the scene of crimes. The number of bands that hybridize to a short probe gives an estimate of the number of closely related genes in an organism.

The Northern blot is used to study the expression patterns of a specific type of RNA molecule as relative comparison among a set of different samples of RNA. The RNAs on the blot can be detected by hybridizing them to a labeled probe. The intensities of the band reveal the relative amounts of specific RNA in each sample.

Immunoblots (Western Blots):

Proteins can be detected and quantified in complex mixtures using immunoblots (or Western blots). Proteins are electrophoresed, then blotted on a membrane and the proteins on the blot are probed with specific antibodies that can be detected with labeled secondary antibodies or protein.

(v) DNA microarray:

A DNA array is a collection of spots attached to a solid support such as a microscope slide where each spot contains one or more single-stranded DNA oligonucleotide fragment. Arrays make it possible to put down a large quantity of very small (100 micrometre diameter) spots on a single slide. Each spot has a DNA fragment molecule that is complementary to a single DNA sequence (similar to Southern blotting).

A variation of this technique allows the gene expression of an organism at a particular stage in development to be qualified (expression profiling).

(vi) Antiquated technologies:

In molecular biology, procedures and technologies are continually being developed and older technologies abandoned. For example, before the advent of DNA gel electrophoresis (agarose or polyacrylainide), the size of DNA molecules was typically determined by rate sedimentation in sucrose gradients, a slow and labour-intensive technique requiring expensive instrumentation prior to sucrose gradients, viscometry was used.


Graham Hatfull

السل الفطري kills more people than any other single infectious agent. Since antibiotics are available and the BCG vaccine is in widespread use, why do two million people die each year from TB? The answer, in part, is that we really don't understand this curious bacterium or what parts of its genetic instructions make this such a deadly pathogen. At the heart of our strategies to understand mycobacterial genetics is the mycobacteriophages - viruses that infect the mycobacteria. These are easy to grow and manipulate and offer advantages over working with the slow-growing mycobacteria (such as مرض السل) that can take up to a month to produce a colony on an agar plate. Phages are also rich sources of potential genetic and molecular tools that can be used to study - and to modify - their bacterial hosts.

Here's just a flavor of some of the current studies going on in the lab:

Exploring bacteriophage genomics. In collaboration with Dr. Hendrix we have spearheaded an initiative to understand viral diversity and evolution. Our specific focus is on the genomic characterization of mycobactriophages, and a collection of about 250 complete genome sequences have been determined. Many of these phages were isolated and sequenced through three programs in which phage discovery and genomics is a platform for integrating our science and educational missions. These are the Pittsburgh Phage Hunters Integrating Research and Education (PHIRE) program, the Howard Hughes Medical Institute Science Education Alliance Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science (HHMI SEA-PHAGES) program, and a Univiersity of KwaZulu-Natal and KwaZulu-Nalat Research in TB and HIV (UKZN/K-RITH) workshop. These studies have not only provided valuable insights into phage diveristy and evolution, but present a rich and easily-accessible reservoir of genetic and mechanistic novelty for further study. A database of mycobaectriophage genomic infomration is available at http://www.phagesdb.org.

Exploiting mycobacteriophages. We are dissecting the mycobacteriophages to understand the functional roles of the thousands of genes we have identified, and to deternine if and when they are expressed, and how this expression is regulated. We are exploiting this information to develop tools and approaches that not only generate new tools for genetic manipulation for tuberculosis, but also to gain advances in diagnosis, prevention and treatment of the disease.

Site-specific recombination. Many if not most of the mycobacteriophages we have sequenced integrate their DNA into the host chromosome (and can excise them too). We are studying the mechanism of integrase-mediated site-specific recombination with a primary current focus on the serine-integrases. We are partiualrly interested in understanding how recomibnational directionality is determine in phage integration systems.

Tools - Genetic and Clinical. Studying the mycobacteria and their phages has great potential for the development of novel tools for their genetics but also for a more direct clinical involvement. Two systems we have been involved in developing are multivalent recombinant BCG vaccines and Luciferase Reporter Phages, but there are numerous additional strategies awaiting further development!


9.6: Tools for Studying Evolution - Biology

A caricature of Charles Darwin from the London Sketchbook (1874).

We study evolution for the same reasons that we study any subject — the thirst for knowledge, to understand the past and predict the future, and to organize our world. But the subject of evolution also has huge relevance to our world and current issues that concern all of us. Evolution was happening 150 million years ago when dinosaurs dominated the Earth, was happening in the 1830s when Charles Darwin landed on the Galapagos Islands during the voyage of the HMS Beagle, and it is happening today. It is occurring in every living species on the planet, right now.

Evolution is not just about fossils. It is also about molecules, genes, mutations, populations, and sex in living organisms. All of these things are primary sources of data about evolutionary processes that occur when organisms try to survive and reproduce. Evolution also is about rigorous analyses — what we must do with the data to say something that is scientifically defendable. So if you thought that evolutionary biology was limited to dusty old curators in dusty old museums, think again. Scientists at universities, research centers, and museums are conducting some of the most sophistocated analyses of any kind today, using some of the best prepared specimens, most advanced techniques, and fastest computers available. Nothing in biology can be truly understood without first understanding evolution.

معهد أبحاث الحفريات ومتحف الأرض التابع لها
1259 Trumansburg Road & bull Ithaca، NY 14850 USA
الهاتف: 607-273-6623 وفاكس الثور: 607-273-6620


Teaching an Online Introductory Biology Lab Using Evolution and Ecology Resources

This playlist can be used in an online, undergraduate (majors-level) introductory biology lab to incorporate core topics in evolution, diversity of life, and ecology. Using case studies, multimedia, and interactive resources, it engages students in data analysis and critical thinking. The topics covered include phylogeny, natural selection, speciation, viruses, bacteria, population ecology, community ecology, ecosystem ecology, and climate change.

This playlist can be used to teach six 3-hour (180-minute) labs in a lab course for a total of 1080 minutes of instruction over a semester.

Lab 1: Evolution

By completing the resources in this lab (resources 1–2 in this playlist), students will be able to:

  • Explain how molecular sequences, such as DNA, can be used to study evolutionary relationships.
  • Summarize the process and goals of DNA sequence alignment.
  • Interpret a phylogenetic tree.
  • Collect and analyze data to quantify phenotypic diversity among populations.
  • Explain how similarities or differences in traits can evolve as adaptations to similar or different environmental conditions.
  • Perform statistical calculations, including calculations for the mean, standard deviation, standard error of the mean (SEM), and the 95% confidence interval.

Lab 2: Viruses

By completing the resources in this lab (resources 3–5 in this playlist), students will be able to:

  • List the ways in which viruses can differ from each other.
  • Identify different components and characteristics of viruses and their role in infection.
  • Calculate the size of a virus relative to a human cell.
  • Use information collected in case studies to distill complex, real-world data, and perform basic calculations to make decisions on the spread of an infectious disease.
  • Analyze and interpret data from a scientific figure.
  • Explain the term zoonotic disease and discuss some of the global patterns in mammals that carry these diseases.
  • Use appropriate scientific terms, including “reservoir” and “spill over,” in describing a disease outbreak.

Lab 3: Microbes

By completing the resources in this lab (resources 6–8 in this playlist), students will be able to:

  • Make observations on an ongoing experiment.
  • Make inferences based on observations.
  • Describe variation in microbes and their role in the environment.

Lab 4: Population Ecology

By completing the resources in this lab (resources 9–11 in this playlist), students will be able to:

  • Develop scientific explanations and justify claims using evidence.
  • Calculate elephant density with sample aerial survey data using the strip transect sampling method.
  • Identify the advantages and disadvantages of different survey methods.
  • Analyze and interpret gel electrophoresis results to determine relationships between individuals and populations.
  • Use allele frequencies to calculate the probability of two individuals sharing the same genetic profile.
  • Explain how the geographic and genetic distances between two populations are related.
  • Explain how genetic data helps law enforcement officers and conservationists decide where to target their efforts.

Lab 5: Community and Ecosystem Ecology

By completing the resources in this lab (resources 12–14 in this playlist), students will be able to:

  • Make connections between climate, vegetation, and biodiversity to describe biome characteristics.
  • Identify the types of data needed to test different niche partitioning mechanisms.
  • Make claims and offer explanations based on authentic field data.
  • Identify limitations of traditional forms of data collection.
  • Use DNA sequence data to identify animal and plant species.
  • Analyze data using statistical methods.
  • Predict whether different organisms in an ecosystem have positive or negative effects on other organisms in that ecosystem.
  • Predict how an ecosystem may change when a particular organism is introduced or removed, based on the evidence provided.

Lab 6: Human Impacts

By completing the resources in this lab (resources 15–20 in this playlist), students will be able to:

  • Describe recent patterns and trends in atmospheric carbon dioxide concentrations.
  • Explain the role of atmospheric CO 2 in ocean acidification.
  • Explain the role of atmospheric CO 2 in global warming.
  • Explain how similarities or differences in traits can evolve as adaptations to similar or different environmental conditions.
  • Use scientific observations to explain how a population changes over time due to human impacts.
  • Explain how the selective pressures on a population may impact the frequencies of phenotypes in a population.
  • Analyze quantitative data in order to make predictions based on evidence.

Lab 5: Biotechnology

By completing the resources in this lab (resources 11–14 in this playlist), students will be able to:


Evolution of monogamous marriage by maximization of inclusive fitness

The majority of human societies allow polygynous marriage, and the prevalence of this practice is readily understood in evolutionary terms. Why some societies prescribe monogamous marriage is however not clear: current evolutionary explanations—that social monogamy increases within-group co-operation, giving societies an advantage in competition with other groups—conflict with the historical and ethnographic evidence. We show that, within the framework of inclusive fitness theory, monogamous marriage can be viewed as the outcome of the strategic behaviour of males and females in the allocation of resources to the next generation. Where resources are transferred across generations, social monogamy can be advantageous if partitioning of resources among the offspring of multiple wives causes a depletion of their fitness value, and/or if females grant husbands higher fidelity in exchange for exclusive investment of resources in their offspring. This may explain why monogamous marriage prevailed among the historical societies of Eurasia: here, intensive agriculture led to scarcity of land, with depletion in the value of estates through partitioning among multiple heirs. Norms promoting high paternity were common among ancient societies in the region, and may have further facilitated the establishment of social monogamy. In line with the historical and ethnographic evidence, this suggests that monogamous marriage emerged in Eurasia following the adoption of intensive agriculture, as ownership of land became critical to productive and reproductive success.

Data S1 Theoretical framework.

الجدول S1 Summary of the possible strategies.

الجدول S2 Symbols used in the model.

Figure S1 Stability of ‘‘suspicious’’ monogamous males for صح = 0.5.

كخدمة لمؤلفينا وقرائنا ، توفر هذه المجلة المعلومات الداعمة المقدمة من المؤلفين. Such materials are peer-reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. يجب توجيه مشكلات الدعم الفني الناشئة عن المعلومات الداعمة (بخلاف الملفات المفقودة) إلى المؤلفين.

اسم الملف وصف
JEB_1884_sm_si_SuppInfo.pdf251.5 KB دعم عنصر المعلومات

يرجى ملاحظة ما يلي: الناشر غير مسؤول عن محتوى أو وظيفة أي معلومات داعمة مقدمة من المؤلفين. يجب توجيه أي استفسارات (بخلاف المحتوى المفقود) إلى المؤلف المقابل للمقالة.


9.6: Tools for Studying Evolution - Biology

Methodologies for studying protein co-evolution

Co-evolution, which can be defined as interdependence of evolutionary histories, is a fundamental part of evolutionary theories from the times of C. Darwin himself. Inter-species co-evolution and co-adaptation is known to have a large effect on the evolutionary paths and characteristics of the involved organisms. More recently, co-evolutionary concepts have been brought to the molecular level. The evolution of many genes/proteins is not independent but entangled to that of others. The same happens at a lower level for individual residues within proteins. Molecular co-evolution can be due to specific co-adaptation between the two co-evolving elements, where changes in one of them are compensated by changes in the other, or by a less specific external force affecting the evolutionary rates of both elements in a similar magnitude. In both cases, independently of the underlying cause, co-evolutionary signatures between genes/proteins serve as markers of physical interactions and/or functional relationships. For this reason, a plethora of computational methods emerged for studying co-evolution at the protein or residue level so as to predict features such as protein-protein interactions, residue contacts within protein structures and protein functional sites. Co-evolution allows proteins to change while maintaining their interactions and, consequently, it plays a very important role in key biological systems. For this reason, the application of those co-evolution inspired methodologies allowed to gain insight into de functioning of these systems.

Available co-evolution related methods

Software Availability

Servers and Databases

Simple inter-position co-evolution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

Mutual information corrected (Mip)

Inter-position co-evolution without phylogenetic contribution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

Simple inter-position co-evolution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

One small alignment [optional: second alignment or pdb]

Inter-position co-evolution without phylogenetic contribution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

Pair specific Inter-position co-evolution

Protein contacts (ab initio protein structure prediction)

Pair specific Inter-position co-evolution

Protein contacts (ab initio protein structure prediction)

One family alignment [optional pdb and/or tree]

Ligand and protein interaction specificity

One family alignment and a tree

Ligand and protein interaction specificity

Ligand and protein interaction specificity

Ligand and protein interaction specificity

Binary files for every OS (*)

Ligand and protein interaction specificity

Intra-protein pathways (allostery)

Subfamily -specific conservation

Intra-protein pathways (allostery)

Two alignments of orhtologous sequences

Simple Inter-protein co-evolution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Two alignments of orhtologous sequences

Simple Inter-protein co-evolution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Sequence distance matrixes for two sets of orthologous and for the species tree (16S rRNA tree)

Inter-protein co-evolution without phylogenetic contribution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Evolutionary distances of a big set of groups of orthologs

Pair specific inter-protein co-evolution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Sequence distance matrixes for two sets of homologs

Inter-protein co-evolution of the strngest co-evolving sequence in the alignments


شاهد الفيديو: مشروع الاحياء 1 اولى ثانوي مسارات البكتيريا (أغسطس 2022).