بررسی محاسباتی ویژگی‌های ساختاری، عملکردی و دامنه میزبانی آنزیم‌های موثر در تولید و تجمع لیپید در قارچ‌های روغنی

نویسندگان

1 گروه زیست شناسی، علوم و تحقیقات خراسان رضوی، دانشگاه آزاد اسلامی، نیشابور، ایران

2 گروه سلولی و مولکولی، پژوهشکده فناوری زیستی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 پژوهشکده بیوتکنولوژی- سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران- تهران- ایران

چکیده
بیودیزل سوختی پاک، تجدیدپذیر، زیست‌تخریب‌پذیر، عاری از گوگرد و ترکیبات آروماتیک با منابع اولیه مشتق از چربی‌های حیوانی، گیاهی، جلبک‌ها، قارچ‌ها و باکتری‌ها می‌باشند. درمیان این منابع، قارچ‌های روغنی با توجه به قابلیت بالای سنتز و تجمع تری‌آسیل‌گلیسرول، به عنوان منابع بسیار مطلوب تامین زیست توده بیودیزلی گزارش شده‌اند. لذا به منظور ارائه راهکارهایی در جهت افزایش راندمان تولید مبتنی بر فناوری‌های نوین زیستی، پایش مکانیسم‌های مولکولی مرتبط با تولید و تجمع لیپید در این ارگانیسم‌ها می‌تواند راهگشا باشد، که در این تحقیق در دستور کار قرار گرفت. به این منظور واکاوی مکانیسم‌های مولکولی مرتبط منجربه آشکارسازی آنزیم‌های‌ موثر در تولید و تجمع لیپید در گونه‌های مختلف قارچ‌های روغنی شد. پایش ویژگی‌های ساختاری این ژن‌ها، ضمن ارائه طول و محتوی CG متفاوت، پیوسته بودن تمامی آنها را مشخص نمود. بررسی ویژگی‌های ساختاری آنزیم‌های مذکور علاوه بر تعیین موقعیت سلولی آنها، حضور دمین‌های عملکردی MAO1_MF، Malic_M و malic را در تمامی آنها با قابلیت تاثیرپذیری از تغییرات پس از ترجمه را نشان داد. تشابه‌یابی پروتئینی این آنزیم‌ها، منجربه معرفی گونه‌های قارچی با قابلیت احتمالی تولید چربی شد. از سویی دیگر، مدل‌سازی ساختاری آنزیم‌ها و شبه آنزیم‌های مالیک انتخابی ضمن ایجاد مدل‌های ساختاری مناسب، کیفیت و کارایی مطلوب آنها در اتصال به مالات را آشکار نمود. به طورکلی، نتایج حاصل از این تحقیق ضمن معرفی گونه‌های قارچی مناسب در تامین زیست توده بیودیزلی، منجربه معرفی آنزیم‌های موثر با ویژگی‌های خاص شد که می‌تواند در ردیابی سویه‌های توانا در تولید بیودیزل و یا تراریخت‌سازی مفید واقع گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Li, X., Xu, H. &Wu, Q. (2007). Large‐scale biodiesel production from microalga Chlorella protothecoides through heterotrophic cultivation in bioreactors. Biotechnologyand bioengineering.98(4),764-771.
Spolaore, P., Joannis-Cassan, C., Duran ,E. &Isambert, A. (2006). Commercial applications of microalgae. Journal of bioscience and bioengineering.101(2),87-96.
Van Gerpen, J. (2004). Business management for biodiesel producers. Report from IowaState University for the National Renewable Energy Laboratory, NREL/SR-510-36242.
Demirbaş, A. (2003). Biodiesel fuels from vegetable oils via catalyticand non-catalytic supercritical alcohol transesterifications and other methods: a survey. Energy conversion and Management44(13),2093-2109.
Demirbas, A. (2004). Bioenergy, global warming, and environmental impacts. Energy Sources2,236-225.
Xiaohua, W. &Zhenmin, F. (2004). Biofuel use and its emission of noxious gases in rural China. Renewable and Sustainable Energy Reviews8(2),183-192.
Demirbas, A. (2008). Comparison of transesterification methods for production of biodiesel from vegetable oils and fats. Energy conversion and Management49(1),125-130.
Puppan, D. (2002). Environmental evaluation of biofuels. Social and Management Sciences10(1),95-116.
Demirbas, M. &Balat, M. (2006). Recent advances on the production and utilization trends of bio-fuels: a globalperspective. Energy conversion and Management47(15),2371-2381
Knothe, G. (2005). Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters. Fuel processing technology86(10),1059-1070
Fuga, J. &Collier, V.(2013).Genetic and metabolic engineering of escherichiaCOLI for biofuel productionasan alternative fuel source.
Hill, J., Nelson, E., Tilman, D., Polasky, S. &Tiffany, D. (2006). Environmental, economic, and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels. Proceedings of the National Academy of Sciences103(30),11206-11210
Searchinger, T., Heimlich, R., Houghton ,R. A., Dong, F., Elobeid, A., Fabiosa, J., Tokgoz, S., Hayes, D. &Yu, T.-H. (2008). Use of US croplands for biofuels increases greenhouse gases through emissions from land-use change. Science319(5867),1238-1240.
Azocar, L., Ciudad, G., Heipieper, H. J. &Navia, R. (2010). Biotechnological processes for biodiesel production using alternative oils. Appl Microbiol Biotechnol88(3),621-636.
Rossi, M., Amaretti, A., Raimondi, S. &Leonardi, A. (2011). Getting lipids for biodiesel production from oleaginous fungi. Feedstocks and Processing Technologies.
Henry, S. A., Kohlwein, S. D. &Carman, G. M. (2012). Metabolism and regulation of glycerolipids in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Genetics190(2),317-349.
Li, Q., Du, W. &Liu, D. (2008). Perspectives of microbial oils for biodiesel production. Appl Microbiol Biotechnol.756-749(5)80
assonova, D. R., Hammond, E. G. &Beattie, S. E. (2008). Oxidative stability of polyunsaturated triacylglycerols encapsulated in oleaginous yeast. Journal of the American Oil Chemists' Society85(8),711-716.
Beopoulos, A., Cescut, J., Haddouche, R., Uribelarrea, J. L., Molina-Jouve, C .&Nicaud, J. M. (2009). Yarrowia lipolytica as a model for bio-oil production. Prog Lipid Res48(6),375-387.
Li, C. H., Cervantes, M., Springer, D. J., Boekhout, T., Ruiz-Vazquez, R. M., Torres-Martinez, S. R. ,Heitman, J. &Lee, S. C. (2011). Sporangiospore size dimorphism is linked to virulence of Mucor circinelloides. PLoS Pathog7(6),e1002086.
Ratledge, C. (2004). Fatty acid biosynthesis in microorganisms being used for Single Cell Oil production. Biochimie86(11),807-815
Wynn, J. P., bin Abdul Hamid, A. &Ratledge, C. (1999a). The role of malic enzyme in the regulation of lipid accumulation in filamentous fungi. Microbiology145(8),1911-1917
Wynn, J. P., bin Abdul Hamid, A. &Ratledge, C. (1999b). The role of malic enzyme in the regulation of lipid accumulation in filamentous fungi. Microbiology145 ( Pt 8): 1911-1917
Li, Y., Adams, I. P., Wynn, J. P. &Ratledge, C. (2005). Cloning and characterization of a gene encoding a malic enzyme involved in anaerobic growth in Mucor circinelloides. Mycol Res109(Pt 4),461-468.
Wynn, J. P., Kendrick, A. &Ratledge, C. (1997). Sesamol as an inhibitor of growth and lipid metabolism in Mucor circinelloides via its action on malic enzyme. Lipids32(6),605-610
Zhang, Y., Adams, I. P. &Ratledge, C. (2007). Malic enzyme: the controlling activity for lipid production? Overexpression of malic enzyme in Mucor circinelloides leads to a 2.5-fold increase in lipid accumulation. Microbiology153(7),2013-2025.
Felizardo, P., Neiva Correia, M. J., Raposo, I., Mendes, J. F., Berkemeier, R. &Bordado, J. M. (2006). Production of biodiesel from waste frying oils. Waste management26(5), 487-494
Kulkarni, M. G. &Dalai, A. K. (2006). Waste cooking oil an economical source for biodiesel: a review. Industrial & engineering chemistry research45(9), 2901-2913.
Ma, Y. (2006). Microbial oils and its research advance. Chinese Journal of Bioprocess Engineering4(4), 7-11.
Oelkers, P., Cromley, D., Padamsee, M., Billheimer, J. T. &Sturley, S. L. (2002). The DGA1 gene determines a second triglyceride synthetic pathway in yeast. J Biol Chem277(11),8877-8881.
Sandager ,L., Gustavsson, M. H., Ståhl, U., Dahlqvist, A., Wiberg, E., Banas, A., Lenman, M., Ronne, H. &Stymne, S. (2002). Storage lipid synthesis is non-essential in yeast. Journal of Biological Chemistry277(8),6478-6482.
Yan, S., Tang, Z., Su, W. &Sun, W. (2005). Proteomic analysis of salt stress-responsive proteins in rice root. PROTEOMICS5(1), 235-244
Dixon, B. (1991). Glycosylation Enhances Stability. Nature biotechnology9(5),418-418
Larkin, A. &Imperiali, B. (2011). The expanding horizons of asparagine-linked glycosylation. Biochemistry50(21),4411-4426.
Coleman, D. E., Rao, G. J., Goldsmith, E., Cook, P. F. &Harris, B. G. (2002). Crystal structure of the malic enzyme from Ascaris suum complexed with nicotinamide adenine dinucleotide at 2.3 Å resolution. Biochemistry41(22),6928-6938
Vorapreeda, T., Thammarongtham, C., Cheevadhanarak, S. &Laoteng, K. (2013). Repertoire of malic enzymes in yeast and fungi: insight into their evolutionary functional and structural significance. Microbiology159(Pt 12),2548-2557.
Long, J. J., Wang, J.-L. &Berry, J. O. (1994). Cloning and analysis of the C4 photosynthetic NAD-dependent malic enzyme of amaranth mitochondria. Journal of Biological Chemistry269(4), 2827-2833
Loeber, G., Infante, A., Maurer-Fogy, I., Krystek, E. &Dworkin, M. (1991). Human NAD (+)-dependent mitochondrial malic enzyme. cDNA cloning, primary structure, and expression in Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry266(5), 3016-3021
Gasteiger, E., Hoogland, C., Gattiker, A., Wilkins, M. R., Appel, R. D. &Bairoch, A. (2005). Protein identification and analysis tools on the ExPASy server.Springer
Kim, Y.-J., Shim, J.-S., Krishna, P. R., Kim, S.-Y., In, J.-G., Kim, M.-K. &Yang, D.-C. (2008).Isolation and characterization of a glutaredoxin gene from Panax ginseng CA Meyer. Plant molecular biology reporter26(4),335-349.
Van Der Giezen, M., Rechinger, K. B., Svendsen, I., Durand, R., Hirt, R. P., Fevre, M., Embley, T. M. &Prins, R. A. (1997). A mitochondrial‐like targeting signal on the hydrogenosomal malicenzyme from the anaerobic fungus Neocallimastix frontalis: support for the hypothesis that hydrogenosomes are modified mitochondria. Molecular microbiology23(1),11-21
ang, W., Zhang, S.,Tan, H. &Zhao, Z. K. (2010). Molecular cloning and characterization of a malic enzyme gene from the oleaginous yeast Lipomyces starkeyi. Molecular biotechnology45(2),121-128.
Odabasi, Z., Paetznick, V. L., Rodriguez, J. R., Chen, E. &Ostrosky-Zeichner, L. (2004). In vitro activity of anidulafungin against selected clinically important mold isolates. Antimicrobial agents and chemotherapy48(5), 1912-1915
Somashekar, D., Venkateshwaran, G., Sambaiah, K. &Lokesh, B. (2003). Effect of culture conditions on lipid and gamma-linolenic acid production by mucoraceous fungi. Process Biochemistry38(12), 1719-1724.
De, B., Chaudhury, S. &Bhattacharyya, D. (1999). Effect of nitrogen sources on γ-linolenic acid accumulation in Spirulina platensis. Journal of the American Oil Chemists' Society76(1), 153-156
Zago, E., Botton, V., Alberton, D., Córdova, J. s., Yamamoto, C. I., Cocco, L. C., Mitchell, D. A. &Krieger, N. (2014). Synthesis of ethylic esters for biodieselpurposes using lipases naturally immobilized in a fermented solid produced using Rhizopus microsporus. Energy & Fuels28(8), 5197-5203
Van Leeuwen, J., Khanal, S. K., Pometto, A. L., Rasmussen, M. L. &Mitra, D. (2013).Fungi cultivation on alcohol fermentation stillage for useful products and energy savings. Google Patents
Peixoto-Nogueira, S., Sandrim, V., Guimaraes, L., Jorge, J., Terenzi, H. &Polizeli, M. (2008). Evidence of thermostable amylolytic activity from Rhizopus microsporus var. rhizopodiformis using wheat bran and corncob as alternative carbon source. Bioprocess and biosystems engineering31(4), 329-334.
Colovos, C. &Yeates, T. O. (1993). Verification of protein structures: patterns of nonbonded atomic interactions. Protein science: a publication of the Protein Society2(9),1511.
Xu, Y., Bhargava ,G., Wu, H., Loeber, G. &Tong, L. (1999). Crystal structure of human mitochondrial NAD (P)+-dependent malic enzyme: a new class of oxidative decarboxylases. Structure7(8),877-889.
Chang, G.-G. &Tong, L. (2003). Structure and function of malic enzymes, a new class of oxidative decarboxylases. Biochemistry42(44),12721-1273.3.