شماره ركورد
24839
شماره راهنما
BIO3 206
عنوان
بازسازي شبكه متابوليك اگزوفيالا اسپنيفرا براي بهبود فرآيند گوگردزدايي زيستي از دي بنزوتيوفن
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
زيست شناسي -ميكروبيولوژي
دانشكده
علوم و فناوريهاي زيستي
تاريخ دفاع
1404/05/06
صفحه شمار
89 ص.
استاد راهنما
دكتر زهرا اعتمادي فر , دكتر جان كيلبن
استاد مشاور
دكتر محمد حسين كريمي جعفري
كليدواژه فارسي
اگزوفيالا اسپينيفرا , گوگردزدايي زيستي , دي¬بنزوتيوفن , زيست¬شناسي سامانه¬ها , مدل متابوليك مبتني بر ژنوم
چكيده فارسي
چكيده
سويه قارچي اگزوفيالا اسپينيفرا FM، يك مخمر سياه جدا شده از خاك آلوده به نفت، به خاطر توانايي قابل توجه در استفاده از تركيبات آروماتيك چندحلقهاي حاوي گوگرد مانند ديبنزوتيوفن (DBT) به عنوان تنها منبع گوگرد، كانديداي اميدواركنندهاي براي استفاده در گوگردزدايي زيستي محسوب ميشود. با وجود مزاياي روشهاي زيستي در حذف تركيبات گوگردي پيچيده، مكانيسمهاي متابوليكي و مسيرهاي مولكولي دخيل در اين فرآيند در اين سويه به خوبي شناخته نشدهاند. هدف اصلي اين مطالعه، بررسي قابليتهاي متابوليك اگزوفيالا اسپينيفرا سويه FM از طريق تعيين توالي و تجزيه و تحليل ژنوم و سپس بازسازي مدل متابوليك مبتني بر ژنوم اين سويه جهت درك سيستماتيك متابوليسم و مسيرهاي گوگردزدايي آن است.
در اين مطالعه، با استفاده از فناوري ايلومينا، توالي كامل ژنوم اگزوفيالا اسپينيفرا سويه FMتعيين شد. كيفيت دادهها با نرمافزار FastQC ، حذف آداپتور و پيرايش با نرمافزار TRIMMOMATIC انجام شد و ژنوم با نرمافزار SPAdes مونتاژ گرديد. سپس ارزيابي و پيشبيني ژنها با استفاده از Augustus و BUSCO انجام شد. براي تقويت حاشيهنويسي، از ابزار BLAST و پايگاههاي داده KEGG، UNIPROT و NCBI استفاده شد. كلاسترهاي بيوسنتزي با نرمافزار AntiSMASH شناسايي شدند. بازسازي مدل متابوليك بر اساس توالي ژنوم با استفاده از جعبهابزار RAVEN در محيط متلب صورت گرفت و شكافهاي متابوليكي مدل اوليه توسط تابع FastGapFill از جعبهابزار COBRA پر شدند. اصلاحات دستي و بهينهسازي مدل از طريق نسخه پايتون COBRA انجام شد. اعتبارسنجي مدل شامل آناليز توازن شار، تحليل قيمت سايه و آناليز ضروري بودن ژنها بود.
در نهايت مدل با نام iEsp1694، به عنوان اولين مدل متابوليك مبتني بر ژنوم براي اگزوفيالا اسپينيفرا بازسازي شد. اين مدل شامل 4438 واكنش، 1694 ژن و 3019 متابوليت در 14 محفظه درون سلولي است. از ميان اين واكنشها 1088 واكنش انتقالي، 297 واكنش تبادل و 3052 واكنش متابوليكي است. در اين مدل 95 درصد از واكنشهاي متابوليك حداقل به يك ژن مرتبط هستند. از اين 1694 ژن، 48.8٪ تك عملكردي هستند در حالي كه بقيه ژن ها (768) در بيش از يك واكنش در مدل شركت دارند. از نظر يكپارچگي مدل، 1321 متابوليت در دو واكنش متابوليك، 395 در سه واكنش و 840 متابوليت در بيش از سه واكنش شركت دارند. اين مدل طيف وسيعي از واكنشهاي متابوليك اگزوفيالا اسپينيفرا از جمله مسيرهاي متابوليكي كليدي مانند متابوليسم مركزي، بيوسنتز اسيدهاي آمينه، متابوليسم نوكلئوتيد، و متابوليسم گوگرد و حتي مسير تجزيه زنوبيوتيكهايي مانند PET و آترازين را در بر ميگيرد. مدل توانسته است مشاهدات تجربي پيشين را پيشبيني و توجيه كند و به درك بهتر فرآيند گوگردزدايي زيستي كمك نمايد. تحليل قيمت سايه نشان داد كه متابوليتهاي 3-فسفو-5-آدنيليل سولفات، 5-آدنيليل سولفات و سولفات كولين در شرايط استفاده از ديبنزوتيوفن به عنوان منبع گوگرد، متابوليتهاي پرهزينهاي براي سلول هستند.
iEsp1694 چارچوبي جامع براي درك قابليتهاي متابوليكي اين سويه قارچي ارزشمند را فراهم ميكند و به عنوان يك منبع ارزشمند براي مطالعات آينده با هدف بهرهبرداري بهتر از اگزوفيالا اسپينيفرا براي مقاصد صنعتي و پيشنهاد فرضيههاي مدل محور بيشتر ميباشد و ميتواند مبنايي براي مهندسي متابوليك و بهينهسازي فرآيندهاي گوگردزدايي زيستي در آينده باشد.
كليدواژه¬ها: اگزوفيالا اسپينيفرا، گوگردزدايي زيستي، دي¬بنزوتيوفن، زيست¬شناسي سامانه¬ها، مدل متابوليك مبتني بر ژنوم
كليدواژه لاتين
Exophiala spinifera , Biodesulfurization , Dibenzothiophene , System biology , Genome-scale metabolic model.
عنوان لاتين
Metabolic network reconstruction of Exophiala spinifera for dibenzothiophene biodesulfurization improvement
گروه آموزشي
زيست شناسي سلولي مولكولي و ميكروبيولوژي
چكيده لاتين
Abstract
The fungal strain Exophiala spinifera FM, a black yeast isolated from oil-contaminated soil, possesses the ability to utilize polycyclic aromatic sulfur compounds such as dibenzothiophene (DBT) as its sole sulfur source, making it a promising candidate for biodesulfurization applications. Despite the advantages of biological methods in removing complex sulfur compounds, the metabolic mechanisms and molecular pathways involved in this process remain poorly understood in this strain. The primary objective of this study was to investigate the metabolic capabilities of Exophiala spinifera strain FM through genome sequencing and analysis, followed by reconstruction of a genome-scale metabolic model to comprehensively understand its metabolism and desulfurization pathways.
In this study, Illumina technology was used to sequence the complete genome of Exophiala spinifera strain FM. Data quality was assessed using FastQC, adapter removal and trimming were performed with Trimmomatic, and the genome was assembled using SPAdes. Gene prediction and evaluation were conducted using Augustus and BUSCO. Annotation was enhanced using BLAST and databases such as KEGG, UniProt, and NCBI. Biosynthetic gene clusters were identified using AntiSMASH. Metabolic model reconstruction was performed using the RAVEN toolbox in MATLAB, and metabolic gaps in the draft model were filled using the FastGapFill function from the COBRA toolbox. Manual refinements and model optimization were carried out using the Python version of COBRA. Model validation included flux balance analysis, shadow price analysis, and gene essentiality assessment.
The final model, named iEsp1694, represents the first genome-scale metabolic model for Exophiala spinifera. It comprises 4,438 reactions, 1,694 genes, and 3,019 metabolites distributed across 14 intracellular compartments. Among these reactions, 1,088 are transport reactions, 297 are exchange reactions, and 3,052 are metabolic reactions. In this model, 95% of metabolic reactions are associated with at least one gene. Of the 1,694 genes, 48.8% are monofunctional, while the remaining (768) participate in multiple reactions. In terms of model connectivity, 1,321 metabolites are involved in two metabolic reactions, 395 in three reactions, and 840 in more than three reactions.
The model encompasses a wide range of metabolic reactions in Exophiala spinifera, including key pathways such as central metabolism, amino acid biosynthesis, nucleotide metabolism, sulfur metabolism, and even xenobiotic degradation pathways for compounds like PET and atrazine. The model successfully predicted and explained prior experimental observations, contributing to a better understanding of biodesulfurization processes. Shadow price analysis revealed that metabolites such as 3ʹ-phospho-5ʹ-adenylyl sulfate, 5ʹ-adenylyl sulfate, and choline sulfate are costly for the cell when dibenzothiophene is used as the sulfur source.
iEsp1694 provides a comprehensive framework for understanding the metabolic capabilities of this valuable fungal strain and serves as a key resource for future studies aimed at better utilizing Exophiala spinifera for industrial applications. It also enables model-driven hypothesis generation and lays the foundation for metabolic engineering and optimization of biodesulfurization processes in the future.
Keywords: Exophiala spinifera , Biodesulfurization, Dibenzothiophene, System biology, Genome-scale metabolic model.
تعداد فصل ها
4 فصل
فهرست مطالب pdf
138811
نويسنده