Investigation of the fructose uptake system in halomonas smyrnensis AAD6 to design strategies for enhanced levan biosynthesis - Aydın, Büşra (My University, 2014)
ARTIRILMIŞ LEVAN BİYOSENTEZİ STRATEJİLERİ TASARLAMAK İÇİN Halomonas smyrnensis AAD6T deki FRUKTOZ ALIMININ ARAŞTIRILMASI Mikrobiyal biyopolimerler gösterdikleri farklı fizikokimyasal ve reolojik özellikleri ile yeni dönem biyomateryaller olarak kabul edilmektedirler. Bu polimerler biyobozunurluk ve biyouyumluluk özellikleri sayesinde çevre ve insan dostu bileşiklerdir, bu nedenle mikrobiyal biyopolimerler tekstil, deterjan, yapıştırıcı madde, atık su arıtımı, mayalama, kozmetoloji, ilaç bilimi ve gıda katkı maddeleri gibi geniş endüstriyel uygulama alanlarına sahiptirler. Halomonas smyrnensis AAD6T gram-negatif, aerobik, ekzopolisakkarit üreten ve orta derecede halofilik bir bakteridir. Bu bakteri yüksek miktarda levan biyopolimeri üretmektedir. Levan, suda ve yağda iyi çözünebilirliği, güçlü adezivite, biyouyumluluk ve filmleşme özellikleri nedeniyle gıda, besicilik, kozmetik, ilaç ve kimya sanayisinde birçok potansiyel kullanım alanına sahip bir fruktoz homopolimeridir. Son yıllarda Halomonas smyrnensis AAD6T ‘nin metabolik ağ yapı modeli tüm genom sekansı baz alınarak oluşturulmuş ve polimer sentezini artıracak stratejiler araştırıldığında levan üretiminin artırılmasının organizmadaki fruktoz alımı sistemine bağlı olduğu gösterilmiştir. Bu sonuçlara dayanarak fruktoz spesifik fosfotranferaz sisteminin bütün bileşenleri in silico analizlerle belirlenmiştir. Bileşenlerin belirlenmesi bir metabolizma mühendisliği stratejisi kurulmasını ve transposonların kullanılacağı bir mutasyonun gerçekleştirilmesini sağlamıştır. Fruktoz alım sistemin önemli parçalarından biri olan HPr bileşeni fruktozun hücre içine alımını engellemek için organizma genomundan omega interpozunu ile mutasyonu sağlanmıştır. Mutasyonun başarılı olması Halomonas smyrnensis AAD6T ‘de fruktozun hücre içine alınamayıp yalnızca levan polimeri sentezinde kullanılmasını sağlamış ve levan üretimi %40’lık bir verimle artırılmıştır. Buna ek olarak bu mutasyon Halomonas smyrnensis BMA14 olarak isimlendirilen yeni bir suşu oluşturmuştur. Son olarak, bu çalışmanın çıktıları halofilik bakteriler tarafından sentezlenen diğer polimerlerin üretimini artırmak için sistem biyolojisi yaklaşımı ve metabolizma mühendisliği stratejilerinin tasarlanmasını içeren çalışmaları hızlandıracaktır.

INVESTIGATION OF the FRUCTOSE UPTAKE SYSTEM in Halomonas smyrnensis AAD6T to DESIGN STRATEGIES FOR ENHANCED LEVAN BIOSYNTHESIS Microbial biopolymers are accepted as new biomaterials due to their different physicochemical and rheological characteristics with novel functionality. Biopolymers are more biocompatible, biodegradable, and both environmental and human friendly compounds. There are wide range of applications of microbial exopolysaccharides in many industrial sectors like textiles, detergents, adhesives, wastewater treatment, brewing, cosmetology, pharmacology, and food additives. Halomonas smyrnensis AAD6T is a gram-negative, aerobic, exopolysaccharide-producing, and moderately halophilic bacterium that produces levan, a fructose homopolymer with many potential uses in various industries like foods, feeds, cosmetics, pharmaceutical and chemical industries. Levan has outstanding properties like high solubility in oil and water, strong adhesivity, good biocompatibility and film-forming ability. Based on the whole genome sequence of Halomonas smyrnensis AAD6T, a metabolic network of the microorganism was reconstructed and strategies were designed to enhance levan biosynthesis recently. Enhancement strategies for the biosynthesis of levan biopolymer by Halomonas smyrnensis AAD6T basically depends on the fructose uptake system of the organism. Therefore, in the present study, the fructose specific phosphotransferase system (PTSfru) of H. smyrnensis AAD6T was investigated via in silico analysis. Investigation of all components of this system provided to construct a metabolic enginnering strategy which hinges basically on mutagenesis with using transposons. Fructose specific phoshocarrier protein- HPr is one of the most important component of PTSfru system was mutated in the bacteial genome in order to prevent uptake of fructose into the cell. Achievement of the mutagenesis on genome of Halomonas smyrnensis AAD6T contributed to utilize fructose monomers only in biopolymer production which resulted in elevated production of the polymer with 40% efficiency. Also, a new strain of Halomonas smyrnensis was constructed which has been named as Halomonas smyrnensis BMA14. Outcomes of this study will accelerate the research on enhanced production of any other biopolymers from halophilic bacteria towards systems biology approaches and design of metabolic engineering strategies.
Keywords: Biyomühendislik