Synthetic Biology of Bacterial Genome Architecture  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
100959
Type K
Principal investigator Pósfai, György
Title in Hungarian A bakteriális genomarchitektúra vizsgálata szintetikus biológiai módszerekkel
Title in English Synthetic Biology of Bacterial Genome Architecture
Keywords in Hungarian szintetikus biológia, genomika, baktérium
Keywords in English synthetic biology, genomics, bacteria
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Ortelius classification: Molecular design, de novo design
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Balikó, Gabriella
Fehér, Tamás
Gyorfy, Zsuzsanna
Pál, Csaba
Tímár, Edit
Starting date 2012-01-01
Closing date 2015-12-31
Funding (in million HUF) 40.000
FTE (full time equivalent) 7.94
state closed project
Summary in Hungarian
A szintetikus biológiai módszereknek köszönhetően realitássá vált akár teljes mikrobiális genomok szintézise, összeszerelése és funkcionális beindítása (transzplantációja). Ez előrevetíti a lehetőségét annak, hogy - a rendkívül gazdag mikrobiális génkészletre alapozva - tetszőleges géntartalmú és funkciójú szintetikus genomokat hozzunk létre. A jelenlegi genomikai/rendszerbiológiai analízisek úgy tekintik a bakteriális genomokat, mint a génjeik összességét. A genom azonban több ennél. A funkcionalitáshoz a rendszerszintű architektúrát is figyelembe kell venni: a genomstruktúra befolyásolja a génexpressziót, a replikációt, a genomstabilitást. Az irodalomból kevés praktikus információt nyerhetünk a genomszerkezet tervezéséhez. A nukleoid struktúra részletei homályosak, az architektúra génexpresszióra gyakorolt hatásait tekintve pedig többnyire csak bioinformatikai analízisekre támaszkodhatunk. A pályázatban az architektúra szerepének kísérletes vizsgálatát célozzuk. Olyan architekturális szabályokat akarunk feltárni, amelyek segítik a szintetikus genomok tervezését. A vizsgálatokban egyedi, csökkentett genomú E. coli törzsünk felhasználásával nagy számú izogenikus (génkészlet azonos, genomstruktúra különböző) genomkonstrukciót kívánunk összehasonlítani. A speciálisan az architekturális kérdések megválaszolásához konstruált genomok segítségével tanulmányozni kívánjuk a genomi makropozíció/replikáció, a mikrodomain méret /struktúra, valamint a globális genomi kontextus génexpresszióra gyakorolt hatásait. Különös figyelmet szentelünk a genomarchitektúra és sejtfiziológia szempontjából centrális géncsoport, a riboszomális operonok strukturális szerepének.
Summary
Synthetic biology is the engineering of biology. Due to emerging new technologies, even the construction of complete microbial genomes/cells became a realistic possibility. Drawing upon the vast diversity of the microbial gene pool, cells with arbitrary gene content and functional characteristics will soon be amenable to synthesis and assembly. On the wake of genome sequencing projects, there is a tendency to view microbial genomes as being the mere sum of their genes, suggesting that it is enough to select the proper genes to construct a functional genome. However, the genome does not equal the gene content. There is an architectural component: system-level structure influences gene expression, replication, and genome stability. In this regard, information in the literature is scarce. The nucleoid structure remains elusive, and many conclusions on the architectural effects on gene expression and stability come from bioinformatic analyses, not from systematic experimental studies. Here, we aim at the experimental study of architectural effects. The goal is to establish a set of architectural rules that should be included in the design of synthetic genomes. We wish to study architectural effects, comparing a large number of constructs where the gene-sets are identical (isogenic), but the genome structures are different. Based on our unique, simplified E. coli K12 genome, we will physically construct strains to specifically address architectural questions, including the effects of macroposition/replication, microdomain size/structure, and global genomic context on gene expression. Specific attention will be paid to the positioning of the ribosomal operons, a gene group central to genome architecture and cell physiology.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A pályázat az E. coli baktérium genomszerkezetének vizsgálatára irányult. A fő témával (genomi pozíció - génexpresszió összefüggés) a tervezettnél lassabban haladtunk, részleges eredményeket értünk el (inszerciós kazetták, inszerciós könyvtár). A munkát folytatjuk. Másik ágon, a központi jelentőségű rRNS (rrn) operonok és a genomarchitektúra kapcsolatának vizsgálata során különféle rrn operon számmal rendelkező E. coli törzseket konstruáltunk. Kimutattuk, hogy a vad típusú rrn operon szám egy evolúciós kompromisszum eredménye, és azt tükrözi, hogy a baktérium élőhelyén mind fluktuáló, mind viszonylag stabil körülményekkel szembesül. Gyakorlati következmény, hogy tervezett, félszintetikus baktériumok rrn operonszámát az adott célhoz lehet optimalizálni. Az eredményekből egy Nucleic Acids Res cikk született. Az rrn operonok sejten belüli lokalizációjának vizsgálatához rrn variánsokat készítettünk, kollaborációs partnerünk a nagy felbontású mikroszkópos kísérleteket elvégezte. A munkából elkészült egy kéziratváltozat. A munkák során összegyűlt adatokból a genomevolúció egy általános jelenségével (genom streamlining) foglalkozó, annak evolúciós hajtóerejét kísérletesen demonstráló cikket állítottunk össze. A megosztott levelező szerzőségű publikáció a Mol Biol Evol folyóiratban jelenik meg 2016 elején. Kollaborációban készült még egy Nature Reviews Genetics „perspectives” cikk (The dawn of evolutionary genome engineering), mely a genomarchitektúra kérdéseivel is foglalkozik.
Results in English
The grant served studies on the genome architecture of the E. coli bacterium. The principal aim, deciphering rules between genomic position and gene expression strength, was only partially fulfilled. Currently we are in the process of creating an insertion library of an expression cassette and analysing the results. The project will be continued after expiration of the grant. As another aim, we constructed genome variants with various number of ribosomal RNA (rrn) operons. We showed that the wild-type rrn operon number is the result of an evolutionary compromise, reflecting the adaptation to both fluctuating and stable conditions in the natural habitat. On the practical side, the results can be used to optimize the rrn number of semisynthetic genomes for specific purposes. Results were published in Nucleic Acids Res. Using our synthetic constructs, the physical localization of the rrn operons within the cell was studied by our collaborator. It was found that the natural rrn operons cluster in two foci. The newly introduced rrn operons also follow this trend (manuscript in preparation), albeit with reduced affinity. Collecting all the data originating from our recent studies on reduced-genome cells, we published a paper on a general evolutionary phenomenon (genome streamlining)(Mol Biol Evol, in press, shared corresponding authorship). In collaboration, we published a „perspective” paper (Nature Rev Gen) on the potential of genome engineering in evolutionary studies.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100959
Decision
Yes





 

List of publications

  
Karcagi I, Draskovits G, Umenhoffer K, Fekete G, Kovács K, Méhi O, Balikó G, Szappanos B, Györfy Z, Fehér T, Bogos B, Blattner FR, Pál C, Pósfai G, Papp B: Indispensability of horizontally transferred genes and its impact on bacterial genome streamlining, MOL BIOL EVOL in press, 2016
Fehér T, Karcagi I, Blattner FR, Pósfai G: Bacteriophage recombineering in the lytic state using the lambda red recombinases., Microb Biotechnol. 5:(4) pp. 466-476., 2012
Csörgő B, Fehér T, Timár E, Blattner FR, Pósfai G: Low-mutation-rate, reduced-genome Escherichia coli: An improved host for faithful maintenance of engineered genetic constructs., Microb Cell Fact. 20;11(1):11, 2012
Fehér T, Burland V, Pósfai G: In the fast lane: Large-scale bacterial genome engineering., J Biotechnol. 31;160(1-2):72-9, 2012
Fehér, T., Bogos, B., Méhi, O., Fekete, G., Csörgő, B., Kovács, K., Pósfai, G., Papp, B., Hurst, L.D., Pál, C: Competition between Transposable Elements and Mutator Genes in Bacteria., Mol. Biol. Evol. 29:(10) pp. 3153-3159., 2012
Lázár V, Singh GP , Spohn R, Nagy I , Horváth B , Hrtyan M , Busa-Fekete R , Bogos B, Méhi O, Csörgő B, Pósfai G, Fekete G, Szappanos B, Kégl B, Papp B, Pal C: Bacterial evolution of antibiotic hypersensitivity., Mol. Syst. Biol. 9:700, 2013
Gyorfy Z, Draskovits G, Vernyik V, Blattner FR, Gaal T, Posfai G: Engineered ribosomal RNA operon copy-number variants of E. coli reveal the evolutionary trade-offs shaping rRNA operon number, NUCLEIC ACIDS RES &: in-press, 2015
Nyerges A, Csorgo B, Nagy I, Latinovics D, Szamecz B, Posfai G, Pal C: Conditional DNA repair mutants enable highly precise genome engineering., NUCLEIC ACIDS RES 42: (8) e62, 2014
Pal C, Papp B, Posfai G: The dawn of evolutionary genome engineering, NAT REV GENET 15: (7) 504-512, 2014
Lazar V, Pal Singh G, Spohn R, Nagy I, Horvath B, Hrtyan M, Busa-Fekete R, Bogos B, Mehi O, Csorgo B, Posfai G, Fekete G, Szappanos B, Kegl B, Papp B, Pal C: Bacterial evolution of antibiotic hypersensitivity., MOL SYST BIOL 9: , 2013
Csorgo B, Feher T, Timar E, Blattner FR, Posfai G: Low-mutation-rate, reduced-genome Escherichia coli: an improved host for faithful maintenance of engineered genetic constructs, MICROB CELL FACT 11: &, 2012
Feher T, Bogos B, Mehi O, Fekete G, Csorgo B, Kovacs K, Posfai G, Papp B, Hurst LD, Pal C: Competition between Transposable Elements and Mutator Genes in Bacteria, MOL BIOL EVOL 29: (10) 3153-3159, 2012
Feher T, Burland V, Posfai G: In the fast lane: Large-scale bacterial genome engineering, J BIOTECHNOL 160: (1-2) 72-79, 2012
Feher T, Karcagi I, Blattner FR, Posfai G: Bacteriophage recombineering in the lytic state using the lambda red recombinases., MICROB BIOTECHNOL 4: 466-476, 2012




 

Events of the project

  
2016-09-06 07:35:28
Résztvevők változása
2013-03-21 10:45:31
Résztvevők változása



Back »