 |
Understanding microbial genome evolution: Experimental test of the genome streamlining hypotheses
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116455 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Pósfai, György |
| Title in Hungarian |
A mikrobiális genomevolúció hipotéziseinek kísérletes ellenőrzése |
| Title in English |
Understanding microbial genome evolution: Experimental test of the genome streamlining hypotheses |
| Keywords in Hungarian |
genom, evolúció, baktérium |
| Keywords in English |
genome, evolution, bacteria |
| Discipline |
| Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Molecular evolution | | Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Balikó, Gabriella
Fehér, Tamás
Gyorfy, Zsuzsanna
Vernyik, Viktor
|
| Starting date |
2016-01-01 |
| Closing date |
2020-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
44.000 |
| FTE (full time equivalent) |
8.13 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A genomok evolúcióját rövid, drámai expanziós ugrásokkal megszakított hosszú, dominánsan egyszerűsödéssel járó periódusok jellemzik. Ennek a folyamatnak és kiváltó okainak a beható ismerete nélkülözhetetlen ahhoz, hogy mesterséges mikrobiális genomokat tudjunk tervezni és építeni. A genomevolúcióval, a mutáció/szelekció/drift szerepével kapcsolatos hipotézisek túlnyomó részt a rendelkezésre álló genomszekvenciák bioinformatikai analízisére támaszkodnak. A kísérletes ellenőrzés akadályokba ütközik: a természetes evolúció üteme túl lassú a közvetlen megfigyeléshez, a felgyorsított, nagy léptékű laboratóriumi evolúcióhoz pedig hiányoznak a megfelelő eszközök. A pályázatban egy olyan, újszerű és hatékony módszert vázolunk, amellyel felgyorsíthatjuk az E. coli baktérium laboratóriumi evolúcióját, és kísérletekkel ellenőrizhetjük a genomegyszerűsödést magyarázó hipotéziseket. Kombinálva a hagyományos klónkönyvtár-készítést a lambda Red rekombinációs módszerrel, párhuzamos kultúrákban és különféle környezeti körülmények között nagy számú, véletlenszerű genomi deléciót generálunk. A folyamatot ciklikusan ismételve a deléciók akkumulálódnak a sejtvonalakban, s köztük a növekedési előnnyel rendelkező variánsok folyamatosan szelektálódnak. Az így nyert törzsek fitneszének és genomszekvenciájának elemzése megvilágítja a genomegyszerűsödést elősegítő folyamatokat és a genomszerveződés törvényszerűségeit. Ugyanakkor gyakorlati fontossággal is bír, hogy radikálisan egyszerűsített, hatékony E. coli sejtekhez jutunk, melyek a mikrobiális élethez minimálisan szükséges genom tervrajzáról is információt szolgáltatnak.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Alapvetően a genomegyszerűsödést elősegítő tényezőket kívánjuk megismerni: adaptív a folyamat, vagy pusztán a genom rekombinációs átrendeződéseinek mechanikus következménye? Milyen határokat szabnak a genomegyszerűsödésnek a funkcionális (géntartalom) és architekturális (genomszerkezet) követelmények? Haladhat-e a génvesztés párhuzamos utakon, illetve más szavakkal: milyen súllyal esik latba a genomredukcióban a véletlen és a szükségszerűség? A genom mely elemei vesznek el nagy valószínűséggel a variánsok között fennálló versengés során? Van-e szignifikáns átfedés a gyakran eltűnő genomrészek és a korábban horizontális transzferrel beépült genomi szigetek között? Van-e olyan genomentitás, amely megfelel a “maggenomnak”, és képes-e ez egy robusztus sejtet működtetni? A genomredukció fiziológiai (növekedési paraméterek, “maintenance” energia, sejtméret, sejthozam) és genetikai (genomi stabilitás) hatásait megmérve választ kaphatunk egy fontos gyakorlati kérdésre is: növelhető-e a sejtek fitnesze egy bizonyos niche-ben a szükségtelen gének (és termékeik) kiiktatásával?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A szintetikus biológia távlati célja mesterséges, adott célra tervezett organizmusok készítése. Elvileg szinte minden jelentős globális problémára (globális felmelegedés megelőzése, megújítható energia termelése, járványok megakadályozása, hosszú és minőségi élet biztosítása, stb.) létezik biológiai megoldás lehetősége. A DNS-szintézis ugrásszerű fejlődése, valamint az első teljes mikrobiális genom mesterséges összeállítása azt a reményt keltette, hogy a nagy gyakorlati haszonnal bíró mikroorganizmusok tervezése és létrehozása a küszöbön áll. A fejlődés azonban az utóbbi években megtorpanni látszik ezen a területen. Hátráltató tényező - még a relatíve egyszerű bakteriális sejtek esetében is - a nem várt, nagy fokú komplexitás, valamint az, hogy a genomátalakítási kísérleteket uralják az ipari alkalmazás szempontjai. Úgy véljük, a genomegyszerűsödést irányító alapvető evolúciós erők alapos megismerése szükséges ahhoz, hogy csökkentett komplexitású, ugyanakkor robusztus, alacsony biológiai zajszintű, jól kontrollálható és hatékony, változatos alkalmazásokhoz platformként szolgáló sejteket készíthessünk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A szintetikus biológia új tudományága révén küszöbön áll mesterséges genetikai tervrajzú mikrobiális sejtek készítése. Ezeknek a miniatűr, élő kémiai sejtgyáraknak a potenciális alkalmazási köre szinte beláthatatlan, az antibiotikumok előállításától akár a légköri széndioxid-koncentráció csökkentéséig terjedhet. Az élő sejtek összetettsége azonban, még a viszonylag egyszerű baktériumok esetében is, egyelőre gátat szab ezeknek a törekvéseknek. Megoldás lehet a sejtek drasztikus egyszerűsítése, ennek módja pedig a genetikai tervrajz, a genom mesterséges “áramvonalasítása”. Egy leegyszerűsített, hatékonyan működő alapsejt platformul szolgálhat ahhoz, hogy különféle, tudatosan összeállított genetikai áramkörök beépítésével változatos célokra használjuk. Egy ilyen hatékony alapsejt készítéséhez azonban egyrészt megfelelő molekuláris eszközökkel kell rendelkeznünk, másrészt ismernünk kell a genomevolúció törvényszerűségeit. A pályázatban egy olyan újszerű módszert vázolunk, mellyel a laboratóriumban felgyorsítva utánozhatjuk a természetes evolúció során is tapasztalt genomegyszerűsödés lépéseit. Így kísérletekkel ellenőrizhetjük a genomegyszerűsödést eredményező evolúcióval kapcsolatos hipotéziseket, a megismert törvényszerűségeket pedig a gyakorlatban alkalmazva egyszerűsített genetikai tervrajzú mikrobiális sejteket építhetünk.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Evolution of genomes is characterized by long, dominant periods of genome reduction, punctuated by short, rapid expansions. Understanding the driving forces of the processes shaping genome complexity is of paramount importance in the era of designing and constructing semisynthetic microbial genomes. Hypotheses on genome evolution, and on the role of adaptation and drift in it, are mostly conjectures based on bioinformatic analysis of available genome sequences. Experimental testing of the hypotheses is hindered by the slow pace of natural genome evolution, and by the lack of tools speeding up large-scale genome evolution in the laboratory. Here we propose a novel and efficient scheme of random deletion generation to accelerate laboratory evolution of the E. coli bacterium, and address the validity of the genome streamlining hypothesis. Applying a novel combination of traditional clone library construction and lambda Red-mediated recombination/selection methods, we plan to generate a large number of random genomic deletions in a cyclic fashion in parallel cell lines, under various environmental conditions. Analysis of the fitness and the genome sequence of the strains, selected by their growth advantage, will reveal the driving forces of natural genome reduction, shed light on the genome organization principles, and produce a blueprint for a minimal E. coli genome.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Specifically, we want to understand the driving forces of genome streamlining: Is it adaptive, or is merely the mechanistic consequence of genome rearrangement/ recombination processes? What are the constraints of genome reduction, both in terms of gene content and genomic architecture? Are there parallel pathways of genome reduction, or in other words, how do chance and necessity weight in in the process? What are the primary subjects of the deletions selected by competition in the cultures? Is there a correlation between the frequently lost genes and the genomic islands acquired by horizontal gene transfer? Is there a genomic entity corresponding to the core genome that gives rise to a robust cell? Moreover, the effect of genome reduction on physiological and genetic characteristics (growth parameters, maintenance energy, size and yield of the cell, genomic stability) could be revealed and, eventually, the question with practical consequences could be answered: Can the fitness be increased by elimination of unnecessary genes (and their products) in a selective regime of conditions?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The ultimate goal of synthetic biology is the creation of custom-designed organisms. In principle, most major, global challenges (global warming, production of clean fuel, prevention of dangerous epidemics, long and healthy lifespan, etc.) could have biological solutions. Advances in DNA synthesis and successful assembly of the first complete microbial genome raised the expectations that creation of custom-designed organisms with great practical value is imminent. However, in recent years, no significant progress was made towards the construction of cells with (semi)synthetic genomes. The disappointing pace is largely due to the unexpected complexity of even relatively simple bacterial genomes, and to the inappropriately defined, industrial application-driven goals of the efforts. We think that understanding the basic evolutionary forces of genome reduction would greatly aid in constructing simple, controllable microbial genomes, serving as robust, low-noise, efficient and programmable platforms that can be decorated with custom-designed, goal-oriented metabolic pathways.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Synthetic biology is on the verge of creating (semi)synthetic organisms. The range of applications of such living chemical factories is enormous, ranging from carbon sinks to production of antibiotics. However, the extreme complexity of cells, even in the case of the relatively simple bacteria, prevents the creation of efficient, specialized organisms. Artificial genome streamlining could offer a solution: a simplified but robust microbial cell (chassis) could be used as a platform for further genetic engineering. However, building a simple cellular chassis requires proper molecular tools and a firm knowledge of the evolutionary forces that have been fine-tuning the genomes for billions of years. Here we propose novel ways by which the observed natural microbial genome evolution pathways could be imitated and analyzed at an accelerated speed in the laboratory, the basic rules of genome building could be deciphered, and simplified microbial genomes could be built.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
