metagenomics, evolutionary innovations, metabolic pathways, side reactions
megadott besorolás
Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
40 %
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
30 %
Ortelius tudományág: Evolúciós biológia
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
30 %
zsűri
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely
Biokémiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Györkei Ádám Pál Ferenc
projekt kezdete
2017-12-01
projekt vége
2020-02-29
aktuális összeg (MFt)
19.997
FTE (kutatóév egyenérték)
2.88
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Hogyan jönnek létre új anyagcsereutak az evolúció során? A klasszikus nézet szerint két különböző mechanizmus is működhet baktériumokban. Az új enzimek egyik forrása a genomban már meglévő enzimek kis hatékonyságú mellékreakciói (enzimpromiszkuitás). A másik lehetőség, hogy horizontális génbevitellel kész idegen gént vesz fel a baktérium. Korábbi munkánkban elsőként mutattuk ki szisztematikusan, hogy új szénforrásokhoz történő alkalmazkodásában a genomban már meglévő enzimek mellékreakciói fontos szerepet játszanak. Az E. coli baktériumot vizsgálva kísérletesen kimutattuk, hogy meghatározott enzimek túltermelése valóban új biokémiai útvonalak kiépüléséhez vezet a mellékreakcióik felerősödése által (PNAS 2014). Azonban az továbbra sem ismert, hogy a metabolikus evolúció e két alternatív módja mennyire hasonló biokémiai megoldásokat eredményez és elősegítheti-e egyik mechanizmus a másikat? Korábbi eredményeinkre építve a jelen pályázat ezekre a nyitott kérdésekre keresi a választ laboratóriumi kísérletek és bioinformatikai eljárások segítségével. A kísérlet során laboratóriumban modellezük a horizontális génátvitel folyamatát és olyan más baktériumokból átvehető géneket keresünk amelyek új szénforrásokon biztosítanak növekedést az E. coli-nak. Ezután a kapott gének bioinformatikai és rendszerbiológiai elemzésével feltárjuk az adaptáció biokémiai mechanizmusait és megvizsgáljuk az enzimpromiszkuitás szerepét a horizontális génátvitelben. Munkánk amellet, hogy az evolúció egyik alapkérdésére keresi a választ, biotechnológiai jelentőséggel is bír. A projekt fiatal, doktori fokozat megszerzése előtt álló munkatársak szakmai képzéséhez is közvetlenül hozzájárul.
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. Az új enzimek kialakulásának megértése fontos probléma mind az evolúcióbiológia mind a biotechnológia számára. Korábbi munkánkra építve (PNAS 2014) a projekt a következő alapvető és korábban nem tanulmányozott kérdésre keresi a választ: A genomban már meglévő enzimek mellékaktivitásai és a horizontális átvitellel beszerezhető enzimek mint két evolúciós nyersanyagforrás hogyan viszonyul egymáshoz a környezeti adaptáció során? Vajon azonos szelekciós nyomás hatására hasonló metabolikus útvonalak épülhetnek ki horizontális transzferrel és enzimpromiszkuitással? És szerepet játszhatnak-e az alkalmazkodásban az idegen fajból származó enzim mellékaktivitásai? E kérdések megválaszolására először laboratóriumban modellezük a horizontális génátvitel folyamatát. A kísérletben funkcionális metagenomikai megközelítést alkalmazunk és környezeti mintákban keresünk az E. coli-ban kifejezve tápanyag-adaptációt nyújtó géneket. Az így azonosított enzimgének funkcióit közvetlenül összevetjük a korábbi munkákban feltárt, az E. coli genomban már meglévő enzim-mellékaktivitásokkal. Az enzimek részletes bioinformatikai elemzésével, enzimpromiszkuitás predikciójával és célzott kísérletekkel teszteljük azt az általunk felvetett hipotézist miszerint a horizontálisan bejutott gén nem az elsődleges, hanem a mellékaktivitása révén járul hozzá az adaptációhoz.
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! Munkánk evolúcióbiológiai, rendszerbiológiai és gyakorlati biotechnológiai jelentőséggel is bír. i) Evolúció és rendszerbiológia: Hogyan járulnak hozzá az enzimek mellékreakciói és a horizontális génátvitel az anyagcserehálózatok bővüléséhez? Az eddigi kutatások elsősorban a genomban már meglévő enzimek mellékreakcióira fókuszáltak, és szinte semmit nem tudunk a horizontálisan bejutott idegen enzimek mellékaktivitásainak evolúciós szerepéről. Amennyiben a horizontális génátvitellel történő adaptációban is szerepet játszanak a mellékaktivitások, akkor az egy új evolúciós világképet sugall: nem csak kész enzimek adódhatnak át leszármazási vonalak között, hanem „félkész” evolúciós nyersanyagok is. A jelenség a metabolikus hálózatok működésének megértésében is fontos lehet: az eddigi rendszerbiológiai munkák elsősorban az enzimek natív funckióira helyezték a hangsúlyt és a mellékreakciók szerepét elhanyagolták. ii) Biotechnológia: Az itt alkalmazott módszertan felhasználható lesz olcsóbb ipari szubsztátokhoz történő genetikai adaptáció kialakításában. A mellékreakciók evolúciós alkalmazkodásban betöltött szerepének vizsgálata az új heterológ útvonalak tervezésében is fontos szerephez juthat. Az útvonaltervezés során általában meglévő enzimek natív biokémiai aktivitásaiból indulnak ki. A mellékreakciók figyelembevételével ez a nyersanyaghalmaz ugrásszerűen megnő, így azt várjuk, hogy többféle és minőségileg új útvonalak válnak elérhetővé. A mellékreakciók környezeti tárházának és kémiájának megismerése segítséget nyújthat a bioremediáció során is, perzisztens vegyületek lebontására létrehozott enzimek és útvonalak előállítása által.
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. Az evolúció során a fajokban megjelenő új képességek mögött gyakran új gének születése áll. De vajon hogyan alakulnak ki új funkciójú gének? A mikrobák világában az új gének keletkezésének egyik gyakori módja, hogy más fajokból kész géneket vesznek át az állandóan zajló genetikai csereberének köszönhetően. Az új gének másik fontos forrása a faj genetikai állományában már meglévő gének módosítása. Ilyenkor a meglévő gén valamely korábbi, látszólag jelentéktelen mellékfunkciója erősödik fel genetikai változások révén. Ez különösen jól ismert az anyagcserében szerepet játszó enzimgének körében, ahol a mellékfunkciók gyakoriak. Egy korábbi munkánk a szakirodalomban elsőként számszerűsítette a mellékfunkciók evolúciós szerepét, ám továbbra sem ismert, hogy ez milyen kapcsolatban áll a fajok közötti génátadással zajló alkalmazkodásban. Jelen pályázatban arra keressük a választ, hogy az anyagcseregének mellékfunkciói vajon hozzájárulhatnak-e a fajok közötti genetikai cserebere sikeréhez is? Kutatásunk nemcsak az evolúcióról alkotott eddigi nézetünket módosíthatja, hanem új gyakorlati alkalmazásokat is lehetővé tesz. A biotechnológia egyik fontos célja, hogy új, az emberiség számára hasznos termékeket létrehozó anyagcsere utakat tervezzen különböző fajokból származó enzimek felhasználásával. Elképzeléseink szerint a kutatásunkban felhasznált módszerek és a levont biológiai tanulságok új útvonalak tervezésében is hasznosítható lesz.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. How do new metabolic pathways arise during evolution? According to the prevailing view, two different evolutionary mechanisms can operate in bacteria. One major source of new enzymes are the weak side activities of enzymes already present in the genome (enzyme promiscuity). The other possibility is the integration of already functional genes acquired from other species through horizontal gene transfer. In our previous work, we systematically established, for the first time, that side reactions of enzymes already present in the genome play a pivotal role in adaptation to new carbon sources. We experimentally confirmed that overexpression of specific enzymes lead to the establishment of new metabolic pathways via enhancing weak side activities (PNAS 2014). However, it remains unknown if these two alternative evolutionary routes yield similar biochemical adaptations, and if the two processes can facilitate each other. Building upon our previous work, this proposal aims at answering these open questions by combining wet lab and computational approaches. We will experimentally model horizontal gene transfer in the laboratory to identify genes from other organisms that enable E. coli to grow on hitherto non-utilizable carbon sources. Next, by bioinformatic and systems biology analyses of such genes, we will explore the biochemical mechanisms of adaptation and investigate the role of enzyme promiscuity in horizontal gene transfer. Our work will not only answer a fundamental question in evolution but will also have implications for biotechnology. Additionally, the project will directly contribute to the scientific training and nurturing of young pre-doctoral researchers.
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. Understanding the emergence of new enzymes is a central challenge for both evolutionary biology and biotechnology. Building upon on our previous work (PNAS 2014), this proposal aims at answering the following unexplored questions: How do the two different sources of evolutionary novelties, the side-activities of enzymes already present in the genome and foreign enzymes acquired through horizontal gene transfer, compare to each other during environmental adaptation? Do similar metabolic pathways emerge through horizontal gene transfer and through enzyme side activities upon applying the same selection pressure? Can the side activities of genes acquired from other species play any role in such adaptations? To answer these questions, we will first model horizontal gene transfer in the laboratory. Specifically, we will employ a functional genomic approach to identify genes in environmental DNA samples that confer novel nutrient utilization phenotypes when expressed in E. coli. We then directly compare the enzymatic functions of these genes to the previously identified side activites of enzymes already present in the E. coli genome. With the detailed bioinformatic analisys of the enzymes, prediction of enzyme promiscuity and directed experiments we test our hypothesis that horizontally transfered genes contribute to adaptation not through their native, but with their side activities.
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. Our work has evolutionary, systems biology and practical biotechnological implications as well. i) Evolutionary and systems biology: How do enzyme side reactions and horizontal gene transfer contribute to the expansion of metabolic networks? Previous studies mostly focused on the side reactions of enzymes already present in the genome and the evolutionary role of promiscuous activities of horizontally transferred enzymes remained unexplored. If side activities indeed play a role in the adaptation through horizontal gene transfer, it will suggest a new view of evolution: not only full-blown enzymes can be transferred between lineages but precursors of evolutionary novelties as well. This phenomenon will also have important implications for our understanding of the operation of metabolic networks: systems biology investigations so far focused on the native activities of enzymes and largely overlooked the importance of their side activities. ii) Biotechnology: First, the methodology employed in this work can be applied to evolve novel strains for the utilization of cheaper industrial substrates. Second,we anticipate that a better understanding of the evolutionary importance of side reactions will have a significant impact on the design of new heterologous pathways as well. Construction of such pathways generally relies on the native activities of known enzymes as raw materials. Including enzyme side activities could dramatically expand the set of available building blocks and could therefore allow the design of qualitatively new pathways. Finally, as our work will survey the scope and chemistry of side reactions present in environmental genomes, it also has the potential to suggest novel enzymes and pathways for bioremediation purposes (i.e. for the degradation of persistant organic pollutants).
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. The evolution of novel organismal traits often relies on the arisal of novel genes. But how do genes with novel functions arise? In microbes, one prevalent mode of gene birth involves the acquisition of full-blown genes from other species through the exchange of genetic material. New genes also frequently arise through the modification of those already present in the genetic material of the species. This process involves the enhancement of an existing, but seemingly inconsequential side activity of a gene through mutations. This phenomenon is especially well-established for enzymes participating in metabolism, where such side activities are prevalent. Our previous work was the first to quantify the evolutionary importance of enzyme side activities, however, the links between evolution through enhanced side activities and through between-species gene transfer remain completely unexplored. In this proposal, we aim at studying whether the side activities of foreign metabolic genes could have an important role in successful genetic exchanges between species. Our research could not only suggest a new view of microbial evolution, but will also have practical implications. Specifically, one of the main goals of biotechnology is to design novel metabolic pathways for the production of industrially useful compounds by borrowing enzymes from different species. We anticipate that the methods employed and the biological data generated in our work will inform future attempts to rationally design novel pathways.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Két fő eredményünk az alábbiakban foglalható össze.
(i) Kimutattuk, hogy az antibiotikum-rezisztenciával ellentétben az antimikrobiális peptidekkel szemben rezisztenciát nyújtó gének baktériumok közötti cseréje korlátozottabb, mégpedig az új bakteriális gazdával való funkcionális kompatibilitás hiánya miatt. Ezt a munkát nemrégiben publikálták a legrangosabb mikrobiológiai folyóiratban, a Nature Microbiology-ban (Kintses et al. 2019).
(ii) Számítógépes módszerekkel kimutattuk, hogy az endogén enzimek mellékreakciói hasonló potenciállal bírnak új bioszintetikus útvonalak felépítésében mint a heterológ enzimek által katalizált reakciók. Ez alapján az enzimek mellékaktivitásai a kémiai reakciók hasznos tárházát jelentik, így ígéretes eszközei lehetnék az ipari törzsek fejlesztésének.
kutatási eredmények (angolul)
Our two main results are as follows:
(i) We discovered that, unlike antibiotic resistance, the exchange of antimicrobial peptide resistance between bacteria is strongly limited by lack of functional compatibility with the new bacterial host. This work has been recently published in the most prestigious microbiology journal, Nature Microbiology (Kintses et al. 2019).
(ii) Using in silico analysis, we showed that side reactions of endogenous enzymes have as much potential to contribute to new biosynthetic pathways as the reactions encoded by heterologous enzymes. Thus enzyme side activities are a rich, but mostly overlooked, reservoir of useful chemical reactions and therefore could be a promising addition to the toolbox of industrial strain development
