Primerjava transkriptoma filamentoznih gliv Neurospora crassa pri rasti na treh različnih vrstah monosaharidov: D-glukoze, D-ksiloze in L-arabinoze

D-glukoza, D-ksiloza in L-arabinoza so trije pomembni monosaharidi v celičnih stenah rastlin. Malo je znanega o ekspresiji genov, ki je posledica teh treh sladkorjev, še posebej v prisotnosti L-arabinoze. Pridobljeni podatki o ekspresiji genov in novo odkritih transporterjih sladkorjev pa bodo koristni pri načrtovanju proizvodnje biogoriv.

Uvod

D-glukoza, D-ksiloza in L-arabinoza so tri najbolj široko prisotne komponente zemeljske biomase. Odziv, ki ga prisotnost D-ksiloze povzroči v glivah, je dobro poznan, kar so tudi že izkoristili za izboljšavo fermentacije na osnovi ksiloze. Za metabolizem L-arabinoze sta potrebna samo 2 encima več kot za metabolizem D-ksiloze, ostala metabolna pot pa je enaka. Kljub temu pa so poročali o razlikah v regulaciji genov. Do sedaj transkriptomske študije na glivah, ki so rasle na L-arabinozi, še ni bilo objavljene.

Rezultati

Za preizkus vrstnega reda koriščenja sladkorjev so prenesli kulturo v gojišče, ki je vsebovalo vse tri vrste sladkorjev. Kot prvo so glive uporabljale samo D-glukozo. Ko je koncentracija te postajala nizka so začele uporabljati še D-ksilozo. L-arabinozo so začele koristiti šele po tem, ko sta bile D-glukoza in D-ksiloza popolnoma porabljene.

Pri analizi ekspresije genov so kot referenco vzeli ekspresijo, ki jo dobimo pri D-glukozi. Pri uporabi D-ksiloze je prišlo do diferenčne ekspresije 105 genov, pri uporabi L-arabinoze pa 1046 genov. Od diferenčno izraženih genov jih je pri L-arabinozi imelo povečano izražanje 498, pri D-ksilozi pa 96. Od tega je bilo 50 genov, ki se jim je povečala ekspresija pri obeh sladkorjih. Glede na to, da sta za predelavo L-arabinoze potrebna samo dva gena več, je razlika presenetljiva.

Poleg genov katerih izražanje je bilo povišano, je bilo pri L-arabinozi tudi veliko število genov, ki jim je bila ekspresija znižana. Večina od teh genov je bila povezana z metabolizmom aminokislin, ogljikovih hidratov in nukleotidov. Nobenemu od teh encimov ni bil znižana ekspresija pri D-ksilozi, kar nakazuje na to, da je L-arabinoza manj zaželen vir ogljika kot D-ksiloza oziroma D-glukoza. Nekateri ekspresijski vzorci so podobni tudi ekspresijskim vzorcem pri stradanju, vendar L-arabinoza kljub temu povzroči veliko širši in drugačen odziv v primerjavi s stradanjem. Pri L-arabinozi je skoraj dva krat več diferenčno izraženih genov, kot je genov, ki se skupno izražajo pri L-arabinozi in stradanju. Ti geni so bili povezani z metabolizmom polisaharidov, pentoza fosfatno potjo in transportom ogljikovih hidratov. Geni, ki pa so se izražali samo pri stradanju, pa so bili povezani z metabolizmom aminokislin ter vezanjem kofaktorjev/kosubstratov/vitaminov. Pri genih, ki pa se jim je ekspresija zmanjšala, pa je bilo število genov, ki so bili diferenčno izraženi samo pri L-arabinozi približno enako, kot število genov, ki se izraža tako pri L-arabinozi kot pri stradanju. V obeh primerih je šlo za gene povezane z energijo, metabolizmom nukleotidov ter sintezo proteinov.

Odkrili so tudi, da se pri L-arabinozi izraža 24 transporterjev sladkorjev, medtem ko se jih pri D-ksilozi izraža 15, pri D-glukozi pa 6. Pri primerjavi ekspresijskih profilov so odkrili tudi nov transporter za D-glukozo, ter dva nova transporterja pentoznih sladkorjev. Odkrit je bil tudi nov transkripcijski regulator za hemicelulaze. Narejen je bil tudi test indukcije genov za hemicelulaze ob prisotnosti L-arabinoze in L-arbitola, ki nastane in L-arabinoze ob prisotnosti D-ksiloza reduktaze. Odkrili so, da L-arabitol bolje inducira izražanje hemicelulaznih genov.

Diskusija

Za učinkovito pretvorbo biomase iz rastlin v goriva je potrebno izkoristiti sladkorje kot so D-glukoza, D-ksiloza in L-arabinoza. S preučevanjem transkriptomskih podatkov pri različnih organizmih si širimo nabor genov, ki jih lahko uporabimo pri izboljševanju lastnosti kvasovk, ter načrtovanju novih metabolnih poti. Kljub temu, da sta za metabolizem L-arabinoze potrebna samo 2 gena več, kot za metabolizem D-ksiloze, pa je ekspresijski profil zelo različen, kar nakazuje na velik pomen takšnih analiz za razumevanje delovanja organizmov. Glede na širok nabor genov, ki so diferenčno izraženi, bi lahko L-arabinoza delovala tudi kot signalna molekula za spremembo metabolnih poti. Pri primerjavi transkriptomski podatkov so odkrili tudi, da je pri L-arabinozi prišlo do povišanega izražanja večih transporterjev sladkorjev, kot pri ostalih dveh sladkorjih, zato predvidevajo, da bi L-arabinoza lahko delovala kot signalna molekula za pripravo celice na prepoznavanje različnih vrst sladkorjev pri razgradnji rastlinske biomase.

Zaključek

Raziskava je prikazala prvo transkriptomsko primerjavo na N. crassa pri rasti na gojišču z L-arabinozo, D-ksilozo in D-glukozo. L-arabinoza je povzročila veliko širši odziv v regulaciji genov, kot je bilo pričakovano. Študija nam omogoča boljše razumevanje delovanja L-arabinoze in D-ksiloze, odkriti pa so bili tudi novi transporterji sladkorjev, ter nov regulator hemicelulaz.

Članek

Li J, Lin L, Li H, Tian C, Ma Y, 2014. Transcriptional comparison of the filamentous fungus Neurospora crassa growing on three major monosaccharides D-glucose, D-xylose and L-arabinose. Biotechnol. Biofuels. 7(1):31