Файл: азастан Республикасыны Білім жне ылым министрлігі лФараби атындаы аза лтты университеті байкенова аерке айратызы.docx
Добавлен: 07.12.2023
Просмотров: 382
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
(S. cerevisiae X S. kudriavzevii; S6U (S. cerevisiae X S. uvarum), EP2 (S. cerevisiae X S. kudriavzevii және NT50).Кесте 4 - S.cerevisiae шарап штаммдарының негізгі геномдық ерекшеліктері
10>
(*Saccharomyces геномы туралы ақпарат NCBI деректер базасынан алынған)S. cerevisiae мен S. kudriavzevii арасында түзілген түр аралық будандар сыра мен шараптың ашытуынан бөлініп алынды, ал қоршаған ортадан алынған сынама S. kudriavzevii-дің Жерорта теңізі бойында S. cerevisiae симпатриялық байланысындағы емен тұқымдастығын көрсетті. Мысалы, VIN7 коммерциялық шарап ашытқысы S. cerevisiae және S. kudriavzevii гибриді болып табылады [65, 66]. Бұл ашытқы штаммы жақында басқа коммерциялық шараптарға қарағанда жүзімнен алынған хош иісті емес прекурсорлардан жеміс тиол 4-меркапто-4-метилпентан-2-нің (4MMP) әлдеқайда көп мөлшерін босату қабілетіне байланысты шарап өндірушілер арасында танымал болды. VIN7 геномы S. cerevisiae және S. kudriavzevii толық дерлік аллотриплоидты гибрид болып табылатыны және S. cerevisiae гетерозиготалы диплоидты геномы мен S. kudriavzevii гаплоидты геномы бар екені көрсетілді.
Сурет 6 - VIN7 штамының таксономиясы және геномына сипаттама(*Saccharomyces геномы туралы ақпарат NCBI деректер базасынан алынған)VIN7 штамы Аустралияның шарап өндірісімен айналысатын ғылыми-зерттеу институтында бөлініп алынған. Бұл штаммның толық геномы туралы ақпарат Genbank жүйесіне 2011 жылдың 23 желтоқсанында енгізілген. Тізбектің жалпы ұзындығы - 23371538, тізбек компонеттерінің саны - 419, хромосома мен плазмиданың жалпы саны – 33 [67].
Шарап ашыту жағдайында гибридтер белгілі бір артықшылықтарға ие болуы мүмкін, соның ішінде әртүрлі стресс түрлеріне төзімділіктің жоғарылауына байланысты. Мысалы, S. kudriavzevii және S. bayanus төмен температурада өсуге жақсы бейімделген, ал S. cerevisiae этанолға төзімді. Осы штаммдардың будандары ата-аналардың әрқайсысының бәсекелестік артықшылықтарына ие бола отырып, температура мен этанол стресс жағдайында өсуге жақсы бейімделеді. Мұндай гибридтер хош иісті қосылыстардың жоғалуын болдырмау үшін төмен ашыту температурасы пайдаланылған кезде ақ шарап технологиялары үшін өте құнды болуы мүмкін. Гибридтердің генетикалық сипаттамалары шараптың дәмдік сипаттамаларына да тікелей әсер етуі мүмкін. S. cerevisiae x S.kudriavzevii гибридтері сипатталған, олар кейбір жүзім сорттарынан қышқыл ашыту кезінде күрделі эфирлер мен жоғары спирттер өндірісінің жоғарылауымен сипатталады. Шарап ашыту жағдайында мұндай будандар тиол 4-меркапто-4-метилпентандионды, күшті жеміс хош иісі бар хош иісті қосылыстарды көбірек шығарады. Мұндай гибридтердің жиі пайда болуы олардың бейімделу артықшылығын көрсетуі мүмкін, дегенмен стресстік жағдайлардың өзі будандастыру процестерін ынталандыратынын жоққа шығаруға болмайды [68].Гибридтердің генетикалық тұрақсыздығы олардың хромосомалық жиынтықтарының айтарлықтай өзгергіштігіне, басқа хромосомалық қайта құрулар мен модификацияларға әкеледі.S. cerevisiae x S. kudriavzevii-дің 24 табиғи будандарын молекулалық талдау олардың плоидтылығында (2n-ден 4n-ге дейін) және S. kudriavzevii генетикалық материалының құрамындағы елеулі өзгерістерді анықтады [69].Жақсы сілтеме жасалған жұмыста 212 реттелген шарап штаммдарының геномдары Saccharomyces sensu stricto clade басқа штамдарынан генетикалық материалдың болуымен ерекшеленген. Жалпы алғанда, S. cerevisiae-дан басқа штамдар тізбегінің үлесі өте мардымсыз болып шықты. Алайда 17 штамда S.paradoxus, S.uvarum, S.eubayanus, S.mikitae, S.kudriavzevi геномдарынан тасымалданған кеңейтілген аймақтар (бір хромосоманың 10%-дан астамы) анықталды. Сонымен қатар, осы 17 штаммның 12-сінде толық дерлік екінші геном болды. Зертханада шарап штаммдары мен сахаромицет емес басқа штаммдар арасында жаңа коммерциялық желілерді жасау үшін сирек кездесетін будандастыру оқиғаларынан бес гибрид шығарылды. Басқа штаммдар полиплоидияның өте өзгермелі дәрежесімен ерекшеленді. Мысалы, NT50 штаммында S. cerevisiae гаплоиидты геномы және S. kudriavzevii 13 хромосомасының бір көшірмесі болды. S6U және WLP862 штаммдарында үш түрлі түрдегі генетикалық материалдың айтарлықтай үлесі болды [70].
Эволюциялық тарих және антропогендік әсерлер байланыс Saccharomyces cerevisiae-ны шарап ашытқысының квинтэссенциясына айналдырды. Бұл түр әдетте шараптың кез келген өздігінен ашытуында басым болады және соңғы уақытқа дейін барлық коммерциялық қол жетімді шарап стартерлері осы түрге тиесілі болды. Crabtree эффектісі және толық анаэробты жағдайда өсу қабілеті олардың осы ортадағы үстемдігіне шешуші үлес қосады. Бірақ Saccharomyces cerevisiae барлық штамдары бастапқы дақылдар сияқты бірдей қолайлы емес. Бұл зерттеу жұмысында біз S. cerevisiae шарап штаммдарының физиологиялық және генетикалық сипаттамаларын, сондай-ақ эволюция кезінде оларды қалыптастырған биотикалық және абиотикалық факторларды қарастырамыз. Бұл ашытқылар тобының шектеулі генетикалық әртүрлілігі энологиядағы жаңа мәселелерді шешуге кедергі болуы мүмкін. Дегенмен, осы саладағы зерттеулер гендік инженерия мен классикалық генетикалық құралдардан шарап ашытқыларының каталогтарына басқа ашытқы түрлерін қосуға дейін осы әртүрлілікті арттыру үшін көптеген жылдар бойы құралдарды қамтамасыз етті. Кейде бұл дәстүрлі емес түрлер S. cerevisiae бар түр аралық будандар тудыруы мүмкін. Осылайша, S. cerevisiae шарап штаммдары және басқа да шарап ашытқылары туралы біліміміз үнемі кеңейіп келеді. Соңғы онжылдықтарда шарап ашытқыларын зерттеу энологияны модернизациялаудың негізгі тірегі болды және ашытқы биотехнологиясы болашақта кез келген проблемаларды шешуге, мысалы, климаттың өзгеруіне ықпал ететініне сенімді айтуға болады [71, 72].Спиртті ашу процесі адамзат тарихындағы ең көне биотехнологиялық трансформация болса керек. Қытайдағы, Ирандағы, Мысырдағы немесе Грузиядағы археологиялық үлгілердің химиялық талдаулары шарап пен басқа ашытылған сусындардың өндірісін ауыл шаруашылығының шығу тегіне дейін бақылайды. Дегенмен, жүзім мен басқа дақылдарды қолға үйрету арнайы болды деп болжауға болатын болса да, шарап ашытуға жауапты агенттерді қолға үйрету негізінен бейсаналық болды. Ашытқылардың алкогольдік ашытуға қатысуы XIX ғасырға дейін жалпы қабылданған жоқ. Таңдалған стартерлік культураларды пайдаланып ашыту процестерін меңгеру шарап жасау тарихындағы алғашқы жаңалық болып табылады. Бұл жаңалық 1970 жылдарға дейін кең тараған тәжірибеге айналған жоқ. Осы уақытқа дейін шарап жасауда қолданылатын өнеркәсіптік стартерлердің барлығы дерлік Saccharomyces cerevisiae түріне жатады. Бұл түр биологияның әртүрлі салаларында үлгі организм ретінде ертеде қабылданған; микробиология, биохимия, физиология, генетика немесе геномика, т.б. Алғашқы морфологиялық сипаттамалардан немесе оның ұрық теориясына қосқан үлесінен бастап,
S. cerevisiae биотехнологиялық жұмыс күші ретінде де, үлгі организм ретінде де синергетикалық түрде дамыды [73].Бұл сонымен қатар толық реттелген алғашқы эукариоттық организм болды және NGS тұтас геномды секвенирлеуді танымал ету арқылы ол қазір микробиология, популяциялық генетика және синтетикалық биология үшін үлгі болып табылады. Осыған қарамастан, зертханада және өнеркәсіпте қолданылатын штаммдардың сипаттамалары арасында, сондай-ақ екі ортада жиі кездесетін өсу жағдайларында айтарлықтай айырмашылықтар бар. S. cerevisiae гаплоидты геномы шамамен 12 млн ретті тізбектен және 16 хромосомаға бөлінген болып келеді. Ақуызды кодтайтын гендердің саны шамамен 6000-ға жуық. S. cerevisiae-нің қазіргі геномы (және WGD-тен кейінгі деп аталатын ашытқы түрлерінің шағын жиынтығы) ата-бабадағы геномды қайталау оқиғасының (бүкіл геномның қайталануы үшін WGD) нәтижесі болып табылады. Нәтижесінде тетраплоидты жасуша пайда болады. Кейінірек геннің артық бөлігі жоғалды, бірақ әлі де осы түрдің ақуыздарының шамамен 13% -ы осы ежелгі қайталанудың нәтижесінде пайда болған жұптар. Көп жағдайда бұл оқиға көшірмелердің кем дегенде біреуін мамандандыруға мүмкіндік бергендей болды. Бұл қайталану сонымен бірге гликолиз ағынының ұлғаюының негізінде жатқан сияқты, бұл ақыр соңында Crabtree әсеріне әкелуі керек [74-79]. Соңғы деректер Saccharomyces түрлерінің барлығы Азияда пайда болғанын және қытайлық емес S. cerevisiae штамдарының барлығы Қытайдан тыс жерде бір оқиғадан шыққанын көрсетеді. S. cerevisiae филогенетикалық ағашының бір жағындағы шарап пен еуропалық класқа түсетін шарап изоляттары арасында күшті генетикалық байланыс бар. Салыстырмалы геномика сонымен қатар қазіргі заманғы шарап изоляттарын алу процесіндегі популяцияның тар саңылауына байланысты монофилді екенін көрсетеді. Бұл түрлер плоидты, сондай-ақ анеуплоидияны көрсете алатынына қарамастан, шарап ашытқысының изоляттарының көпшілігі таза диплоидтар болып табылады [80, 81]. 2 ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ2.1 Зерттеу объектісіҚазіргі уақытта NCBI дерекқорында әртүрлі S. cerevisiae изоляттарының 237 дерлік толығымен декодталған және аннотацияланған геномдары туралы ақпарат бар. Зерттеу жұмысының зерттеу объектісі ретінде пальма шарабын жасауда қолданылатын үш түрлі тұқымдасқа жататын S. сerevisiae, P. kudriavzevii және C. ethanolica ашытқы түрлері алынды.Көптеген зерттеулер S. cerevisiae-нің биохимиялық және геномдық қасиеттерін түсінуге көмектескенімен, ашытқы түрлері толық қамтылмағанын көрсетеді. Пальма шарабындағы
| Геномдық ерекшелігі | Штамдар саны |
| HO жою Плазмида А B Плоидты 1 (эуплоидты/гомозиготалы) 2 (эуплоидты/гомозиготалы) 3 (эуплоидты/гомозиготалы) 4 (эуплоидты/гомозиготалы) Плазмида А (бар болса) Қосымша ORF* HGT аймақтары (A, B немесе C) S. paradoxus интрогрессия Ty көшірмелері* Tu1 Tu2 Tu3–5 | 27 204 1 28 (20/28) 199 (175/115) 2 (1/0) 1 (0/1) Нөмірді көшіру 1-ден 210-ға дейін (медиана 25) 30-ға дейін 25–50 15-ке дейін 30 дейін <10 әрқайсысы |
(*Saccharomyces геномы туралы ақпарат NCBI деректер базасынан алынған)S. cerevisiae мен S. kudriavzevii арасында түзілген түр аралық будандар сыра мен шараптың ашытуынан бөлініп алынды, ал қоршаған ортадан алынған сынама S. kudriavzevii-дің Жерорта теңізі бойында S. cerevisiae симпатриялық байланысындағы емен тұқымдастығын көрсетті. Мысалы, VIN7 коммерциялық шарап ашытқысы S. cerevisiae және S. kudriavzevii гибриді болып табылады [65, 66]. Бұл ашытқы штаммы жақында басқа коммерциялық шараптарға қарағанда жүзімнен алынған хош иісті емес прекурсорлардан жеміс тиол 4-меркапто-4-метилпентан-2-нің (4MMP) әлдеқайда көп мөлшерін босату қабілетіне байланысты шарап өндірушілер арасында танымал болды. VIN7 геномы S. cerevisiae және S. kudriavzevii толық дерлік аллотриплоидты гибрид болып табылатыны және S. cerevisiae гетерозиготалы диплоидты геномы мен S. kudriavzevii гаплоидты геномы бар екені көрсетілді.
| Таксономиялық атауы |
| Эукариоттар |
| Саңырауқұлақтар |
| Аскомицеттер |
| Сахаромицеттер(Saccharomycetes ) |
| Saccharomycetales (бүршік ашытқылар) |
| Saccharomyces cerevisiae x Saccharomyces kudriavzevii VIN7 |
| Тізбектің жалпы ұзындығы | 23371538 |
| Контиг жалпы саны | 419 |
| Контиг N50 | 139679 |
| Контиг L50 | 36 |
| Хромосома мен плазмиданың жалпы саны | 33 |
| Тізбек компоненттерінің саны | 419 |
Шарап ашыту жағдайында гибридтер белгілі бір артықшылықтарға ие болуы мүмкін, соның ішінде әртүрлі стресс түрлеріне төзімділіктің жоғарылауына байланысты. Мысалы, S. kudriavzevii және S. bayanus төмен температурада өсуге жақсы бейімделген, ал S. cerevisiae этанолға төзімді. Осы штаммдардың будандары ата-аналардың әрқайсысының бәсекелестік артықшылықтарына ие бола отырып, температура мен этанол стресс жағдайында өсуге жақсы бейімделеді. Мұндай гибридтер хош иісті қосылыстардың жоғалуын болдырмау үшін төмен ашыту температурасы пайдаланылған кезде ақ шарап технологиялары үшін өте құнды болуы мүмкін. Гибридтердің генетикалық сипаттамалары шараптың дәмдік сипаттамаларына да тікелей әсер етуі мүмкін. S. cerevisiae x S.kudriavzevii гибридтері сипатталған, олар кейбір жүзім сорттарынан қышқыл ашыту кезінде күрделі эфирлер мен жоғары спирттер өндірісінің жоғарылауымен сипатталады. Шарап ашыту жағдайында мұндай будандар тиол 4-меркапто-4-метилпентандионды, күшті жеміс хош иісі бар хош иісті қосылыстарды көбірек шығарады. Мұндай гибридтердің жиі пайда болуы олардың бейімделу артықшылығын көрсетуі мүмкін, дегенмен стресстік жағдайлардың өзі будандастыру процестерін ынталандыратынын жоққа шығаруға болмайды [68].Гибридтердің генетикалық тұрақсыздығы олардың хромосомалық жиынтықтарының айтарлықтай өзгергіштігіне, басқа хромосомалық қайта құрулар мен модификацияларға әкеледі.S. cerevisiae x S. kudriavzevii-дің 24 табиғи будандарын молекулалық талдау олардың плоидтылығында (2n-ден 4n-ге дейін) және S. kudriavzevii генетикалық материалының құрамындағы елеулі өзгерістерді анықтады [69].Жақсы сілтеме жасалған жұмыста 212 реттелген шарап штаммдарының геномдары Saccharomyces sensu stricto clade басқа штамдарынан генетикалық материалдың болуымен ерекшеленген. Жалпы алғанда, S. cerevisiae-дан басқа штамдар тізбегінің үлесі өте мардымсыз болып шықты. Алайда 17 штамда S.paradoxus, S.uvarum, S.eubayanus, S.mikitae, S.kudriavzevi геномдарынан тасымалданған кеңейтілген аймақтар (бір хромосоманың 10%-дан астамы) анықталды. Сонымен қатар, осы 17 штаммның 12-сінде толық дерлік екінші геном болды. Зертханада шарап штаммдары мен сахаромицет емес басқа штаммдар арасында жаңа коммерциялық желілерді жасау үшін сирек кездесетін будандастыру оқиғаларынан бес гибрид шығарылды. Басқа штаммдар полиплоидияның өте өзгермелі дәрежесімен ерекшеленді. Мысалы, NT50 штаммында S. cerevisiae гаплоиидты геномы және S. kudriavzevii 13 хромосомасының бір көшірмесі болды. S6U және WLP862 штаммдарында үш түрлі түрдегі генетикалық материалдың айтарлықтай үлесі болды [70].
Эволюциялық тарих және антропогендік әсерлер байланыс Saccharomyces cerevisiae-ны шарап ашытқысының квинтэссенциясына айналдырды. Бұл түр әдетте шараптың кез келген өздігінен ашытуында басым болады және соңғы уақытқа дейін барлық коммерциялық қол жетімді шарап стартерлері осы түрге тиесілі болды. Crabtree эффектісі және толық анаэробты жағдайда өсу қабілеті олардың осы ортадағы үстемдігіне шешуші үлес қосады. Бірақ Saccharomyces cerevisiae барлық штамдары бастапқы дақылдар сияқты бірдей қолайлы емес. Бұл зерттеу жұмысында біз S. cerevisiae шарап штаммдарының физиологиялық және генетикалық сипаттамаларын, сондай-ақ эволюция кезінде оларды қалыптастырған биотикалық және абиотикалық факторларды қарастырамыз. Бұл ашытқылар тобының шектеулі генетикалық әртүрлілігі энологиядағы жаңа мәселелерді шешуге кедергі болуы мүмкін. Дегенмен, осы саладағы зерттеулер гендік инженерия мен классикалық генетикалық құралдардан шарап ашытқыларының каталогтарына басқа ашытқы түрлерін қосуға дейін осы әртүрлілікті арттыру үшін көптеген жылдар бойы құралдарды қамтамасыз етті. Кейде бұл дәстүрлі емес түрлер S. cerevisiae бар түр аралық будандар тудыруы мүмкін. Осылайша, S. cerevisiae шарап штаммдары және басқа да шарап ашытқылары туралы біліміміз үнемі кеңейіп келеді. Соңғы онжылдықтарда шарап ашытқыларын зерттеу энологияны модернизациялаудың негізгі тірегі болды және ашытқы биотехнологиясы болашақта кез келген проблемаларды шешуге, мысалы, климаттың өзгеруіне ықпал ететініне сенімді айтуға болады [71, 72].Спиртті ашу процесі адамзат тарихындағы ең көне биотехнологиялық трансформация болса керек. Қытайдағы, Ирандағы, Мысырдағы немесе Грузиядағы археологиялық үлгілердің химиялық талдаулары шарап пен басқа ашытылған сусындардың өндірісін ауыл шаруашылығының шығу тегіне дейін бақылайды. Дегенмен, жүзім мен басқа дақылдарды қолға үйрету арнайы болды деп болжауға болатын болса да, шарап ашытуға жауапты агенттерді қолға үйрету негізінен бейсаналық болды. Ашытқылардың алкогольдік ашытуға қатысуы XIX ғасырға дейін жалпы қабылданған жоқ. Таңдалған стартерлік культураларды пайдаланып ашыту процестерін меңгеру шарап жасау тарихындағы алғашқы жаңалық болып табылады. Бұл жаңалық 1970 жылдарға дейін кең тараған тәжірибеге айналған жоқ. Осы уақытқа дейін шарап жасауда қолданылатын өнеркәсіптік стартерлердің барлығы дерлік Saccharomyces cerevisiae түріне жатады. Бұл түр биологияның әртүрлі салаларында үлгі организм ретінде ертеде қабылданған; микробиология, биохимия, физиология, генетика немесе геномика, т.б. Алғашқы морфологиялық сипаттамалардан немесе оның ұрық теориясына қосқан үлесінен бастап,
S. cerevisiae биотехнологиялық жұмыс күші ретінде де, үлгі организм ретінде де синергетикалық түрде дамыды [73].Бұл сонымен қатар толық реттелген алғашқы эукариоттық организм болды және NGS тұтас геномды секвенирлеуді танымал ету арқылы ол қазір микробиология, популяциялық генетика және синтетикалық биология үшін үлгі болып табылады. Осыған қарамастан, зертханада және өнеркәсіпте қолданылатын штаммдардың сипаттамалары арасында, сондай-ақ екі ортада жиі кездесетін өсу жағдайларында айтарлықтай айырмашылықтар бар. S. cerevisiae гаплоидты геномы шамамен 12 млн ретті тізбектен және 16 хромосомаға бөлінген болып келеді. Ақуызды кодтайтын гендердің саны шамамен 6000-ға жуық. S. cerevisiae-нің қазіргі геномы (және WGD-тен кейінгі деп аталатын ашытқы түрлерінің шағын жиынтығы) ата-бабадағы геномды қайталау оқиғасының (бүкіл геномның қайталануы үшін WGD) нәтижесі болып табылады. Нәтижесінде тетраплоидты жасуша пайда болады. Кейінірек геннің артық бөлігі жоғалды, бірақ әлі де осы түрдің ақуыздарының шамамен 13% -ы осы ежелгі қайталанудың нәтижесінде пайда болған жұптар. Көп жағдайда бұл оқиға көшірмелердің кем дегенде біреуін мамандандыруға мүмкіндік бергендей болды. Бұл қайталану сонымен бірге гликолиз ағынының ұлғаюының негізінде жатқан сияқты, бұл ақыр соңында Crabtree әсеріне әкелуі керек [74-79]. Соңғы деректер Saccharomyces түрлерінің барлығы Азияда пайда болғанын және қытайлық емес S. cerevisiae штамдарының барлығы Қытайдан тыс жерде бір оқиғадан шыққанын көрсетеді. S. cerevisiae филогенетикалық ағашының бір жағындағы шарап пен еуропалық класқа түсетін шарап изоляттары арасында күшті генетикалық байланыс бар. Салыстырмалы геномика сонымен қатар қазіргі заманғы шарап изоляттарын алу процесіндегі популяцияның тар саңылауына байланысты монофилді екенін көрсетеді. Бұл түрлер плоидты, сондай-ақ анеуплоидияны көрсете алатынына қарамастан, шарап ашытқысының изоляттарының көпшілігі таза диплоидтар болып табылады [80, 81]. 2 ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ2.1 Зерттеу объектісіҚазіргі уақытта NCBI дерекқорында әртүрлі S. cerevisiae изоляттарының 237 дерлік толығымен декодталған және аннотацияланған геномдары туралы ақпарат бар. Зерттеу жұмысының зерттеу объектісі ретінде пальма шарабын жасауда қолданылатын үш түрлі тұқымдасқа жататын S. сerevisiae, P. kudriavzevii және C. ethanolica ашытқы түрлері алынды.Көптеген зерттеулер S. cerevisiae-нің биохимиялық және геномдық қасиеттерін түсінуге көмектескенімен, ашытқы түрлері толық қамтылмағанын көрсетеді. Пальма шарабындағы