Protein expression in archaeal host organisms

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-19

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

22

Series

Abstract

Proteins are the building blocks of life, that are naturally synthesized by all living organisms. Many of these proteins have biotechnological applications and thus, recombinant proteins are produced commercially in micro-organisms. Bacteria and yeast provide modifiable expression hosts for the manufacturing of most proteins. More recently, however, researchers have established the domain of archaea as a viable alternative to the traditional expression systems. As the production of proteins is regulated by the genetic code of an organism, archaeal proteins are not easily expressed in bacterial hosts. This thesis covers methanogenic archaea and their potential for recombinant protein expression. Methanosarcina acetivorans is considered one of the model organisms for genetic engineering due to its versatile metabolism. Like M.acetivorans, all methanogens require the presence of methyl coenzyme M reductase (MCR) to produce methane. This thesis looks to provide an overview of archaea currently used in expression systems. Additionally, this thesis will go more into detail about methanogens and the required biotechnology for expressing MCR in M. acetivorans. MCR is a large protein complex which regulates the activity of all methanogens. MCR requires a specific environment to operate, which is why many aspects of this enzyme are still unknown. However, researchers have established several biotechnological applications which could be achieved through the genetic modification of MCR. Recent advances in genetic engineering have allowed various archaea to be modified accurately, mostly through the use of CRISPR techniques (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats). As an example, these techniques have been utilized to increase the substrate range and oxidant resistance of M. acetivorans. Archaeal expression systems are, however, still lacking far behind the traditional ones. More research into the activity, maturation and assembly of MCR and several other archaeal proteins is needed. Still, archaea and especially methanogenic archaea can prove to be a valid alternative to the traditional expression systems in the future.

Proteiinit ovat elämän rakennuspalikoita, joita jokainen eliö tuottaa luontaisesti. Monilla näistä proteiineista on bioteknisiä käyttötarkoituksia, minkä vuoksi rekombinantteja proteiineja tuotetaan kaupallisesti hyödyntämällä mikro-organismeja. Bakteerit ja hiivat tarjoavat helposti muokattavia isäntiä proteiinien valmistamiselle. Viime aikoina tutkijat ovat todenneet, että näiden lisäksi proteiinien tuotannossa voidaan käyttää vaihtoehtoisina isäntinä monia arkeoneja. Arkeonit muistuttavat ulkoisesti bakteereja, mutta solutoiminnoiltaan ne vastaavat läheisemmin eukaryootteja. Proteiinit valmistuvat eliöiden geneettisen koodin mukaisesti, mikä on aiheuttanut vaikeuksia arkeonisten proteiinien tuottamisessa bakteereissa ja hiivoissa. Tässä tutkielmassa tarkastellaan metanogeenisiä arkeoneja, ja niiden potentiaalia proteiinien ilmentämisessä. Metanogeenilajia Methanosarcina acetivorans pidetään yhtenä arkeonisen geenitekniikan malliorganismeista sen monipuolisen aineenvaihdunnan vuoksi. Kuten M.acetivorans, jokaisen metanogeenin aineenvaihdunta vaatii metyylikoentsyymi M reduktaasia (MCR) metaanin tuottamiseksi. Tämä tutkielma tarjoaa yleiskatsauksen proteiinien ilmentämisessä nykyään käytettävistä arkeoneista sekä esittämään yksityiskohtaisemmin metanogeenien ominaisuuksia, ja miten MCR entsyymi voidaan geenitekniikan avulla ilmentää M.acetivorans -lajissa. MCR on suuri proteiinikompleksi, jonka toiminta vaikuttaa suoranaisesti metanogeenin aktiivisuuteen. MCR vaatii toimiakseen erittäin spesifin ympäristön, eikä kompleksin epävakauden takia monia osa-alueita entsyymin toiminnasta vielä tiedetäkään tarkasti. MCR-kompleksin geneettisellä muokkauksella voidaan kuitenkin kehittää uusia bioteknologisia ratkaisuja kuten tehokkaampia biopolttoaineita. Viimeisimpien edistysten ansiosta myös arkeonien geneettinen muokkaaminen on yhä helpompaa. CRISPR-tekniikalla (Clustered regularly-interspaced short palindromic repeats) metanogeeneihin voidaan tehdä tarkkoja muokkauksia. Tekniikan avulla ollaan muun muassa kasvatettu M. acetivorans -lajin substraattispesifisyyttä ja hapensietokykyä. Arkeonien geneettinen muokkaaminen on kuitenkin yhä bakteereja ja hiivoja perässä, ja lisää tutkimustyötä vaaditaan. MCR-entsyymin rakennetta ja aktiivisuutta ei tunneta vielä tarkasti, mikä pätee moniin muihin arkeonisiin proteiineihin. Tulevaisuudessa arkeonit voivat kuitenkin tarjota toimivan vaihtoehdon perinteisille ekspressiosysteemeille.

Description

Supervisor

Scheller, Silvan

Thesis advisor

Tian, Yufang

Keywords

methanogenic archaea, protein expression, methyl coenzyme M reductase, methanosarcina acetivorans, genetic engineering, CRISPR/Cas

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411056998

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM