BTEX 분해 미생물 슈도잔토모나스 스파딕스 BD-a59의 유전체 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

단일 방향족 탄화수소를 분해하는 능력이 있는 박테리아인 Pseudoxanthomonas spadix BD-a59의 유전체 서열이 분석되었다. 이를 위한 유전체 염기서열 분석은 차세대 염기서열 분석 기술인 454-GS FLX Titanium system과 Illumina (Solexa)를 통해 수행되었다. BD-a59 균주는 3.45 Mb 크기에 해당되는 원형의 염색체를 지니며, 3119 개의 단백질 coding 유전자를 지닌다. 유전체는 88.39%의 DNA coding density를 가지는 것으로 예상되었고, 그 평균 유전자 길이는 1085.7 bp이다. 24개의 Genomic island (GIs)가 BD-a59 균주의 유전체에서 밝혀졌다. IMG와 NCBI 로부터의 annotation결과는 BD-a59 유전체 내에 존재하는 3개의 중점적인 BTEX 분해 경로와 관련 있는 유전자 cluster들을 제시해준다. 각 유전자 cluster의 구성에 기반하여, 우리는 BTEX의 분해에 대한 경로를 예상 할 수 있었다. 이러한 BTEX 분해 경로와 관련있는 유전자 cluster가 P. spadix BD-a59 균주의 유전체 내에 존재한다는 것은 이 균주의 대사적 다재성을 암시하게 한다. 더군다나, 서열 기반적 분석은 BD-a59 균주가 benzoate, biphenyl, salicylate, toluene, xylene, phenol, alkane, 2-nitropropane, 그리고 2,3-dihydroxy biphenyl와 같은 물질에서 자랄 수 있다는 가능성을 제시해준다. GC content, GC skew, Karlin signature difference와 같은 염기서열 특성의 광범위한 흐름은 P. spadix BD-a59 균주의 유전체 내에 24 개의 변칙적인 부위가 존재하고, 이 사실은 수평적 유전자 전이에 의한 유전체 구성의 변화가 있었다는 것을 나타낸다. 다른 균주인 P. suwonensis 11-1 유전체와의 비교 분석은 P. spadix BD-a59의 유전체 내에 무기적 이온 수송과 대사에 관련된 유전자들과 이차 대사산물들의 생합성, 수송, 그리고 이화작용에 관련된 유전자들이 상대적으로 더 많다는 것을 보여주었다. P. spadix BD-a59 균주 유전체의 이러한 표현형적 특성들과 유전적 특성들은 P. spadix BD-a59의 본연의 서식지인 가솔린 오염 지역에서의 이 균주의 적합성에 대한 물리적, 생화학적인 공헌에 대한 통찰을 제시할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The genome of monoaromatic hydrocarbon degrading bacterium Pseudoxanthomonas spadix strain BD-a59 was analyzed. The genome sequencing was performed by using next-generation sequencing technologies including 454-GS FLX Titanium system and Illumina (Solexa) prior to genomic analysis. P. spadix BD-a59 carries a circular chromosome of 3.45 Mb with 3119 of protein coding genes. The genome was predicted to have 88.39% of DNA coding density, with an average gene length of 1085.7 bp. Twenty-four Genomic Islands (GIs) were predicted in the genome of the strain BD-a59. Annotation results from IMG and NCBI pipeline suggested that three central BTEX degradation pathway clusters, especially toluene, ethylbenzene and xylenes, were present in the genome of the strain BD-a59. Based on constitution of the each cluster, I predict their feasible pathway for BTEX degradation. Recruitment of these clusters were supposed to imply metabolic versatility of the bacterial strain. Furthermore, sequence based analysis suggested that strain BD-a59 may have abilities growing on benzoate, biphenyl, salicylate, toluene, xylene, phenol, alkane, 2-nitropropane, and 2,3-dihydroxy biphenyl. Broad trends in nucleotide characteristics (GC content, GC skew, Karlin signature difference) also showed at least twenty-four anomalous regions in the chromosome, indicating alteration of genome architecture via horizontal gene transfer (HGT). Comparison analysis with other P. suwonensis 11-1 revealed that the strain BD-a59 was enriched with COG categories of P (inorganic ion transport and metabolism) and Q (secondary metabolite biosynthesis, transport, and catabolism). These phenotypes and genotypes set the stage for gaining additional insights into the physiology and biochemistry contributing to strain BD-a59’s fitness in its native habitat, gasoline-contaminated site.

목차 (Table of Contents)

• I. INTRODUCTION 1
• II. MATERIALS AND METHODS 4
• 1. Bacterial strains and DNA extraction 4
• 2. Genome sequencing and assembly 4
• 3. Genome annotation and comparative genomics 5
• III. RESULTS AND DISCUSSION 6
• 1. General features of the P. spadix BD-a59 genome 6
• 2. Genomic comparison with another sequenced bacterium, Pseudoxanthomonas suwonensis 11-1 10
• 3. Prediction of genomic islands 16
• 4. Degradation of BTEX compounds and capacity for biodegradation 22
• IV. REFERENCES 35
• V. 국문초록 47
• VI. ABSTRACT 49